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三级串联人工快渗系统处理高氨氮生活污水 康爱彬 1 徐基胜 2 谢宇轩 2 陈鸿汉 2 1. 河北化工医药职业技术学院化学与环境工程系， 石家庄 050026; 2. 中国地质大学 北京 水资源与环境工程北京市重点实验室， 北京 100083 摘要 以校园学生生活区高氨氮生活污水为研究对象， 采用三级串联人工快渗系统研究其对污染物的去除效果。试验 结果表明 三级串联人工快渗系统对 COD、 氨氮去除率较常规人工快渗系统分别提高了 6 、 3 ， 出水均满足 GB 189182002 城镇污水处理厂污染物综合排放标准 一级 A 标准。总氮去除率提高了 20 。C/N 较低是影响提高总 氮去除率的限制因素， 增加通气层的三级串联人工快渗系统的内部复氧效果较常规人工快渗系统明显改善。 关键词 三级串联人工快渗系统; 高氨氮生活污水; 总氮; 复氧 THE TREATMENT OF HIGH AMMONIA NITROGEN DOMESTIC SEWAGE BY THREE- STEP SERIES CONSTRUCTED RAPID INFILTRATION SYSTEM Kang Aibin1Xu Jisheng2Xie Yuxuan2Chen Honghan2 1. Hebei Chemical and Pharmaceutical Vocational Technology College， Shijiazhuang 050026，China;2. Beijing Key Laboratory of Water Resources and Environmental Engineering，China University of Geosciences，Beijing 100083， China AbstractIt was studied the removal rate of pollutants through three step series of constructed rapid infiltration system and conventional constructed rapid infiltration system by using high ammonia nitrogen domestic sewage of students＇living area in a university． The results showed that the concentration COD and ammonia nitrogen could meet the standard ⅠA of“Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant” GB 189182002 ，during the operation of three step series of constructed rapid infiltration system． The removal rates of COD，ammonia nitrogen and total nitrogen were increased by 6 ，3 and 20 respectively，compared with conventional CRI system． The constraint on the increase of the removal rate of total nitrogen was the low ratio of C/N． The effect of oxygen recovery was remarkable． Keywordsthree-step series of constructed rapid infiltration system; high ammonia nitrogen domestic sewage; total nitrogen; oxygen recovery 人工快渗系统是中国地质大学 北京 近年来开 发研制出的一种新型污水处理技术 ［1］。近年来我国 主要应用于生活污水、 洗浴废水、 微污染河水等方面 的研究， 并有实际工程应用 ［2- 4］， 但利用人工快渗系统 技术处理高氨氮生活污水的研究较少。张国臣等采 用微曝气预处理工艺 传统人工快渗系统进行了处 理高氨氮生活污水实验研究， 并同时进行快渗柱内微 曝气和抽气复氧 实验， 结 果 显 示 改 进 后 的 系 统 对 COD、 氨氮和总氮的去除率稍有提高， 但需要外加动 力系统进行复氧 ［5］。笔者采用三级串联人工快渗系 统对养殖废水进行研究， 显示系统复氧效果明显提 升 ［6- 7］。因此本文采用微曝气 三级串联人工快渗系 统对学校学生生活区高氨氮生活污水进行研究， 主要 考察其对污染物去除效果以及系统的复氧状况， 同时 与常规人工快渗系统进行对比。 1实验设计 1. 1实验水质 实验进水来自校园学生生活区化粪池， 污水主要 来源于学生宿舍的洗漱、 冲厕以及其他杂用水， 水质 指标如表 1 所示， 属于典型的高氨氮生活污水。原水 经过微曝气后进入快渗系统。实验中的进水均是指 微曝气后的水质。 表 1废水水质 mg/L pH 除外 水质指标ρ CODρ TNρ 氨氮ρ SSpH 平均浓度510159. 2147. 12058. 03 8 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 1. 2实验设计参数 实验采用的工艺流程如图 1 所示。 采用对比实验， 同时运行常规的人工快渗系统， 介质高度和运行参数均相同。 图 1 CRI 系统工艺流程 1 号 柱 常 规 人 工 快 渗 系 统 装 置。保 护 高 为 0. 4 m， 距顶部0. 1 m处为溢流口， 介质总高度为2 m， 下部承托层为0. 1 m。总高度为2. 6 m。 2 号柱 即三级串联人工快渗系统装置。保护高 0. 4 m， 距顶部0. 1 m处为溢流口， 一、 二级子系统介 质厚度均为0. 5 m， 三级子系统介质厚度为1 m， 介质 总高度为2 m。一、 二级子系统中间以及二、 三级子系 统中间均有0. 2 m高的通气层。 两根快渗柱的内径为200 mm， 由 PVC 管制成， 下 部1 m设为饱水层。填料采用中砂， 所选用的中砂粒 径在 0. 4 ～ 1. 2 mm。d10 0. 25 mm， Cu 3. 12， 并混 有少量大理石补充碱度。实验采用间歇进水方式， 调 试阶段水力负荷为0. 6 m/d， 水力负荷周期6 h， 湿干 比为1∶ 11; 正常运行时水力负荷为1. 0 m/d， 水力负荷 周期6 h， 湿干比为1∶ 5。 2结果及讨论 2. 1COD 的去除效果 2. 1. 1调试阶段 实验启动以后， 1 号柱和 2 号柱在短时间内对 COD 均有比较高的去除率， 常规人工快渗系统 COD 的平均去除率为 65. 25 ; 三级串联人工快渗系统 COD 的平均累计去除率为 66. 55 。二者对比实验 结果见图 2。 从图 2 可以看出， 实验启动后， 两种快渗系统对 COD 去除相差不大， 三级串联人工快渗系统的去除 效率稍微高于常规人工快渗系统， 这主要是由于人工 快渗系统去除有机物的机理决定的， 人工快渗系统对 有机污染物质的去除主要由机械过滤、 吸附和生物降 解作用共同完成。系统在挂膜启动初期， 介质层中的 微生物量很少， 进水中污染物质的去除主要靠介质颗 粒的截流和吸附作用完成， 虽然出水效果不差， 但是 去除的污染物质并没有在系统内真正的被生物所降 解， 而是靠物理吸附作用粘附在渗滤介质颗粒的表 面。与此同时， 进水中存在的大量微生物也被渗滤介 质吸附在颗粒表面， 这些微生物随着进水时间的推 移， 逐渐适应了系统内部的环境条件， 并开始在介质 颗粒表面生长繁殖。因此， 随着实验的运行， COD 去 除率逐渐升高， 直到趋于稳定。 图 2调试阶段 COD 变化情况 2. 1. 2正常运行阶段 实验正常稳定运行后， 2 种系统实验结果对比见 图 3。常规 人工 快渗 系 统进水 ρ COD 在 110. 2 ～ 325 mg/L，平 均 为 162. 7 mg/L，出 水 为 30. 6～ 9 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 150 mg/L， 平均为47. 6 mg/L， 去 除 率 在 67. 91 ～ 81. 88 ， 平均去除率为 73. 81 ， 出水均能满足 GB 189182002城镇污水处理厂污染物综 合 排 放标 准 一级 B 标准。三级串联人工快渗系统ρ COD 平 均出水为33. 1 mg/L， 平均去除率为 79. 65 ， 出水浓 度均满足 GB 189182002 一级 A 标准。三级串联 人工快渗系统对 COD 的去除率较常规人工快渗系统 平均提高近 6 ， 系统正常运行以后， 在每一个进水、 落干周期内， 进水时有机污染物通过机械过滤、 吸附 作用使其附着在介质的表面， 然后再通过好氧生物作 用进行降解。降解 COD 的微生物主要是异养好氧 菌， 主要分布在系统的表层对于两个系统而言， 快渗 系统的上部没有什么差别， 因而系统总 COD 的去除 率相差不大， 但是由于三级串联系统在表层50 cm处 设置了通气层， 人为的增加了复氧效果， 导致其 COD 的去除率较常规系统有所提高。 图 3正常运行时 COD 变化规律 2. 2氨氮的去除效果 2. 2. 1调试阶段 实验启动以后， 2 种系统在短时间内对 NH3-N 都 有比较高的去除率， 常规人工快渗系统对 NH3-N 的 平均去除率为 63. 22 ; 三级串联人工快渗系统对 NH3-N 的平均累计去除率为 64. 42 。二者对比实 验结果见图 4。实验启动后， 两种人工快渗系统对氨 氮去除效果也相差不大， 三级串联人工快渗系统的去 除效率稍微高于常规人工快渗系统， 这主要是由于人 工快渗系统去除氨氮的机理决定的。人工快渗系统 中氨氮的去除主要是通过渗滤介质的吸附和微生物 的好氧硝化作用来完成， 系统启动初期， 渗滤介质内 微生物的数量极少， 主要是通过吸附作用粘附在渗滤 介质颗粒表面， 本系统没有添加对氨氮有特殊吸附作 用的渗滤介质， 只是一些中砂， 因此很容易吸附饱和， 产生穿透现象， 导致开始时出水水质较差， 随着实验 的运行， 微生物被驯化， 去除率也缓慢提升。 图 4调试阶段氨氮变化情况 2. 2. 2正常运行阶段 2 种系统正常运行阶段实验结果对比见图 5。实 验正常稳定运行以后， 1 号常规人工快渗系统对氨氮 的平均去除率为 91. 3 ， 出水浓度在8 mg/L以下， 达 GB 189182002 一级 B 标准。三级串联人工快渗系 统ρ NH3-N 平均出水为4. 43 mg/L， 平均去除率为 94. 47 ， 出水均能满足 GB 189182002 一级 A 标 准。三级串联人工快渗系统对氨氮的去除率较常规 人工快渗系统平均提高了 3 。从某种程度上说， 三 级串联人工快渗系统相当于由 3 个不足1 m的小人工 快渗柱组成。对于传统的 CRI 系统， 同样的进水由 3 个柱子共同承受， 只是较大部分的水由第 1 个快渗柱 接受， 第 2、 3 个快渗柱的水力负荷降低了。而对于传 统 CRI 系统氨氮的吸附和硝化作用大都是发生在表层 0 ～50 cm内， 这样三级串联人工快渗系统的每一级都 可以发挥类似于传统 CRI 系统表层的作用。 图 5正常运行时氨氮变化规律 从硝化作用的机理上看， 氨氮的去除受制于硝化 反应的进行。硝化反应在有氧环境中进行， 对于传统 的 CRI 系统经过2 m高的下落柱子内部很容易缺氧， 降解 COD 的好养异氧细菌和降解氨氮的好养自养菌 在表层共同竞争 DO， 由于好养异氧细菌繁殖速率快， 世代时间短， 很容易占据优势， 经常会导致常规人工 快渗系统中表层硝化率较低， 这也是传统 CRI 系统 01 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 需要克服的一个问题; 而对于三级串联人工快渗系统 每两级之间均设有20 cm高度的通气层， 这样复氧效 果大大提高保证了硝化作用的顺利进行。因此三级 串联人工快渗系统总去除率高于传统 CRI 系统。 2. 3总氮的去除效果 实验正常稳定运行后， 常规人工快渗系统对总氮 平均去除率为 26. 68 ， 出水未达 GB 189182002 二级标准。三级串联人工快渗系统中总氮一级子系 统平均累计去除率为 9. 73 ， 二级子系统平均累计 去除率为 19. 91 ， 二级子系统净去除率为 10. 18 ， 三级子系统平均累计去除率为 47. 38 ， 三级子系统 净去除率为 27. 47 。一级、 二级、 三级出水逐渐变 好。2 种系统实验结果对比见图 6。 图 6总氮变化情况 三级串联人工快渗系统对总氮的去除率较常规 快渗系统平均提高了近 20 ， 去除率提高效果较明 显。但出水浓度均不能满足 GB 189182002 二级标 准。按照传统的脱氮理论， 氨氮去除率高表明硝化效 果好; 而总氮去除率低则表明反硝化作用效率低。影 响反硝化反应的环境因素主要有 碳源、 pH、 溶解氧、 温度等。本实验中经计算， 进水的 C/N 在 1 ～ 2 之 间， 普遍低于所要求的值， 随着柱子深度的增加， 有机 物含量减少而硝酸盐、 亚硝酸盐增多， C/N 值更低。 因此反硝化进行困难， 导致两个系统 TN 去除率不 高。三级串联系统去除总氮效果明显比传统 CRI 系 统好很多， 这主要得益于第 3 级的设置。第 3 级是一 个1 m高的饱水带层， 与常规快渗柱不同的是其表面 与大气接通， 并且淹水期内三级表面有几厘米高的 水， 经过 2 个多小时才会落干， 这种好氧 － 厌氧交替 的环境正适合反硝化细菌生存。 2. 4溶解氧浓度变化 人工快渗系统中溶解氧浓度的变化直接影响系 统中 COD、 氨氮和总氮的去除效果， 因此对沿程的溶 解氧进行了测定。常规人工快渗系统分别在距离表 层 50， 100 cm和最终出水口取样， 而三级串联人工快 渗系统分别在一级子系统、 二级子系统的通气层和三 级子系统最终出水口取样。溶解氧的变化情况见 图 7。 图 7沿程溶解氧平均浓度变化情况 从图 7 可知， 三级串联人工快渗系统沿程平均溶 解氧浓度进水为0. 29 mg/L， 一级子系统末端升高 5. 26 mg/L， 二级子系统末端最大为7. 40 mg/L， 三级 子系统阶段由于淹水段的设计溶解氧浓度逐渐减小， 三级子系统最终出水 DO 浓度为1. 71 mg/L。常规人 工快渗系统沿程随着水流方向溶解氧逐渐减低， 在上 层50 cm左右时复氧达到最大值， 然后溶解氧显著下 降。三级串联人工快渗系统的出水溶解氧浓度略高 于常规人工快渗系统。通过增加通气层的三级串联 人工快渗系统的内部复氧效果较常规人工快渗系统 明显改善。 3结论 1 调试阶段两种人工快渗系统的 COD、 氨氮去 除率变化不大， 主要依靠介质的吸附截留作用完成。 2 正常运行时三级串联人工快渗系统对 COD、 氨氮去除率较常规人工快渗系统分别提高了 6 、 3 ， 出水均能满足 GB 189182002 一级 A 标准。 3 正常运行时三级串联人工快渗系统对总氮的 去除率较常规人工快渗系统提高了 20 ， 总氮去除 率明显提升。总氮主要在三级子系统阶段得到去除。 C /N 较低是影响总氮去除提高的限制因素。 4 增加通气层的三级串联人工快渗系统的内部 复氧效果较常规人工快渗系统明显改善， 提高了三级 串联人工快渗系统对 COD、 氨氮的去除率。 参考文献 ［1］何江涛， 钟佐燊， 汤鸣皋， 等． 解决污水快速渗滤土地处理系统 占地 突 出 新 方 法［J］． 现 代 地 质， 2001， 15 3 339 － 345. 下转第 97 页 11 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 a各气含率区间所占体积; b气含率方差 图 10不同表观气速情况下的气相分散程度比较 验结果和数值模拟结果一致， 表明本文所采用的计算 方案是合理的。针对不同转速和表观气速的影响， 得 到以下结论 1 气体分布器的底部喷孔气体流量为 0， 在优化 设计时可以考虑取消底部喷孔。 2 六直叶圆盘涡轮桨存在的严重气穴现象明显 影响气相分散程度并且导致通气后功率降很大， 不利 于气液两相混合。所以在优化设计时可将其改为六 凹叶圆盘涡轮桨或六半管叶圆盘涡轮桨。 3 首次提出了气含率方差的概念并用于定量描 述气相的分散程度。 4 分析了转速和表观气速对搅拌功率、 整体气 含率与气相分散程度的影响。从气液混合和能耗的 角度考虑 搅拌转速宜采用 200 ～ 300 r/min， 而表观 气速不宜太大。 参考文献 ［1］孙孝龙，蒋文举． 国内软锰矿浆脱硫研究进展［J］ ，云南化工， 2010， 174 37 58- 60. ［2］朱晓帆，刘若冰，蒋文举，等． 喷射鼓泡反应器在软锰矿烟气 脱硫中的应用［J］ ，环境工程， 2003， 21 1 47- 49. ［3］朱晓帆，凃海燕． 搅拌强度对软锰矿浆湿法脱硫反应的影响 ［J］． 四川大学学报 工程科学版， 2002， 34 1 121- 123. ［4］朱晓帆，苏仕军，任志凌，等． 软锰矿烟气脱硫研究［J］． 四川 大学学报 工程科学版 ， 2000， 32 5 36- 39. ［5］任志凌，朱晓帆，蒋文举，等． 软锰矿浆烟气脱硫反应器试验 研究［J］． 环境污染治理技术与设备， 2004， 5 11 90- 93. ［6］Jahoda M，Tomkov L，Motěk M．CFD prediction of liquid homogenisationinagas-liquidstirredtank ［J］．Chemical Engineering Research and Design， 2009， 87460- 467. ［7］Jiang X，Siamas GA，Jagus K，et al．Physical modelling and advancedsimulationsofgas-liquidtwo-phasejetflowsin atomization and sprays［J］．Progress in Energy and Combustion Science， 2010， 36131- 167. ［8］Laborde-Boutet C，Larachi F，Dromard N，et al． CFD simulation of bubble column flowsInvestigations on turbulence models in RANS approach［J］．Chemical Engineering Science，2009， 64 4399- 4413. ［9］Scargiali F，Dorazio A，Grisafi F，et al． Modelling and simulation of gas-liquid hydrodynamics in mechanically stirred tanks［J］． Chemical Engineering Research and Design，2007， 85637- 646. ［ 10］宋月兰，高正明，李志鹏． 多层新型桨搅拌槽内气 － 液两相流 动的实验与数值模拟［J］． 过程工程学报， 2007，7 1 24- 28. ［ 11］Bornbac A． Zun l，Filipic B． Gas-filled cavity structures and local void fraction distribution in aerated stirred vessel［J］ ，AIChE Journal，1997， 43 2921- 2931. ［ 12］苗伟，苏红军，徐世艾． 下沉颗粒三相体系的混合技术研究 I 功率的影响因素［J］． 烟台大学学报 自然科学与工程 版 ， 2007 2 141- 146. 作者通信处王维忠610065四川成都四川大学建筑与环境学院 生物力学工程实验室 电话 028 85405140 E- mailwwz811 163. com 2011 － 01 － 19 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 11 页 ［2］张金炳， 黄培鸿， 杨小毛， 等． 东莞华兴电器厂生活污水人工快 渗处理系统［J］． 环境工程， 2003， 21 6 32 － 35. ［3］张金炳， 汤鸣皋， 陈鸿汉， 等． 人工快渗处理洗浴废水的实验研 究［J］． 岩石矿物学杂志， 2001， 20 4 539 － 543. ［4］牟新民． 人工快渗处理深圳茅洲河水的实验研究［J］． 应用基 础与工程科学学报， 2003， 11 4 370 － 377. ［5］张国臣． 人工快渗系统处理高氨氮生活污水试验研究［D］． 北 京 中国地质大学 北京 ， 2008. ［6］康爱彬， 杨雅雯， 王守伟， 等． 三级串联人工快渗系统处理养殖 废水［J］． 环境工程学报， 2009， 3 3 475 － 478. ［7］康爱彬， 祝明， 王守伟， 等． 人工快渗系统处理模拟养殖废水的 研究［J］． 中国给水排水 ， 2009， 25 19 65 － 67． ［8］姜昕， 马鸣超， 李俊， 等． 污水人工快速渗滤系统中厌氧氨氧化 菌的分子生态学分析［J］． 生态学杂志， 2008， 27 4 573 － 577. 作者通信处康爱彬050026河北省石家庄市裕华区方兴路 88 号 河北化工医药职业技术学院化学与环境工程 电话 0311 85110200 E- mailkabcugb 163． com 2011 － 02 － 14 收稿 79 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期