多级土壤渗滤系统处理低有机污染水的方法.docx

多级土壤渗滤系统处理低有机污染水的方法1引言近年来，随着社会经济的发展，我国的水环境富营养化问题日益突出，不仅破坏了生态 平衡，而且严重威胁着人类的健康和生活生产.大量含氮、磷元素的污水进入水体，是导致 大范围水体富营养化的问题所在.在流入河流湖泊的污水分类组成中，低污染负荷的污水占 很大比例，如农村雨污合流排水、农田排水以及城镇污水处理厂尾水等它们大多具有污染 物含量低、可生化性强、水质水量变化大、排放分散等特征•针对这种低污染水质特征，目 前比较常用的净化工艺是生态型污水土地处理系统，主要包括人工湿地、氧化塘等类型由 于土地处理系统运行成本低，在去除氮磷方面效果显著，得到越来越广泛的应用但是，传 统的土地处理系统也存在负荷过低、易堵塞等问题，在处理低污染水时净化效率低因此， 针对低污染水处理的新技术不断涌现，多级土壤渗滤系统也成为研究热点之一，其在低污染 水的强化脱氮除磷方面有着更突出的优势.多级土壤渗滤系统(Multi-soilTayering system, MSL)是由日本学者Wakatsuki等在 20世纪90年代研究开发出的一种新型、高效的人工强化土壤渗滤系统，它克服了传统土地 处理系统占地面积大、处理效率低、容易堵塞以及脱氮效果差等问题其核心理念是将土壤 模块化，系统内渗滤层(PL)与土壤模块层(ML )交替排列，形成多个微“好氧-厌氧”环境来 去除污染物•该技术已在日本、泰国、印度尼西亚和中国推广应用，对生活污水、受污染河 水等的处理具有较好的效果•尽管MSL系统相对其他土地处理系统具有明显的优势，但是如 何在系统内部维持良好的“好氧-厌氧”环境是影响系统脱氮效果的关键;而且针对低有机污 染水的脱氮问题，这一技术应用于工程实际会因碳源不足引起反硝化受阻，进而限制了系统 对氮素的去除效果•传统的固相碳源天然材料如锯末屑、植物秸秆类等存在反硝化速率偏低、 持续供碳能力较弱、出水产生色度问题等，而单一高分子聚合物反硝化脱氮效率高但经济性 成本较高，需要进一步从固体碳源的释碳速率控制、经济性成本的降低方面研发新型碳源 在有关MSL系统脱氮微生物机理解析等方面也未见报道.因此，这些问题的存在迫切需要对 该技术以及相关脱氮微生物机理方面开展深入的研究本研究采用“微曝气段+非曝气段”的两段式MSL系统工艺，针对某生活小区中水处理 站的出水，城镇污水处理厂传统工艺一级A标准出水的低C/N比特征，在土壤模块中引入新 研发的基于PHBV (聚羟基丁酸戊酸酯)、纤维素等共混固相碳源(简述为GC-4)，以土壤模块 添加锯木屑碳源的MSL系统为对照，在实际现场环境条件下开展了不同温度、不同水力负荷 条件下对低污染水的强化脱氮除磷研究，并考察了工艺出水有机物的含量变化，为MSL工艺 在实际工程中的应用提供科学依据.2材料与方法2.1试验装置与工艺流程“曝气段+非曝气段”的两段式多级土壤渗滤系统试验装置与工艺流程，如图1所示. 本研究在某生活小区中水站内进行，生活污水经“A2/0工艺”处理后的低污染出水，由水 泵提升至高位水箱，经初步沉淀后再由计量泵配水进水依次流过模拟曝图1 MSL系统试验装置与工艺流程图气段和非曝气段，再通过上流式出水管流出系统其中，曝气段通过微型空气压缩机接 曝气软管和曝气头曝气，曝气头置于承托层上部•非曝气段采用上流式出水使其维持淹水水 位，同时加盖密封形成缺氧环境.试验装置曝气段尺寸：0.4 mX0.3 mX0.8 m （长X宽X高），非曝气段尺寸：0.4 mX 0.3 mX1.0 m （长X宽X高）.土壤模块（ML层）包含2种不同规格尺寸，分别为：长X宽X 高=0.3 mX0.2 mXO.1 m （长型）；长X宽X高=0.15 mX0.2 mX0.1 m （短型）.渗滤层（PL 层）与模块上下间隔40 mm.2.2试验材料本研究一共设置2组对照系统，MSL1是以传统锯木屑为反硝化碳源的参照组，MSL2是 于缺氧段土壤模块层中添加固相碳源GC-4作为反硝化碳源的试验组，探讨新型固相碳型对 工艺的净化效果的影响.2组系统具体填料组成如下：MSL1系统：微曝气段（PL层:重质陶 粒;ML层：陶砂、腐植质土、锯木屑、石灰石、钢渣、竹炭等）；非曝气段（PL层:重质陶粒;ML 层：陶砂、腐植质土、锯木屑、石灰石、钢渣、竹炭等）;MSL2系统：MSL1系统比较仅将非 曝气段锯末屑改为新型固相碳源GC-4.2.3试验水质及工况条件室外模拟试验系统自2014年8月启动，连续运行至2015年6月，期间受季节气温变化 影响，以水温15 °C作为分界点，将试验划分为3个阶段（试验期间总体水温处于偏低水温）. 温度段1平均水温为19.05 C（〉15C）,温度段2平均水温为11.41 C，温度段3平均水温 为19.03 C（＞15 C）.试验期间进水水质、模拟MSL系统工艺运行参数等列于表1•由此可 以探讨不同水温、水力负荷下2组MSL工艺的脱氮净化效果.表1实验运行期间主要水质变化范围及工况条件遍度段 1 15.S0-24.30/19.05 7.35-7.59/7.45 18.64-37.29/27.3& 6.98-9.91/8.05 10.45-25.75/19.1S 17.94-34.60/23.2：温度段2 7.30-15.40/1141 7.29-7.46/7.37 17.50-42.50/27.43 10.21-29.74/17.75 3.65-17.51/8.S2 22.36-35.60/23.0!温度段3 15.60-23.50/19.03 1.39-7.73/7.52 20.43-44.32/32.52 1.60-1S. 16/5.02 2.33-13.89/8.58 4.04-28.26/15.4E注：表格中永质指标数据为喙度范国的值【2.4水质监测指标及分析方法试验期间，取样监测频率为每周2次，监测指标包括NH4+-N、N03—N、TN、CODCr、pH、 进水水温•测定溶解性指标前先将水样经过0.45 Mm滤膜过滤•其中，NH4+-N测定采用纳氏 试剂法，NO3--N测定采用紫外分光光度法，TN测定采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法， CODCr测定采用重铬酸钾法，水温、pH值等直接用仪器测定.2.5微生物样品的采集与分析在2组MSL系统稳定运行期间，采集MSL系统“曝气段”渗滤层（PL层）、土壤模块层 （ML层）填料样品2份（编号为0-P、0-M），再分别采集2组MSL系统MSL1、MSL2“非曝气段” PL层、ML层填料样品共4份（编号为MSL1-P、MSL1-M;MSL2-P、MSL2-M） •针对样品提取DNA， 测定样品中微生物16S rRNA，并针对脱氮反应的几个关键基因如参与硝化过程的amoA基因 （氨单加氧酶基因）、参与反硝化过程中的亚硝酸盐还原酶关键功能nirS基因、nirK基因进 行荧光定量PCR测定.3试验结果与讨论3.1 2组MSL系统对中水站出水的强化脱氮效果传统的单段式MSL系统主要是依靠其独特的砖砌式内部空间形成的无数微好氧-厌氧环 境，从而实现吸附、矿化、硝化、反硝化过程等功能的同步进行本研究采用“曝气段-非曝 气段” MSL系统，在土壤模块引入不同固相碳源可以进一步强化脱氮表2为整个试验期间 脱氮效果的数据统计分析结果.表2不同温度、水力负荷条件下的MSL系统对NH4+-N、N03—N、TN的净化效果统计分 析进永MSU出水 胡SL2出水迸水出水M吕L2出貳进水温度段18.05±0.820.76+0.27 (91%) 0.92±0.38 {58%)19.1S+5.S47.39±1.98 (61%)4.52+1.09 (75%}2S.23+5.57 1(温度段217.75+5.953.65+2.G0 但 1%) 3.75±1.838.62±5.659.70+3.36 (-81%) 7.29±2.69(-36%}28.0fe4.36 V显度段35.02±4.120.32+0.39 (93%) 0.67±0.S93.58±3.635.62+2.95 (31%)3.27+2.22(61%)15.46i5.50 6NHZ-N/(mg-1/}NO3_-N/(mgL_1)试验阶段3.1.1对氨氮的净化效果的分析2组“微曝气-非曝气” MSL系统对NH4+-N的净化效果没有表现出明显的差异性且均表 现出稳定、高效的净化效果.NH4+-N主要是通过第1级微曝气MSL系统完成硝化反应过程. 温度段1MSL2和MSL1对NH4+-N的去除率分别为88%、91%,明显高于温度段2的去除率80%、 81%•结果表明，随着水温的降低，MSL系统对NH4+-N去除率会有所下降•这是低水温条件下 一定程度上会影响到MSL系统内硝化细菌的生物活性.但尽管随着水温的降低且进水NH4+-N 浓度升高，MSL系统对NH4+-N的净化效率依然维持在80%左右的水平，表明了 MSL系统具有 较好的抗冲击负荷能力.如图2a所示，比较温度段1和温度段3可以发现，在水温相似环境条件下(平均水温 大于15 °C)，运行了 2个不同的表面水力负荷参数，即在1.0 m3・m-2・dT水力负荷条件 对应进水氨氮平均浓度为8mg・L-1, MSL1、MSL2工艺出水分别为0.76、0.92mg ・L-1;在0.6 m3・m-2・d-1水力负荷条件对应进水氨氮平均浓度为5 mg・L-1, MSL1、MSL2工艺出水分 别为0.32、0.67mg ・L-1,且2组MSL工艺对氨氮的净化效率均达到90%左右.就MSL系统对 氨氮的净化效率来看，表面水力负荷还可以更高一些•统计表明，在所选择的2个水力负荷 工艺参数下2套MSL系统在温度段1和温度段3中NH4+-N的去除率在95%观测水平下均没 有显著性差异(p1=0.076>0.05, p2=0.878〉0.05).■温度段2温度段3日期(月-日)50403020100 9(Lhu-)a雄 N/FHN100%«盤41-■-进水-出水+MSL2出永MSLI去除率MSL2去粽聖温席轻2-50%-200%-250%-300%日期(月-日)-100% 暑-150% 擁―T詈氫懸NJ.图2 MSL系统不同运行阶段对NH4+-N (a), N03—N (b)和TN (c)的净化效果3.1.2对硝酸盐氮的净化效果的分析图2b揭示了 2套系统对NO3--N的净化效果.N03--N浓度会随着进水中NH4+-N在第1 级曝气段好氧硝化后进一步上升，再进入缺氧段进行反硝化反应以完成反硝化脱氮过程结合表2中硝酸盐氮数据统计分析结果并对照图2b可以看出，温度对MSL系统的反硝 化过程影响比较显著.2组MSL系统在温度段1和温度段2条件下对NO3--N的净化效率均存 在显著性差异(p1=p2=0.000 < 0.05).在温度段1，MSL1、MSL2 2套系统对N03—N的平均去 除率为61%、75%，添加新型固相碳源GC-4的MSL2系统的反硝化效果明显好于添加传统碳 源锯木屑的系统MSL1系统•随着水温的下降温度段2, 2套MSL系统对N03—N去除率均明显 降低，并出现了出水NO3--N浓度高于进水的累积现象.温度段2这一现象背后，实际上是进 水中TN组成中NH4+-N浓度比较高而NO3--N浓度较低,但随着NH4+-N的好氧硝化转换成为 了以NO3--N形式存在，虽然在第2级MSL系统依然表现出了比较好的反硝化脱氮效果，但 出现了 NO3--N浓度出水高于进水有累积的现象.随着水温上升进入到。