接觸氧化－地下滲濾工藝在校園污水處理中的應(yīng)用

李英華，李海波，孫鐵珩，王 鑫，鄒 軼，王 洪

（沈陽大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110044

接觸氧化－地下滲濾工藝在校園污水處理中的應(yīng)用

李英華，李海波，孫鐵珩，王 鑫，鄒 軼，王 洪

（沈陽大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110044

結(jié)合沈陽大學(xué)新校區(qū)生活污水處理廠建設(shè)實例，介紹了生物接觸氧化－地下滲濾聯(lián)合工藝深度處理校園生活污水的工藝原理、工藝流程及處理效果，并對地下滲濾系統(tǒng)的運行方式和基質(zhì)組配方法等方面進行了探討.實踐證明，該聯(lián)合工藝處理校園生活污水，具有運行穩(wěn)定，管理操作簡便，運行費用低等優(yōu)點，出水各項水質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于《城市污水再生利用—景觀環(huán)境用水水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)（GB／T 18921－2002）.

接觸氧化；土壤地下滲濾；校園生活污水；中水回用

沈陽大學(xué)聯(lián)合路校區(qū)的用水量目前約為300 m3／d，根據(jù)實際污水排放量及學(xué)校未來發(fā)展需要，采用生物接觸氧化－土壤地下滲濾系統(tǒng)作為校園污水深度處理的主體工藝.取污水量時變化系數(shù)1.2，按照24 h連續(xù)運行，設(shè)計處理水量為15 m3／d.通過對校園生活污水的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定設(shè)計進水水質(zhì)；根據(jù)《城市污水再生利用—景觀環(huán)境用水水質(zhì)》（GB／T 18921—2002）確定回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，見表1.COD、BOD5、NH4＋－N、TN、TP及SS的分析方法見文獻［1］.

表1 進出水水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Water quality indicators of influent and effluent mg／L

1 工藝原理

接觸氧化法是一種介于活性污泥法與生物濾池之間的生物膜法工藝，其特點是在池內(nèi)設(shè)置填料（分散式或懸掛式），池底曝氣對污水進行充氧，并使池體內(nèi)污水處于流動狀態(tài)，以保證污水與填料充分接觸.生物接觸氧化法能去除生活污水中的污染物，首先填料和生物膜對有機物具有吸附阻留作用，然后在微生物作用下對有機物進行好氧分解.生物接觸氧化法具有剩余污泥量少、耐沖擊負荷強、運行管理簡便等優(yōu)點.研究表明［2］：生物接觸氧化法處理生活污水，在處理效果、動力消耗、經(jīng)濟效益和維護管理方面都明顯優(yōu)于活性污泥法，在處理有機廢水和小區(qū)生活污水方面都取得了令人滿意的效果.

污水地下滲濾工藝（Subsurface wastewater infiltration system，SWIS）是基于生態(tài)學(xué)原理，集成厭氧、好氧處理工藝而形成的一種生態(tài)法處理技術(shù).其基本原理是：生活污水經(jīng)生物接觸氧化、沉淀等預(yù)處理后，有控制地布入散水管中，散水管中流出的污水均勻地向好氧濾層滲濾，之后在土壤毛細力和重力的作用下擴散運動［3－4］.通過土壤系統(tǒng)的物理、化學(xué)、生物等作用，污染物得以降解、凈化，清水通過集水管收集利用.污水地下滲濾工藝基建投資低、運行費用少、管理簡單，出水水質(zhì)優(yōu)良，作為深度處理工藝可使出水水質(zhì)達到回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，同時能在其上鋪設(shè)草坪，增加綠地面積，改善校園生態(tài)環(huán)境，適宜校園生活污水的深度處理.

2 工藝流程

基于沈陽大學(xué)校園生活污水的水質(zhì)水量特點，設(shè)計采用生物接觸氧化－地下滲濾系統(tǒng)作為校園污水深度處理的主體工藝，工藝流程見圖1.

圖1 污水處理工藝流程Fig.1 Diagram of wastewater treatment process

（1）調(diào)節(jié)池（長×寬×高＝6.3 m×5.0 m×5.6 m）：有效容積120 m3，水力停留時間（HRT）8.0 h，設(shè)機械攪拌器.主要功能是調(diào)節(jié)進水水質(zhì)和水量，為后續(xù)工藝的穩(wěn)定運行奠定基礎(chǔ)，出水經(jīng)提升泵提升至接觸氧化池.

（2）接觸氧化池（長×寬×高＝7.0 m×3.0 m×4.8 m）：有效容積48 m3，HRT 6.7 h，容積負荷1.0 kg／（m3·d），沉水曝氣方式，氣水比15∶1.平均分為2格，Ⅰ池設(shè)分散球形填料，出水經(jīng)底部過水孔進入Ⅱ池，Ⅱ池設(shè)彈性立體填料，出水由上部過水孔進入斜管沉淀池.主要功能是有效削減進水中污染物濃度，為地下滲濾系統(tǒng)進水水質(zhì)提供保障.

（3）沉淀池（長×寬×高＝4.0 m×3.0 m×4.8 m）：斜管沉淀方式，有效進行固液分離，減少出水中的懸浮物濃度.

（4）配水井（長×寬×高＝2.1 m×1.0 m×1.9 m）：沉淀池出水在重力作用下進入配水井，經(jīng)三角堰分流后進入地下滲濾系統(tǒng)的分配槽，確保地下滲濾各單元進水水質(zhì)及水量均勻.

（5）地下滲濾系統(tǒng)（長×寬×高＝100.0 m×30.0 m×2.0 m）：有效面積2 400 m2，均勻分為8個子單元.系統(tǒng)底部鋪設(shè)HDPE防滲膜，散水管距地面1.0 m，進水水力負荷0.04～0.10 m3／（m2·d）.在一級分配槽中，設(shè)計每個子單元獨立的控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)運行方式的靈活調(diào)控.滲濾單元出水經(jīng)底部集水管收集，匯入集水池中，經(jīng)潛水泵提升至景觀湖或綠化.

3 結(jié)果與討論

3.1 水力負荷對微生物分布的影響

系統(tǒng)運行期間，分別在距離系統(tǒng)表面0.1，0.3，0.5，0.7和0.9 m 深度取樣，監(jiān)測土壤樣品中硝化和反硝化細菌的數(shù)量.同時，調(diào)節(jié)進水的水力負荷從低到高依次為 0.04，0.065，0.081 和0.10 m3／（m2·d），每個水力負荷的運行周期為2個月，考察水力負荷對SWIS中硝化和反硝化細菌分別的影響.結(jié)果見圖2和圖3.

圖2 水力負荷對硝化細菌分布的影響Fig.2 Effect of hydraulic loading rate on the distribution of nitrifying bacteria

圖3 水力負荷對反硝化細菌分布的影響Fig.3 Effect of hydraulic loading rate on the distribution of denitrifying bacteria

實驗結(jié)果表明：硝化細菌數(shù)量隨基質(zhì)層深度的增加而減少，基質(zhì)深度每增加20 cm，硝化細菌數(shù)量下降1個數(shù)量級；反硝化細菌數(shù)量隨基質(zhì)層深度的增加而增加，50 cm基質(zhì)深度層中反硝化細菌的數(shù)量比50和60 cm時增加了3個數(shù)量級，90 cm層比50 cm層增加了1個數(shù)量級.硝化及反硝化細菌的空間分布受進水表面水力負荷的影響.進水的BOD負荷12.0 g／（m2·d）時，水力負荷每增加0.02 m3／（m2·d），30、50和70 cm基質(zhì)深度硝化細菌的數(shù)量幾乎下降了1個數(shù)量級，而反硝化細菌的數(shù)量增加1個數(shù)量級.由于SWIS對污染物的去除作用以微生物過程為主，建議表面水力負荷適宜范圍是0.065～0.081 m3／（m2·d）.

3.2 污水處理效果

工程自2010年4月正式運行（見圖4），經(jīng)調(diào)試，控制 SWIS進水水力負荷0.081 m3／（m2·d），BOD負荷12.0～16.8 g／（m2·d），SWIS啟動運行30 d后出水水質(zhì)穩(wěn)定.2010年5月至2011年10月，各項水質(zhì)指標(biāo)情況見表2.結(jié)果表明：采用生物接觸氧化－地下滲濾工藝深度處理校園生活污水，出水水質(zhì)優(yōu)良，各項水質(zhì)指標(biāo)優(yōu)于《城市污水再生利用—景觀環(huán)境用水水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)（GB／T 18921—2002）.其中，生物接觸氧化工藝對COD、BOD5及SS等均有較好的降解和脫除作用，但脫氮效率不高，NH＋4－N及TN的去除率分別為（52.8±3.2）%和（38.1±4.4）%.地下滲濾單元對生活污水中的氮磷脫除作用明顯，NH＋4－N、TN及TP脫除的貢獻率分別為（83.9±1.2）%，（78.1±2.0）%和（81.8±0.2）%.

圖4 生物接觸氧化與地下滲濾單元照片F(xiàn)ig.4 Photos for the biological contact oxygen and SWIS units

表2 各單元污水處理效果Table 2 Wastewater treatment effect of different units

3.3 討論

（1）SWIS的基質(zhì)組配方法

土壤作為SWIS的重要組成部分，對污染物起物理截留、化學(xué)沉淀、吸附、氧化還原、絡(luò)合及離子交換等作用，同時為微生物提供了必要的環(huán)境條件.常用的SWIS基質(zhì)主要有純土壤或砂.由于純土壤水力滲透系數(shù)較小，能承受的水力負荷較低，脫氮效果差.張建等［5］在紅壤中摻加體積分數(shù)10%的草炭后，SWIS的氧化環(huán)境得到很大改善，對氨氮和總氮的平均去除率也由原來的83%和69%分別提高到95%和80%.李彬等［6］利用人工配土的方法改良SWIS基質(zhì)，土壤改良后的孔隙率＞50%，飽和導(dǎo)水率＞10－3cm／s，脫氮率較高，運行較穩(wěn)定.為增加微生物數(shù)量、提高系統(tǒng)有機質(zhì)含量、加速系統(tǒng)成熟，工程設(shè)計利用脫氮菌群豐富、有機質(zhì)含量高的干化活性污泥部分替代草甸棕壤制成 SWIS生物基質(zhì)［7－9］.

與草甸棕壤相比，生物基質(zhì)的孔隙度提高了8.2%，滲透性由8.9×10－5cm／s提高到1.1×10－3cm／s，有機質(zhì)含量提高了51.3%，氨化、硝化及反硝化菌群數(shù)量豐富，分別為（1.7±1.20）×1011cfu／g，（1.4±0.05）×108MPN／g和（1.4±0.72）×1011MPN／g.同時，生物基質(zhì)具有較強的氨氮吸附能力，理論最大氨氮吸附量為0.724 mg／g；與草甸棕壤比較，硝化能力由1.0 mg／（kg·h）提高到4.2 mg／（kg·h），反硝化能力從0.9 mg／（kg·h）提高到了2.9 mg／（kg·h）（見圖5）.

（2）SWIS的運行方式

生活污水中的氮主要以有機氮和氨態(tài)氮的形式存在.SWIS中脫氮的主要過程是：首先，有機氮化合物在土壤氨化細菌的作用下被氧化成氨態(tài)氮，繼而氨態(tài)氮在嚴(yán)格好氧的硝化細菌作用下轉(zhuǎn)化成亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮.最終，亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮在反硝化細菌的作用下被還原為氮氣等氮氧化物氣體，溢出滲濾系統(tǒng).由于硝化細菌的世代時間較反硝化細菌長，對生長代謝的條件要求嚴(yán)格，因此，硝化作用是地下滲濾系統(tǒng)生物脫氮過程的限速步驟［10］.選擇適當(dāng)?shù)牟妓苫瘯r間比（濕干比），一方面也可使床體氧氣含量增加，促進硝化作用的進行，使氨態(tài)氮得到較好的去除［11－12］；另一方面，生物膜和生物氣體可在干化時間內(nèi)脫落和溢出，恢復(fù)床層基質(zhì)的滲濾性能.因此，為強化SWIS的脫氮作用，在示范工程的運行中，采用了子單元輪歇運行的操作方式.

圖5 基質(zhì)硝化與反硝化能力Fig.5 Nitrifying and denitrifying potential of substrates

經(jīng)過室內(nèi)模擬實驗比對，現(xiàn)場實驗驗證，示范工程最終確定SWIS穩(wěn)定運行期的濕干比為1 d∶1 d.資料顯示［13］：我國三峽地區(qū)SWIS的濕干比為5 d∶10 d；廣州地區(qū)5 d∶7 d；北京昌平地區(qū)冬季5 d∶4 d，暖季5 d∶10 d；山東萊陽地區(qū)5 d∶7 d.美國EPA提供的資料指出［14］，為使SWIS的入滲速率達到最大，夏季的配水時間和干化時間應(yīng)分別為12 d和5 d，冬季的則宜取12d和7 d.示范工程的濕干比設(shè)置與以往的研究結(jié)果相比有較大差異，這是由于所采用基質(zhì)的滲透性較好，污水投配所需的時間較短.同時，合理的基質(zhì)床組配方式有助于系統(tǒng)中微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)更為優(yōu)化［15］.

3.4 處理成本及效益分析

經(jīng)核算，工程噸水處理成本約為0.40元（全流程無藥劑添加，成本僅包括人工費、電費和設(shè)備折舊費），大大低于大型污水處理廠的運行費用.

本工程中水回收率可達到70%～80%，考慮到定期檢修的情況，中水產(chǎn)量按200 m3／d計，則每年運行7個月，年產(chǎn)優(yōu)質(zhì)中水水量為4.2×104m3.沈陽大學(xué)新校區(qū)現(xiàn)有綠地面積4.0×104m2，綠地澆灌水力負荷按1.0 m／a計，則需水4.0×104m3，因此，本工程可提供新校園全年的綠化用水，經(jīng)濟效益顯著.同時，地下滲濾系統(tǒng)整體位于地下，地表種植多年生灌木和牧草，具有良好的生態(tài)服務(wù)功能和環(huán)境效益.

4 結(jié) 論

（1）采用生物接觸氧化－地下滲濾工藝聯(lián)合深度處理校園生活污水，既可有效去除有機污染物，又可脫氮除磷，出水水質(zhì)好且穩(wěn)定，滿足《城市污水再生利用—景觀環(huán)境用水水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)（GB／T 18921—2002），出水可回用于校園景觀或綠化.

（2）整體工藝運行穩(wěn)定可靠，操作管理簡單，運行費用低.

（3）地下滲濾工藝整體位于地下，地表鋪設(shè)草坪，增加了校園的綠地面積，改善了校園環(huán)境.

［1］ 國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.北京：環(huán)境科學(xué)出版社，2002：107－696.

［2］ 趙賢慧.生物接觸氧化法及其研究進展［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36（9）：26－30.

［3］ 高拯民，李憲法.城市污水土地處理利用設(shè)計手冊［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1991：20－31.

［4］ Tun?siper B，Ayaz S，Ak?a L .Performance of a pilotscale，three－stage constructed wetland system for domestic wastewater treatment ［J］.Environmental Technology，2009，30：1187－1194.

［5］ 張建，黃霞，施漢昌，等.摻加草炭的地下滲濾系統(tǒng)處理生活污水［J］.中國給水排水，2004，20（6）：41－44.

［6］ 李彬，呂錫武，錢文敏，等.分流型地滲系統(tǒng)的污水強化脫氮研究［J］.水處理技術(shù)，2007，33（8）：35－37.

［7］ 鄒軼，王書文，李英華，等.一種高效污水處理促進劑及其制備方法：中國：ZL200610045737.0.［P］2008－07－15.

［8］ 孫鐵珩，李憲法.城市污水自然生態(tài)處理與資源化利用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006，14－108.

［9］ Li Y H，Li H B，Sun T H，et al.Enhancement of nitrogen removal in a constructed subsurface wastewater infiltration system under intermittent operation mode［J］.Journal of Hazardous Material，2010，189：336－341.

［10］ Head M A，Oleszkiewicz J A.Bioaugmentation for nitrification at cold temperatures［J］.Water Research，2004，38：523－530.

［11］ Arienzo M，Christen E W，Quayle W，et al.A review of the fate of potassium in the soil－plant system after land application of wastewaters ［J］.Journal of Hazardous Materials，2009，164：415－422.

［12］ Stephanie L，Jay F.Use of an ecological treatment system（ETS）for removal of nutrients from dairy wastewater［J］.Ecological Engineering，2006，28：235－240.

［13］ 金丹越，張登峰，盧少勇，等.污水土壤滲濾技術(shù)研究進展［J］.農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境科學(xué)，2007，23（4）：350－354.

［14］ U. S. Environmental Protection Agency. Onsite wastewater treatment systems manual［M］.Cincinnati：Office of Research and Development，2002：35－112.

［15］ 李英華，孫鐵珩，李海波，等.地下滲濾系統(tǒng)不同基質(zhì)層對污染物的去除效果［J］.東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，31（5）：737－740.

Combined Process of Biological Contact Oxidation and Subsurface Wastewater Infiltration System for Campus Sewage Treatment

LIYinghua，LIHaibo，SUNTieheng，WANGXin，ZOUYi，WANGHong
（Key Laboratory of Regional Environment and Eco－Remediation（Ministry of Education），Shenyang University，Shenyang 110044，China）

Combining with the new campus wastewater treatment project in Shenyang University，the combined process of biological contact oxidation technology and subsurface wastewater infiltration system was introduced，especially the treatment principles，procedures and pollutants removal effects.The operation mode and substrate composition method of SWIS were discussed.The results showed that the combined process could treat the campus sewage consistently with high pollutants removal rates，and low management and operating cost.The effluent quality can meet the requirements of Reuse of Urban Recycling Water－Water Quality Standard for Scenic Environment Use（GB／T 18921－2002）

biological contact oxidation；subsurface wastewater infiltration system；campus sewage；reuse of reclaimed water

X 703.1

A

1008－9225（2012）02－0026－05

2011－11－30

國家自然科學(xué)基金項目（51108275）；遼寧省自然科學(xué)基金項目（20082195）；遼寧省高校優(yōu)秀人才支持計劃資助項目（LR201028）.

李英華（1979－），女，遼寧燈塔人，沈陽大學(xué)講師，博士；孫鐵珩（1938－），男，遼寧海城人，沈陽大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，中國工程院院士.

王 穎】