作者：张毅
针对农村生活污水流量小、浓度高、单一沟渠流动性差及传统污水处理方法效果不佳等问题，本文设计出一种低能耗、投资少、维护简便、易于推广的新型生态污水处理沟渠——跌水复氧式沟渠。首先，将农村现有废弃沟渠作为污水处理的主要构筑物；同时铺设填料作为基质加强沟渠去污能力；进而通过实验优化跌水坡度和高度等工程参数，来提高系统运行效率和稳定性，以期为中部水网区示范工程建设提供技术支撑和理论依据。
1材料与方法
l.l试验装置及工艺简介
试验采用实验室装置来模拟多级跌水复氧式沟渠，见图l，自左向右共分为5个部分串联，分别为平流I区，跌落I区，平流Ⅱ区，跌落Ⅱ区，平流Ⅲ区。其中各个部分均为透明的有机玻璃加工而成的敞口放置的长方体，其长1 000 mm、宽80 mm、高100 mm，其中每个部分均设置进水配水区和出水区，进水配水区和出水区的长宽高分别为：50 mm、80 mm、100 mm。填料分别铺设在进水配水区和出水区之间，底部铺设10-20 mm的砾石，起承托支撑作用。在砾石上方铺设蛭石填料约50 mm，砾石和蛭石之间用透水性好的土工布隔开，以防止二者相互掺混。经过多级跌水复氧，污染物大部分转变成易降解的有机物或者小分子的物质得以去除，去除部分N、P、COD等污染组分，同时借助生长在蛭石上的微生物对有机污染物的降解来达到进一步净化污水的目的。
1.2试验填料与水质的选择
试验采用蛭石作为主要渗滤基质。蛭石是一类结构单元层为2:1型、层间具有水分子及可交换性阳离子的层状镁（或铝）硅酸盐黏土矿物，具有较大的比表面积和较强的吸附能力。蛭石经高温焙烧，其体积可迅速膨胀2-20倍，生成一种质地疏松的膨胀蛭石，其具有体轻、隔热、防火、吸水等性能，被广泛用作保温、隔热和耐热材料，不溶于水，化学性质稳定，无毒无味，无副作用，具有较好的同步脱氮除磷性能。
试验用水为根据湖北省武汉市黄陂农村地区生活污水污染物浓度配制的模拟污水，使用自配污水的优点是水质稳定且易于控制。试验用葡萄糖提供COD，氯化铵提供NH4+-N，尿素提供有机氮，磷酸二氢钾提供TP，进水水质见表1。
1.3静态吸附试验
采用静态吸附试验研究膨胀蛭石对NH4+-N和TP的静态吸附性能。
将500 mL -定浓度的NH4CI和KH2P04溶液置于烧杯中，加入一定量的蛭石，在25℃下以10 r/min的转速分别振荡一定时间，定时取一定量的水样，用滤膜过滤，测定滤液中NH4+-N和TP的含量，并计算蛭石在不同吸附时间对NH4+-N和TP的吸附量。
1.4试验方法
水质指标的测定均采用国标分析法，其中COD采用标准重铬酸钾法测定；NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法GB7479^-87测定；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法GBll894-89测定；TP采用钼酸铵分光光度法GBll893-89测定；溶解氧采用YSID0200溶解氧测定仪测定。
2结果与分析
2.1填料吸附性能的影响研究
2.1.1 时间对蛭石吸附量的影响
蛭石对NH4+-N和TP的吸附量随时间的变化见图2，可以看出，蛭石对NH4+-N和TP的吸附量在吸附初期随时间增大而快速增大，到了吸附后期，吸附速率减少，吸附变缓，直至吸附达到平衡，平衡时蛭石对NH4+-N和TP的单位吸附量分别为3.269、1.635 mg/g。
2.1.2初始浓度对蛭石吸附量的影响
蛭石对NH4+-N和TP的吸附量随初始浓度的变化见图3。结果表明，NH4CI溶液和KH2P04溶液的初始浓度对填料的单位吸附量有较大的影响，随着初始浓度的升高，填料单位吸附量也明显增大。
2.1.3 NH4+-N和TP吸附动力学
吸附动力学模型主要有准一级模型、准二级模型、w-m动力学模型及和Bangham孔道扩散模型，可根据其拟合出的动力学方程估算某时刻的吸附量和达到平衡吸附量所需的时间。
准一级吸附动力学模型为：
准二级吸附动力学模型为：
w-m动力学模型为：
Bangham吸附动力学模型为：
式(1)~(4)中：qe和gt分别为平衡时和t时刻的吸附量（mg/kg）；f为吸附时间(min)；k1与k2分别为准一级和准二级吸附速率常数；k。和C分别为w-m模型的常数；n和k4皆为Bangham公式的常数。
用式(1)~(4)4种吸附动力学模型对NH4+-N和TP的吸附动力学过程进行拟合，结果见表3。
由表2可知，准一级模型和准二级模型均较好描述蛭石对NH4+-N和TP的等温吸附动力学特征，R2都达到了0.97以上。准二级动力学对蛭石吸附氨氮的拟合要优于准一级动力学，这说明化学吸附机制对蛭石吸附NH4+-N和TP过程的控制要强于扩散机制的控制。w-m模型中C≠0说明内扩散不是控制吸附过程的唯一步骤。而Bangham吸附动力学模型对NH4+-N和TP的拟合系数分别为0.897 8和0.909，不能较好地表示实际吸附情况，即孔道扩散过程不是主要的；填料的吸附过程一般分为吸附剂表面吸附和孔道缓慢扩散2个吸附过程，说明蛭石对NH4+-N和TP的吸附以表面吸附为主。
2.2跌水高度对水体复氧的影响
实验设定5个跌水高度，分别为25 cm、30 cm、35 cm、40 cm、45 cm，测得跌水高度对氧亏率的影响如图4。由图4知，随着跌水高度的增加，氧亏率呈上升趋势。这与李杰等的研究结果一致，在他的研究结果中跌水高度越高越有利于复氧，这是因为跌水高度越高，跌水时间就越长，水与空气的接触时间也就越长，因此复氧量也就越大，即氧亏率越大。当跌水高度超过35 cm后，氧亏率的上升趋势变缓，因此，本工艺选用的跌水高度为35 cm。
2.3跌水坡度对工艺的影响研究
当沟渠坡度分别为0.05、0.10、0.15、0.2时对进出水进行水质监测分析。用测得的出水污染物浓度与进水污染物浓度来计算去除率，各污染物去除率与坡度的关系如图5所示。
由图5可知，跌水坡度=0.10时，COD、NH4+-N、TN和TP的去除率均较高，说明该坡度有利于各个污染物的去除。该坡度去除率高的原因是坡度太小时，污水在沟渠内流动性差，溶解氧不足，好氧微生物活性降低，从而导致净化效果差。反之，坡度太大时，污水在沟渠内的流速过快，污水不能与填料充分接触，而且坡度太大会导致沟渠前半段填料干涸，微生物无法生长，浪费了沟渠前部的填料。
2.4多级跌水复氧式沟渠的处理效果研究
为模拟农村污水不均匀的排放特征，系统以波动进水方式运行，将进水时间延长至连续的12 h，水力负荷在一定范围内波动变化，其余时间落干，设定不同时间的进水负荷如图6所示，经取样测定，各污染物的去除率见图7。
由图7可知，由于农村地区污水排放不均匀，在水量上存在着较大的波动，从而导致污染物的去除率也随之变化。研究表明，COD、NH4+-N、TN、TP的最大去除率分别为94.38%、81.26%、77.28%和85.99%，其中COD的去除率降幅最大，最大降幅接近20%；NH4+-N和TP去除率的降幅接近，约为15%；TN的去除率最大降幅最小，约在l0%左右。总体来看，污染物的去除率在水量变大时呈现出急剧下降的趋势，随后逐渐恢复到先前的水平。出现这种现象的原因，主要是因为水量的变化在一定程度上改变了污染物的负荷，而微生物需要一定的时间来适应这种变化，该过程与微生物的驯化过程类似。此外，随着进水时长的增加，沟渠中的填料下层可能会发生局部厌氧或者水流短路的情况，从而导致污染物的处理效果变差。
3结论与思考
跌水复氧式沟渠工艺是利用农村现有的废弃沟渠作为污水处理的主要构筑物，是一种低能耗、投资少、维护简便、易于推广的新型生态污水处理方法。
(l)蛭石对NH4+-N和TP的吸附量在吸附初期随时间增大而快速增大，到了吸附后期，吸附速率减少，直至吸附达到平衡，平衡时蛭石对NH4+-N和TP的单位吸附量分别为3:269 mg/g，1.635 mg/g。此外，NH4CI溶液和KH2P04溶液的初始浓度对填料的单位吸附量有较大的影响，随着初始浓度的升高，填料单位吸附量也明显增大。
(2)准一级模型和准二级模型都能较好地描述蛭石对NH4+-N和TP的等温吸附动力学特征，并且化学吸附机制对蛭石吸附NH4+-N和TP过程的控制要强于扩散机制的控制。w-m模型说明内扩散不是控制吸附过程的唯一步骤。而Bangham吸附动力学模型不能较好的表示实际吸附情况，即孔道扩散过程不是主要的。说明蛭石对NH4+-N和TP的吸附以表面吸附为主。
(3)跌水高度为35 cm时能达到较为理想的复氧效果。
(4)跌水坡度=0.10时有利于污染物的去除。
(5)研究表明由于农村地区污水排放不均匀，在水量上存在着较大的波动，从而导致污染物的去除率也随之变化。其中COD、NH4+-N、TN、TP的最大去除率分别为94.38%、81.26%、77.28%和85.99%，出现这种波动现象的原因，主要是因为水量的变化在一定程度上改变了污染物的负荷，而微生物需要一定的时间来适应这种变化，该过程与微生物的驯化过程类似。此外，随着进水时长的增加，沟渠中的填料下层可能会发生局部厌氧或者水流短路的情况，从而导致污染物的处理效果变差。
4摘要：采用五级跌水复氧式沟渠工艺，并通过沟渠填料选择、跌水坡度和高度优化等试验，以期提高系统的高效性和稳定性。结果表明：蛭石对NH4+-N和TP的吸附量随时间先快速增大至变缓直至平衡，平衡时蛭石对NH+-N和TP的吸附量分别为3.269、1.635mg/g。通过蛭石吸附动力学模型拟合得出蛭石对NH。+-N和TP的吸附以表面吸附为主跌水是改善沟渠系统溶解氧状况的有效措施之一，跌水高度为35 cm时能达到较为理想的复氧效果；同时坡度=0.10时有利于污染物的去除；处理装置的监测表明，COD、NH4+-N、TN
和TP的最大去除率分别为94.38%、81.26%、77.28%和85.99%，出水水质可达《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GBl8918-2002)-级排放标准。
下一篇:返回列表
