針對人工快滲系統(tǒng)處理生活污水正交試驗(yàn)研究

趙 鵬

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院重慶 400016)

針對人工快滲系統(tǒng)處理生活污水正交試驗(yàn)研究

趙 鵬

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院重慶 400016)

人工快滲系統(tǒng)自研發(fā)出以來，在生活污水的處理中發(fā)揮了重大的作用。本文對人工快滲系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中的正交試驗(yàn)進(jìn)行分析，探究人工快滲系統(tǒng)相關(guān)的因素在污水處理過程中對于氮氨、化學(xué)需氧量和總氮含量TN的清除成效的影響，對人工快滲系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的適宜參數(shù)進(jìn)行范圍確定。

人工快滲系統(tǒng)；生活污水；正交試驗(yàn)；極差分析

人工快滲系統(tǒng)是一種新型的污水處理技術(shù)，是以之前的土地快速滲濾系統(tǒng)為基礎(chǔ)研發(fā)而成，用具有良好滲透性的煤矸石、陶粒及天然河砂作為滲透過濾的介質(zhì)，取代了天然土層的作用，將系統(tǒng)中的水力負(fù)荷在很大程度上加以提高。本文通過利用人工快滲系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室的條件下展開正交試驗(yàn)，探究水力負(fù)荷、濕干比值、系統(tǒng)中的淹水時(shí)間和填料層中沸石層的厚度等重要因素對污水處理效果造成的影響，對人工快滲系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的參數(shù)進(jìn)行確定。

1 試驗(yàn)材料及裝置

1.1 生活污水的來源

在利用人工快滲系統(tǒng)進(jìn)行生活污水處理的正交試驗(yàn)中，用的生活污水來源于某市小區(qū)內(nèi)的污水管道，污水中包含餐飲及洗滌廢水，無工業(yè)廢水。采集污水的時(shí)間是中午及傍晚時(shí)分污水量較大的時(shí)候。

1.2 試驗(yàn)材料

此次正交試驗(yàn)中，主要是分段進(jìn)行填料的裝填的，所用的填料包括沸石、河砂、石灰石，除此之外還有鵝卵石。其中，鵝卵石的粒徑在10mm至30mm范圍之內(nèi)，主要作用是便于試驗(yàn)中的出水。

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)過程中設(shè)置的裝置主要包括高位水箱、PVC柱管、階梯狀鐵架臺、流量計(jì)和水泵等。其中，鐵架臺包含五個(gè)平臺，總高度是2.5m。PVC柱的外徑是0.16m，主要作用是將填料完全裝載，在本次正交試驗(yàn)中，需要將填料的厚度進(jìn)行改變，所以制備了多節(jié)高度不同的PVC柱，其柱高設(shè)置的范圍是0.3m到0.7m，每個(gè)柱高間隔0.1m，總共設(shè)置5個(gè)不同柱高。用PVC柱管封口板將柱體的底部進(jìn)行封口處理，并在封口板的下部開個(gè)小口作為出水口。水箱放置在鐵架臺的最上面一層，經(jīng)由水泵將預(yù)處理污水送到水箱中，污水再從流量計(jì)流至水龍頭，最后經(jīng)過膠管在填料的表面灑布均勻。填料是進(jìn)行分段裝載的，由河砂、沸石、石灰石分成不同的填料層并進(jìn)行上下串聯(lián)構(gòu)造而成。污水從各層填料間流經(jīng)時(shí)只是依靠自身的重量，從上至下的流動(dòng)。鵝卵石鋪在最底層，作為系統(tǒng)出水層。具體的試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.4 選取試驗(yàn)因素并確定水平

選取試驗(yàn)中的因素作為可變因素。相關(guān)研究和試驗(yàn)已經(jīng)證明，在系統(tǒng)中石灰石本身的物理化學(xué)性質(zhì)是去除磷的主要依據(jù)，所以此次試驗(yàn)不將填料中石灰石層厚度作為對象展開研究，同時(shí)也不對去除磷的效果造成影響的因素展開討論。在本次試驗(yàn)中，可變因素主要包括系統(tǒng)的淹水時(shí)間A、填料層中沸石層的厚度B、水力負(fù)荷C及濕干比值D做正交表，在三水平四因素的基礎(chǔ)上建立正交試驗(yàn)L。在試驗(yàn)中，需要對化學(xué)需氧量、TN的含量和氮氨含量進(jìn)行檢測。

1.5 分析及檢測方法

分別利用標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀方法對水樣的化學(xué)需氧量COD進(jìn)行檢測，利用納氏試劑進(jìn)行分光光度檢測氮氨的含量，利用過硫酸鉀氧化紫外分光光度方法對TN的含量進(jìn)行測量。

圖1：正交試驗(yàn)試驗(yàn)裝置示意圖

2 正交試驗(yàn)結(jié)果與探討

2.1 正交試驗(yàn)的結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)中的參數(shù)值利用試驗(yàn)裝置對生活污水處理的情況展開試驗(yàn)，并且每個(gè)試驗(yàn)組要不間斷的運(yùn)行十至十五個(gè)周期，測得的結(jié)果如表2所示。

2.2 對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析

對于試驗(yàn)的結(jié)果可以采用極差分析的方法進(jìn)行分析，判定試驗(yàn)因素對結(jié)果的影響。對各因素的極差進(jìn)行計(jì)算，并將極差的大小作為因素對結(jié)果的影響程度，將每一個(gè)因素在相同水平上的試驗(yàn)結(jié)果求和，用Ta表示，并對其求均值用mb表示，均值的最大值就是因素最適宜的水平。通過這樣的分析，可以對此人工快滲系統(tǒng)在對生活污水進(jìn)行處理時(shí)的工藝參數(shù)進(jìn)行推斷。相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。通過表3可以看出，在系統(tǒng)的淹水時(shí)間、填料層中沸石層的厚度、水力負(fù)荷及濕干比值這個(gè)四個(gè)因素中，對污水中相關(guān)物質(zhì)去除率產(chǎn)生的影響按主次排序?yàn)椋?/p>

表2：L正交試驗(yàn)的相關(guān)結(jié)果

表3：對L正交試驗(yàn)進(jìn)行極差分析的結(jié)果

（1）在人工快滲系統(tǒng)對生活污水進(jìn)行處理時(shí)，對COD的去除效果產(chǎn)生影響的因素為：因素影響主次順序?yàn)闈窀杀戎?、填料層中沸石層的厚度、淹水時(shí)間和水力負(fù)荷。之所以會(huì)產(chǎn)生這樣的結(jié)果，可能是由于落干的時(shí)間越長，填料就可以得到越好的干燥和晾干效果，進(jìn)入填料中的空氣更多，使填料中留存的懸浮污染物干化的程度越充足，從而加強(qiáng)了填料吸附及截?fù)跷廴疚锏哪芰Γ怪ㄍ感曰謴?fù)較好，為下一階段人工快滲系統(tǒng)的進(jìn)水制造了優(yōu)良條件。故而，濕干比值較小更利于去除COD。

（2）在去除氮氨時(shí)，根據(jù)氮氨的去除率可知四個(gè)因素的影響大小，依序?yàn)椋合到y(tǒng)的淹水時(shí)間、濕干比值、填料層中沸石層的厚度和水力負(fù)荷。之所以有這樣的影響順序，可能是由于空氣可以很輕易的穿過填料并進(jìn)入填料層中。一旦污水進(jìn)入系統(tǒng)中，在硝化細(xì)菌的作用中，氮氨可以更輕易的進(jìn)行硝化反應(yīng)，將之轉(zhuǎn)化成NO3-N。生活污水進(jìn)行硝化反應(yīng)以后，向深一層的填料流入，而在深一層的填料中，由于空氣的稀少難以提供足夠的氧氣，產(chǎn)生了厭氧的環(huán)境，這時(shí)反硝化細(xì)菌進(jìn)行作用，在生活污水中發(fā)生反硝化的相關(guān)反應(yīng)，促使NO3-N轉(zhuǎn)化成氮?dú)?，從污水中溢出而使污水中原本的氮氨被清理出去。在人工快滲系統(tǒng)中，系統(tǒng)的濕干比值和淹水的時(shí)間是決定系統(tǒng)中填料層空氣含量的決定因素，對填料層中厭氧環(huán)境和有氧環(huán)境的制造有極其重要的作用，所以濕干比值與系統(tǒng)的淹水時(shí)間對人工快滲系統(tǒng)去除氮氨能力來說是至關(guān)重要的影響因素。

（3）在去除TN時(shí)，探討的四種因素對去除率的影響作用按主次排序?yàn)樘盍蠈又蟹惺瘜拥暮穸?、濕干比值、系統(tǒng)中的淹水時(shí)間和水力負(fù)荷。產(chǎn)生這樣的影響順序的原因是由于人工快滲系統(tǒng)的填料層中，反硝化的相關(guān)反應(yīng)進(jìn)行的不徹底，使NO3-N不能完全轉(zhuǎn)換成N2，雖然氮氨的總量有所減少，但是TN的減少值卻非常有限，這正是該人工快滲系統(tǒng)無法有效的去除TN的重要原因。同時(shí)，由于該系統(tǒng)中的組合填料系統(tǒng)在生物脫氮中無法取得明顯的成效，而更加凸顯了填料層中的沸石層吸附TN的重大作用。所以，填料層中沸石層的厚度是影響這一組合填料人工快滲系統(tǒng)中TN去除能力的決定性因素。

2.3 最適宜水平的確定

通過以上的分析和探討，可以確定最適宜的水平組合如表4所示。

表4：最適宜的水平組合

3 試驗(yàn)結(jié)論

通過利用該人工快滲系統(tǒng)對生活污水處理過程的正交試驗(yàn)及探討，對影響生活污水中COD、氮氨和TN進(jìn)行去除時(shí)的重要因素及產(chǎn)生影響的原因，并確定了這種由河砂、沸石、石灰石分成不同的填料層并進(jìn)行上下串聯(lián)構(gòu)造而成的填料人工快滲系統(tǒng)在去除化學(xué)需氧量、氮氨和TN時(shí)最適宜的運(yùn)行水平，同時(shí)，還獲得了相關(guān)結(jié)論：

（1）在系統(tǒng)對化學(xué)需氧量進(jìn)行去除處理時(shí)，最重要的影響因素是系統(tǒng)填料的濕干比值。其中，當(dāng)濕干比值較小時(shí)，落干的時(shí)間就相對較長，可以更好的提高對于系統(tǒng)中化學(xué)需氧量去除的能力。

（2）影響系統(tǒng)中去除氮氨的最重要因素是系統(tǒng)的淹水時(shí)間，濕干比值的影響排在第二位。這主要是因?yàn)樵谌コ睍r(shí)，主要是通過硝化細(xì)菌的硝化作用和反硝化作用進(jìn)行的，而系統(tǒng)的淹水時(shí)間及濕干比值是系統(tǒng)中厭氧環(huán)境和有氧環(huán)境的重要決定因素，從而決定著系統(tǒng)進(jìn)行硝化反應(yīng)和進(jìn)行反硝化的反應(yīng)時(shí)間。

（3）在系統(tǒng)去除TN過程中，最重要的影響因素是填料層中沸石層的厚度，這是由于反硝化過程的不徹底，導(dǎo)致無法將氮氨完全轉(zhuǎn)換成氮?dú)馀懦?，從而使去除TN的效率不能再加以提高，所以填料層中沸石層的吸附能力在TN的去除中得以凸顯。

（4）在這次的正交試驗(yàn)過程中，對于系統(tǒng)處理生活污水的能力而言，水力負(fù)荷的影響相對來說不是特別的重要，這可能是因?yàn)樵?.5-2.5 m3/m2·d范圍內(nèi)水力負(fù)荷本身的變化不能有效的沖擊系統(tǒng)去除能力，從側(cè)面也反應(yīng)了這一組合填料系統(tǒng)的抗負(fù)荷耐沖擊能力比較強(qiáng)。

[1]嚴(yán)博，劉康懷，覃許江，王櫟雯，龍飛，陳小杏.人工快滲系統(tǒng)處理生活污水正交試驗(yàn)研究[A].水處理技術(shù).2012,38（12）：42-44

[2]郭勁松，王春燕.人工快滲系統(tǒng)在三峽庫區(qū)處理生活污水的適應(yīng)性研究[J].環(huán)境科學(xué).2006,27（11）：2327-2332

[3]劉傳，田媛.人工快滲系統(tǒng)處理生活污水的試驗(yàn)研究[A].環(huán)境科學(xué)與技術(shù).2009,32（1）：134-137

[4]劉欣慶，田媛，劉效蘭.人工快滲系統(tǒng)處理生活污水的模擬試驗(yàn)研究[A].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2009,27（1）：1-5

[5]盛國榮.人工快滲工藝設(shè)計(jì)的若干問題探討[J].中國給水排水.2012,28（2）：10-13

[6]陳永杏，董紅敏等.人工快速滲濾法處理小城鎮(zhèn)污水的模擬試驗(yàn)研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào).2011,20（2）：327-331

[7]吳濟(jì)華，文筑秀.關(guān)于人工快速滲濾污水處理技術(shù)適用性的評述[J].西南給排水.2012,34（5）：1-4

[8]薛強(qiáng)，張國臣.人工快滲的強(qiáng)化預(yù)處理研究[J].環(huán)境工程.2008，19（S1）：33-35

[9]朱文濤，司馬小峰.新型人工快速滲濾系統(tǒng)處理村鎮(zhèn)污水工藝參數(shù)優(yōu)化[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào).2012,13（5）：57-61

[10]張子元，黃權(quán)中，鄭艷俠.人工快速滲濾系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J].南水北調(diào)與水利科技.2011,9（4）：81-86