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填料对地下渗滤系统污水处理效果的影响

汪宏 ,  严群 ,  李建 ,  苏占荣 ,  李森林 ,  田帅

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 476 -480.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 476-480. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.083
工业技术

填料对地下渗滤系统污水处理效果的影响

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Impact of filling materials on treatment effect of domestic sewage by subsurface infiltration system

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摘要

构建了2套地下渗率系统,考察了土壤-煤渣分层装填(系统1)及土壤-煤渣-生物基质分层装填(系统2)在15 cm/d运行工况下的污水处理效果,分析填料对地下渗滤系统的影响。结果表明,运行稳定后,2系统对COD和TP的平均去除率均高于89%,对$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$的平均去除率均高于75%;系统1、2对TN平均去除率分别为60.55%、52.95%;分层装填生物基质可改善系统氧化还原环境,并释放有机物,补充反硝化所需碳源,有效提高系统脱氮效果。

Abstract

Two subsurface infiltration systems are established in a small-scale experiment with soil,coal cinder and bio-substrate in delamination.S1 system is loaded with soil and coal cinder,and S2 system is loaded with soil,coal cinder and bio-substrate.The sewage treatment effect of two systems is evaluated under a hydraulic loading of 15 cm/d,and the impact of filling materials on subsurface infiltration system is analyzed.It is demonstrated that the removal rates of COD,TP in both systems exceed 89%,and that of ammoniacal nitrogen exceeds 75%.The removal rate of TN in S1 is 60.55% and 52.95% in S2.The layered filling of bio-substrate can improve the redox environment,release organic matter to replenish carbon source for the denitrification stage,and enhance the removal efficiency of TN.

Graphical abstract

关键词

地下渗率系统 / 污水处理 / 分层装填 / 煤渣

Key words

subsurface infiltration system / sewage treatment / layered filling / coal cinder

Author summay

汪宏(1990-),男,硕士,工程师,注册公用设备工程师,研究方向为水处理及水污染控制,

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汪宏,严群,李建,苏占荣,李森林,田帅. 填料对地下渗滤系统污水处理效果的影响[J]. 现代化工, 2025, 45(S2): 476-480 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.083

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作为自然净化结合人工工艺的污水就地处理技术,地下渗滤系统(SWIS)具有污水处理效果显著、投资成本低、管理方便等优点[1-2],为农村分散式、小流量污水处理提供了有效途径,可切实解决农村污水治理难题。
填料是影响SWIS污水处理效果的重要因素[3-5],Li等[6]发现,与纯草甸棕壤填料相比,优化系统填料为65%草甸棕壤+30%煤渣+5%脱水污泥,在12.5 cm/d运行工况下,优化后系统中硝化菌和反硝化菌数量均会增加,对$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$及TN的去除率分别提高了26.8%、33.8%;张思等[7]对比了分层与混合装填70%土壤+5%腐熟牛粪+25%粉煤灰填料系统的污水处理效果,在10 cm/d运行工况下,填料分层装填后TN去除率提高了5%,混合装填系统对$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$去除率较分层装填系统提高了12%。
构建了2小试系统,系统1内分层装填土壤-煤渣-生物基质,系统2内分层装填土壤-煤渣,考察2系统在15 cm/d运行工况下的污水处理效果,探究优化填料成分及装填结构对地下渗滤系统污水处理效果的影响。

1 实验概况

1.1 装置概况

小试系统为硬质聚氯乙烯管(UPVC)内分层装填填料,管尺寸为:高度H=100 cm,直径Ø=20 cm。实验中,以体积比V干化污泥∶V煤渣=1∶6充分混合后作为生物基质[1]。系统取样口为塑料可拆卸式螺母及螺帽,仅取样时打开取样,平时关闭。关闭后封闭性良好。2系统填料成分及装填结构如表1所示。2小试系统填料装填如图1所示,取样口设置如图2所示。

1.2 实验方法

试验用水为模拟生活污水,实验期间,污水COD、TN、TP、$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$浓度分别为304.76~555.57、29.20~46.72、8.37~16.27、23.54~51.60 mg/L。水质检测项目包括有机物(COD)、总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮($\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$),测定方法参照《水和废水监测分析方法》(第四版)[8]。

2 结果与讨论

2.1 COD去除效果

在进水COD平均浓度为474.00 mg/L的条件下,2系统对COD去除效果见图3(a);在当日进水COD浓度为506.67 mg/L时,系统内COD浓度在填料层深上变化规律见图3(b)。
由图3(a)可知,运行稳定后,系统1、2的COD平均去除率为89.18%、90.0%,平均出水浓度为49.45、45.76 mg/L;在图3(b)中,2系统内COD浓度随填料深度增加而降低,在40 cm及以上层深处填料中累计去除70%~80%有机物。其中,20 cm层深处,系统1、2的COD累计去除率分别为25.26%、45.36%,此时COD浓度分别为378.66、292.06 mg/L;40 cm层深处,系统1、2的COD累计去除率分别为80.0%、72.43%,此时COD浓度分别为101.33、139.68 mg/L。
2装置均有良好的COD去除效果,系统1的COD去除效果略低于系统2,主要为:①系统2内填料以煤渣为主,具有表面积大、不规则多孔结构等构造特点[9-10],污水流经时,会形成适宜的固液气三相比,可促进微生物生长及污水有机物处理效果[11];②系统1在40~80 cm层深分层装填生物基质,在污水流经该层时,生物基质释放有机物,使出水COD浓度偏高。

2.2 总磷去除效果

在进水TP平均浓度为12.22 mg/L的条件下,2系统对TP去除效果见图4(a);在当日进水TP浓度为9.26 mg/L时,系统内TP浓度在填料层深上变化规律见图4(b)。
由图4(a)可知,运行稳定后,系统1、系统2的TP平均去除率分别为99.09%、99.34%,平均出水浓度分别为0.11、0.08 mg/L;在图4(b)中,2系统内TP浓度随填料层深增加而降低,与COD去除规律类似,在40 cm及以上层深处填料中可累计去除99%的TP。其中,20 cm层深处,系统1、2的TP累计去除率分别为76.12%、77.44%,此时TP浓度分别为2.21、2.09 mg/L;40 cm层深处,系统1、2的TP累计去除率分别为99.53%、99.09%,此时COD浓度分别为0.04、0.08 mg/L。
系统对TP的去除主要依赖于填料吸附作用[1,12-13],煤渣对磷的吸附能力较强,且含有大量的Ca2+、Al3+等离子,加之表面积较大,孔隙率高[14-15],故2系统保持了较高的TP去除水平。

2.3 氨氮去除效果

在进水$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$平均浓度为30.46 mg/L的条件下,2系统对$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$去除效果见图5(a);在当日进水$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$浓度为51.60 mg/L时,系统内$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$浓度在填料层深上变化规律见图5(b)。
由图5(a)可知,运行稳定后,系统1、系统2的$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$平均去除率分别为75.48%、79.54%,平均出水浓度分别为7.26、6.21 mg/L。分层装填生物基质系统对提高$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$去除率不显著;在图5(b)中,2系统内$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$浓度随填料层深增加而降低,在60 cm及以上层深处填料中可累计去除65%~85%的$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$。其中,在20 cm层深处,系统1、2对$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$去除率分别为31.81%、15.91%,此时$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$浓度分别为35.19、43.39 mg/L;40 cm层深处,系统1、2对$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$去除率分别为53.37%、32.34%,此时$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$浓度分别为24.06、34.92 mg/L;60 cm层深处,系统1、2的$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$去除率分别为85.5%、67.39%,此时$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$浓度分别为7.48、16.83 mg/L。系统1内$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$浓度在60~100 cm层深处先升高后降低,这表明系统1在60~100 cm层深处形成氧化还原微环境,为系统脱氮创造良好条件。
系统复氧能力是影响$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$去除效果的最主要因素[16-17],随着运行时间及填料层深的增加,系统内溶解氧含量逐步下降,系统2内主要分层装填煤渣,孔隙内可存留溶解氧,且装置20~40 cm层深处,因填料在15 cm/d工况下运行时,该层深填料处于非饱水状态,为系统提供复氧条件,故系统2内以氧化环境为主;在20~40 cm层深处,系统1内亦装填煤渣填料,该层深处,以氧化环境为主;在40~80 cm层深处,系统1装填生物基质,渗透性能较煤渣低,复氧能力较弱,会形成氧化还原微环境;在 60 cm层深处,$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$浓度最低,硝化作用明显,60~100 cm层深,$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$浓度先升高后降低,表明氨化及硝化作用在该层高均存在。系统1在35~75 cm层高分层装填生物基质可改善装置内氧化还原环境,促进脱氮效果。

2.4 总氮去除效果

在进水TN平均浓度为36.34 mg/L的条件下,2系统对TN去除效果见图6(a);在当日进水TN浓度为56.61 mg/L时,系统内TN浓度在填料层深上变化规律见图6(b)。
由图6(a)可知,运行稳定后,系统1、系统2对TN平均去除率分别为60.55%、52.95%,平均出水浓度分别为14.14、17.00 mg/L。图6(b)中,2系统内TN浓度随填料深度增加有降低趋势;在100 cm层深处,2系统出水TN浓度均达到最低,分别为16.11、20.86 mg/L。系统1内TN去除主要在40~60 cm层深及80~100 cm层深处。其中,在40 cm层深处,TN累计去除率为27.46%,TN浓度为41.06 mg/L;在60 cm层深处,TN累计去除率为50.14%,TN浓度为28.23 mg/L;在80 cm层深处,TN累计去除率为38.07%,TN浓度为35.06 mg/L;在100 cm层深处,TN累计去除率为71.58%,TN浓度为16.09 mg/L。系统2内TN去除主要在80~100 cm层深。其中,在80 cm层深处,TN累计去除率为44.06%,TN浓度为31.67 mg/L;在100 cm层深处,TN累计去除率为63.14%,TN浓度为20.87 mg/L
影响SWIS脱氮效果因素较多,其中,系统内氧化还原环境和污水中碳氮比(C/N)为主要因素[1,18-19],随系统运行周期增加,填料颗粒间孔隙会减小,导致填料整体渗透性降低,系统复氧能力逐步减小,沿层深方向会形成局部好氧-厌氧交替微环境。另外,系统运行时,在40 cm及以上层深填料已去除70%~80%的COD,污水中的有机物含量不足,污水C/N较低,抑制了反硝化反应,致使脱氮效果欠佳。
系统1较系统2的TN平均去除率提高了7.6%,分析原因为:①2系统内装填煤渣填料的渗透性好,污水流经40 cm及以上层深填料时,停留时间相对较短,在40 cm及以上层深内为非饱水状态,该层填料有一定的复氧能力,故2系统内0~40 cm层深内均以氧化环境为主;随着层深及运行周期的增加,系统复氧能力变差,在40 cm以下层深会逐渐形成局部还原环境,这有利于总氮的去除;②结合填料装填结构,系统2内75 cm层深以上为煤渣层,系统1内35 cm层深以上为煤渣层,35~75 cm层深为生物基质,渗透性低于煤渣,系统1内局部还原环境优于系统2;③分析有机物沿程变化,系统1、系统2在60 cm层深处C/N分别为4.26、2.47,表明分层装填生物基质优化填料结构层后,系统2在40~80 cm层深会释放有机物,提高污水C/N,促进了系统对TN的去除。
综上所述,以煤渣为主要填料分层装填的地下渗滤系统均有良好的COD、TP、$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$去除效果,对TN去除效果较上述指标欠佳。可通过优化系统填料配比及结构,分层装填生物基质,既能改善装置内氧化还原环境,使得系统内硝化和反硝化反应顺利进行,又能为释放有机物,补充污水反硝化碳源[1,19],可有效提高系统对TN的去除效果,同时,系统仍保持了较高好的COD、TP和$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$的去除水平。

3 结论

(1)在15 cm/d工况下,2装置均能稳定运行并有较好的污水处理效果,在平均进水浓度较高时,2系统对COD、TP的平均去除率均高于89%,对 $\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$的平均去除率均高于75%;对TN去除效果较其他指标欠佳,系统1、系统2对TN平均去除率分别为60.55%、52.95%。
(2)优化系统填料配比及结构,在系统35~75 cm层深处分层装填生物基质可提高系统对TN的去除效果。优化填料后能改善系统内部氧化还原微环境、释放有机物、补充污水反硝化碳源。同时系统仍保持了对COD、TP和$\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}$的去除效果。
(3)基于实际考虑,本实验有一定指导意义。其一,2系统在15 cm/d运行工况均能稳定运行且对污水处理效果较好,在实际应用时,与6.6 cm/d相比[20],可减少占地面积,节约征地成本;其二,在35~75 cm层深分层装填生物基质可提高污水C/N、改善系统氧化还原环境,与分流进水提高污水C/N[21]工况处理效果相当,且方便运行管理,提升了系统在实际工程中的应用。

参考文献

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