摘要:以滲透性能良好的天然砂作為主要滲濾介質(zhì)建立人工快速滲濾系統(tǒng)處理生活污水 ,在東莞華興電器廠進(jìn)行了為期 1a的中試工程試驗(yàn)研究。結(jié)果表明 ,在不 <1m d的水力負(fù)荷條件下 ,人工快速滲濾系統(tǒng)對(duì)生活污水具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力和較好的污染物去除效果 ,其對(duì)SS、CODCr 和BOD5的平均去除率分別為 94 14 %、91 99%和94 4 4 % ;處理出水中SS、CODCr、BOD5、NH3 N及LAS的平均濃度分別為 4 0 6、2 3 2 0、9 0、5 16和 0 2 6mg L。采取間歇性淹水 落干的運(yùn)行方式 ,并結(jié)合反沖洗 ,提高了CRI系統(tǒng)的水力負(fù)荷 ,改善了污染物去除效果 ,增強(qiáng)了其實(shí)用性。

關(guān)鍵詞:生活污水,天然砂,人工快滲,運(yùn)行方式,處理效果

引言

污水快速滲濾土地處理系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱RI系統(tǒng) )雖然具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作管理方便、投資和運(yùn)行管理費(fèi)用低以及凈化效果好等優(yōu)點(diǎn) ,但同時(shí)也具有水力負(fù)荷低、占地面積大等缺點(diǎn) ,從而使其在我國(guó)的應(yīng)用受到了限制。為克服RI系統(tǒng)水力負(fù)荷低的缺點(diǎn) ,提出了采用滲透性能較好的天然砂等代替天然土層營(yíng)建污水處理系統(tǒng)的方案 ,并將這種處理系統(tǒng)命名為人工快速滲濾系統(tǒng) (ConstructedRapidInfiltration ,簡(jiǎn)稱CRI)。通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) ,對(duì)如何提高CRI系統(tǒng)的水力負(fù)荷和污染物去除效果等關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)研究 ,并得出了兩條主要結(jié)論 :(1)通過縮短水力負(fù)荷周期 ,加大系統(tǒng)淹水 落干的頻率 ,可以明顯提高CRI對(duì)CODCr、BOD5、NH3 N和LAS等的去除效果[1] ;(2 )采用過濾 (人工石英砂 )和滲濾 (河流沖積砂 )建立復(fù)合系統(tǒng) ,可以大大提高CRI的水力負(fù)荷 ,并保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[2 ] 。

試驗(yàn)研究與實(shí)際工程不同 ,試驗(yàn)研究成果應(yīng)用于實(shí)際能否獲得預(yù)期結(jié)果 ,須通過工程運(yùn)行來檢驗(yàn)。將CRI應(yīng)用于華興電器廠生活污水處理工程中 ,處理水量為200～300 m3Pd ,廠區(qū)總排放口2001 年6 月16 日水質(zhì)分析結(jié)果見表1。

2 　工程設(shè)計(jì)
211 工藝流程
根據(jù)華興生活污水特征和處理出水水質(zhì)要求,結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究成果,本著投資省、能耗低、操作管理方便和合理布局的原則,設(shè)計(jì)工藝流程見圖1。

212 　工程設(shè)計(jì)依據(jù)及參數(shù)選擇
主要裝置及工藝參數(shù)如下:
(1) 預(yù)沉調(diào)節(jié)池　有效體積約200 m3 ,位于地平面以下。室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果表明,由預(yù)沉產(chǎn)生的對(duì)生活污水SS 去除效果主要體現(xiàn)在前12 h。該工程設(shè)計(jì)預(yù)沉調(diào)節(jié)池的有效體積為200 m3 ,主要考慮工廠的發(fā)展,即便工廠排污量增至400 m3Pd ,污水在預(yù)沉調(diào)節(jié)池中的停留時(shí)間仍可達(dá)12 h。
(2) 過濾池　面積約10 m2 ,高118 m ,位于地面上。下部015 m 為集水層,其中布置集水管(兼作反沖洗進(jìn)水管) ,濾層厚1 m。過濾池主要是根據(jù)室內(nèi)復(fù)合系統(tǒng)試驗(yàn)研究結(jié)果而設(shè)計(jì),其作用主要是降低水中的SS ,降低快滲池的污染物負(fù)荷,從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
(3) 配水池　有效容積約815 m3 。在此安裝1 套自控配水裝置。配水池的設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)快滲池間歇性布水。
(4) 快滲池　根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)水水量、進(jìn)水濃度和系統(tǒng)處理出水水質(zhì)要求,結(jié)合試驗(yàn)運(yùn)行情況,該工程設(shè)3 個(gè)快滲池,單個(gè)滲池面積為6617 m3 ,濾層厚118 m ,下部集水層厚015 m ,保護(hù)高013 m ,半地埋式。3 個(gè)快滲池單獨(dú)運(yùn)行。
(5) 清水池　有效容積約50 m3 ,埋于地下。清水池容積的設(shè)計(jì)主要依據(jù)工廠每天用于澆花、洗車和沖廁等所需的水量。
213 　滲濾介質(zhì)
該工程選用2 種滲濾介質(zhì),過濾池中的滲濾介質(zhì)為大理石砂,基本上為等粒,粒徑為019 mm;3 個(gè)快滲池中的滲濾介質(zhì)均為河流沖積砂,并均混入少量大理石砂。河流沖積砂的粒徑分別為: > 20、20～2、2～015、015～0125、0125～01075、< 01075 mm ,相對(duì)應(yīng)的含量分別為312 %、2711 %、5116 %、1013 %、618 %、110 %。其有效粒徑( d10 ) 和不均勻系數(shù)(Cu) 分別為0131 mm 和4158。
3 　工程運(yùn)行與水質(zhì)凈化效果
2001 年11 月26 日工程施工結(jié)束,27 日開始淹水試運(yùn)行,11 月27 日～12 月16 日系統(tǒng)邊運(yùn)行邊調(diào)試,12 月17 日開始,系統(tǒng)正式運(yùn)行,即過濾池和配水池的運(yùn)行均由自控裝置控制,單個(gè)快滲池的運(yùn)行方式為:間歇性淹水2 d ,落干4 d。3 個(gè)快滲池交替運(yùn)行。從2001 年11 月27 日～2002 年11 月27 日,工程運(yùn)行12 個(gè)月,過濾池根據(jù)運(yùn)行情況,進(jìn)行不定期反沖洗;3 個(gè)快滲池經(jīng)12 個(gè)月的運(yùn)行,經(jīng)測(cè)定其入滲速率基本沒有變化。
在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)水和出水水質(zhì)進(jìn)行了6 次系統(tǒng)監(jiān)測(cè), 結(jié)果見表2。

結(jié)果表明, 在不< 1 mPd的水力負(fù)荷條件下(此值約為RI 系統(tǒng)水力負(fù)荷上限值的215 倍) ,人工快速滲濾系統(tǒng)對(duì)生活污水具有較好的污染物去除效果,其對(duì)SS、CODCr 和BOD5的平均去除率分別為94114 %、91199 %和94144 %;處理出水SS、CODCr 、BOD5 、NH32N 及LAS 的平均濃度分別為4106、23120、910、5116 和0126 mgPL ,均達(dá)到了污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB897821996) 城鎮(zhèn)二級(jí)污水處理廠一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn),這5 項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)也達(dá)到了生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(CJ2511289) 和再生水回用于景觀水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(CJPT9522000) 。
4 　討論
在本工程運(yùn)行過程中,由于工廠總排污口的污水濃度和水量均很不穩(wěn)定,因此,無法評(píng)價(jià)預(yù)沉調(diào)節(jié)池對(duì)污染物的處理效果。但污水在預(yù)沉調(diào)節(jié)池中的停留時(shí)間一般不低于12 h ,其出水水質(zhì)相對(duì)較穩(wěn)定。為進(jìn)一步討論過濾池和快滲池的作用,對(duì)過濾池的出水水質(zhì)也進(jìn)行了系統(tǒng)監(jiān)測(cè),其結(jié)果見表3 (其中,SS 為6次分析結(jié)果的平均值;CODCr 和NH32N 為4 次分析結(jié)果的平均值) 。

在CRI 系統(tǒng)中,當(dāng)進(jìn)水中顆粒狀有機(jī)物濃度較高時(shí),在系統(tǒng)快滲池的表層滲濾介質(zhì)中,由于截留和吸附作用,很容易產(chǎn)生顆粒有機(jī)物的積累,從而引起滲池表層介質(zhì)堵塞,影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。在東莞華興電器廠污水處理工程中,過濾池就是針對(duì)這一問題而設(shè)計(jì)的。過濾池的作用主要有4 個(gè)方面:
(1) 有效降低進(jìn)水SS 濃度,防止快滲池堵塞,提高系統(tǒng)水力負(fù)荷。從表3 可知,調(diào)節(jié)池出水經(jīng)過濾處理之后,其SS 濃度降低了37169 %。被過濾池截留的SS ,通過反沖洗將其返回到調(diào)節(jié)池中,使其在調(diào)節(jié)池中完成水解過程。這一措施有效地減緩了SS 在快滲池中的積累,避免了由于顆粒狀有機(jī)物的過度積累而造成的快滲池堵塞,從而保證系統(tǒng)在較高的水力負(fù)荷(115 mPd) 條件下穩(wěn)定運(yùn)行。
(2) 降低快滲池的污染物負(fù)荷,改善系統(tǒng)出水水質(zhì)。從表3 可知,過濾池對(duì)CODCr 的去除率為42127 % , 其中絕大部分為顆粒CODCr 。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,由于污水在過濾池中的滲透速率大,停留時(shí)間短,因此,過濾池對(duì)污染物的去除機(jī)理主要是機(jī)械過濾。但是,隨系統(tǒng)的運(yùn)行,過濾池中介質(zhì)表面也會(huì)發(fā)育成熟生物膜,因此,過濾池中微生物對(duì)有機(jī)污染物的分解作用也不容忽視。很顯然,污水經(jīng)過濾池處理之后,其污染物濃度得到了明顯降低,從而保證快滲池的出水水質(zhì)。
(3) 增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)荷沖擊能力。圖2 是過濾池進(jìn)水和出水CODCr濃度隨時(shí)間曲線,從圖中可以看出,過濾池的進(jìn)水濃度波動(dòng)較大,而其出水濃度相對(duì)較穩(wěn)定,從而保證了快滲池具有穩(wěn)定的出水水質(zhì)。

(4) 提高系統(tǒng)的總污染物去除效率�？傊�,過濾池的引入,可以有效減緩SS 在快滲池中的積累、提高系統(tǒng)的水力負(fù)荷、增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)荷沖擊能力和改善系統(tǒng)出水水質(zhì)。
但是,從表3 也可以看出,過濾池并不能完全去除污水中的SS ,其對(duì)SS 的去除率只有37169 % ,污水中大部分SS 的去除仍是由快滲池來完成的。因此,系統(tǒng)經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行,快滲池中仍會(huì)產(chǎn)生SS 的積累。為解決這一問題,CRI 采取淹水和落干交替進(jìn)行的方式運(yùn)行。有機(jī)污染物在淹水期被積累,在落干期被氧化、分解,從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[3 ] 。不過,這種運(yùn)行方式與RI 系統(tǒng)的淹水2落干方式不同,RI 系統(tǒng)的淹水期一般為1～3 d。這種淹水期較長(zhǎng)的運(yùn)行方式有2 個(gè)缺點(diǎn):一是不利于系統(tǒng)復(fù)氧,不利于充分發(fā)揮系統(tǒng)的污染物去除潛力[1 ] ;二是當(dāng)系統(tǒng)的水力負(fù)荷較高且污染物濃度較高時(shí),滲濾介質(zhì)對(duì)污染物的吸附很容易達(dá)飽和,從而影響系統(tǒng)的出水水質(zhì)。東莞華興電器有限公司污水處理工程快滲池的運(yùn)行方式實(shí)質(zhì)上是間歇性淹水2落干,這種運(yùn)行方式具有如下特點(diǎn):
(1) CRI 系統(tǒng)的復(fù)氧狀況對(duì)系統(tǒng)的污染物去除效果至關(guān)重要,它直接影響到系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)污染物的好氧生物降解及硝化作用的進(jìn)行。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究均表明,通過縮短CRI 系統(tǒng)的水力負(fù)荷周期,加大系統(tǒng)淹水2落干頻率,可以提高系統(tǒng)的復(fù)氧效率,加大系統(tǒng)的復(fù)氧量,從而提高系統(tǒng)的污染物去除效率。
東莞華興電器廠污水處理工程的運(yùn)行方式為間歇性淹水2落干,在其間歇性淹水的2 d 時(shí)間內(nèi),由于配水池的有效容積為815 m3 ,按每天處理水量200 m3 ,系統(tǒng)24 h 連續(xù)運(yùn)行,則配水池每天投配污水約24 次。這種運(yùn)行方式明顯加強(qiáng)了由空氣的對(duì)流作用對(duì)系統(tǒng)的復(fù)氧,提高了CRI 系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果[4 ] 。
(2) 為提高水力負(fù)荷,CRI 系統(tǒng)一般采用粗砂作為滲濾介質(zhì),這種滲濾介質(zhì)盡管滲透性能好,但其陽離子交換容量小,其對(duì)污染物的吸附很容易達(dá)飽和,并產(chǎn)生污染物穿透現(xiàn)象[5 ] 。因此,如果系統(tǒng)的淹水期過長(zhǎng)或系統(tǒng)一次性投配的污水量過大,則很容易產(chǎn)生由于系統(tǒng)滲濾介質(zhì)對(duì)污染物的吸附達(dá)飽和,而產(chǎn)生污染物穿透現(xiàn)象。高頻率間歇性淹水的方式正好解決了這個(gè)問題。其原因主要有兩個(gè)方面: (a) 由于單位時(shí)間內(nèi)污水投配次數(shù)多,一次性投配的污水量少(即減少了每次投配的污染物負(fù)荷) ,使?jié)B濾介質(zhì)對(duì)污染物的吸附還未達(dá)飽和,便開始落干,從而避免了CRI系統(tǒng)由于其滲濾介質(zhì)的吸附容量小而導(dǎo)致污染物穿透現(xiàn)象的產(chǎn)生; (b) 由于系統(tǒng)落干頻率高,系統(tǒng)的復(fù)氧效果好,加強(qiáng)了系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)污染物的好氧生物降解及硝化作用的進(jìn)行,有利于系統(tǒng)吸附容量的恢復(fù),從而提高了系統(tǒng)的污染物去除效率。由此可見,高頻率間歇性淹水的方式克服了CRI系統(tǒng)由于其水力負(fù)荷和污染物負(fù)荷高而容易產(chǎn)生污染物穿透現(xiàn)象這一缺點(diǎn)。
(3) 有機(jī)污染物在淹水期積累、在落干期被氧化降解是CRI 系統(tǒng)的重要特征。由于顆粒狀有機(jī)物不能直接被微生物吸收利用,其氧化、分解需要一定的時(shí)間,因此,在淹水期積累的有機(jī)污染物主要是顆粒狀有機(jī)物,這些物質(zhì)主要聚集在滲池的淺表層介質(zhì)中。此外,采取高頻率間歇性淹水的方式,系統(tǒng)的復(fù)氧效果好,有利于滲濾介質(zhì)中好氧生物膜的生長(zhǎng)。因此,當(dāng)快滲池間歇性淹水一段時(shí)間后,由于顆粒狀有機(jī)物的積累和生物膜的快速生長(zhǎng),快滲池表層介質(zhì)的滲透速率會(huì)逐漸下降,甚至影響系統(tǒng)的水力負(fù)荷。針對(duì)這一問題,東莞華興廠污水處理工程單個(gè)滲池采取間歇性淹水2 d ,落干4 d 的方式運(yùn)行。這種運(yùn)行方式利用4 d 落干時(shí)間來分解積累的有機(jī)物質(zhì)以及更新生物膜,從而保證系統(tǒng)在較高水力負(fù)荷條件下穩(wěn)定運(yùn)行。
通過以上討論可知,東莞華興電器廠污水處理工程采用間歇性淹水2落干的運(yùn)行方式,并結(jié)合反沖洗,避免了CRI 系統(tǒng)由于其水力負(fù)荷和污染物負(fù)荷高而產(chǎn)生污染物穿透現(xiàn)象的發(fā)生,基本上解決了CRI 系統(tǒng)的堵塞問題,提高了CRI 系統(tǒng)的水力負(fù)荷,明顯增強(qiáng)了其實(shí)用性。
5 　工程投資與運(yùn)行費(fèi)用
人工快速滲濾系統(tǒng)工程基建費(fèi)用與很多因素有關(guān),如地形條件,地層結(jié)構(gòu),進(jìn)水水質(zhì)情況,出水水質(zhì)要求以及外觀要求等,因此,視具體情況的不同有很大差異,但與常規(guī)二級(jí)污水處理廠相比,其基建投資費(fèi)用要低得多,特別是當(dāng)處理小流量污水時(shí),更能顯示出人工快速滲濾系統(tǒng)的實(shí)用性。人工快速滲濾系統(tǒng)的運(yùn)行管理費(fèi)用特別低,其主要由3 部分組成:
(1) 電費(fèi)　從工藝流程圖中可知,本污水處理工程的電費(fèi)僅包括一級(jí)污水提升費(fèi)用。
(2) 人工管理費(fèi)　人工快速滲濾系統(tǒng)的運(yùn)行僅需簡(jiǎn)單的人工操作,本污水處理工程中需人工操作部分包括: (a) 2 d 1 次快滲池交替運(yùn)行,此項(xiàng)工作很簡(jiǎn)單,即開1 個(gè)閥門和關(guān)1 個(gè)閥門,1 個(gè)人1 min 即可完成;(b) 格柵和隔油池不定期清污;(c) 過濾池不定期反沖洗。
(3) 系統(tǒng)維修和維護(hù)費(fèi)　人工快速滲濾系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需維修和維護(hù)的設(shè)備很少,主要包括配電柜、污水提升泵、水位控制器及少量管路和水閥。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
6 　結(jié)論
(1) 在不< 1 mPd 的水力負(fù)荷條件下,CRI 系統(tǒng)對(duì)生活污水具有較好的污染物去除效果,處理出水SS、CODCr 、BOD5 、NH32N 和LAS 均達(dá)到了污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB897821996) 城鎮(zhèn)二級(jí)污水處理廠一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)、生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(CJ2511289) 和再生水回用于景觀水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(CJPT9522000) 。
(2) 從RI 系統(tǒng)淹水2落干運(yùn)行方式到CRI 系統(tǒng)間歇性淹水2落干運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)變,避免了CRI 系統(tǒng)由于水力負(fù)荷和污染物負(fù)荷高而產(chǎn)生污染物穿透現(xiàn)象的發(fā)生,基本上解決了CRI 系統(tǒng)的堵塞問題,從而保證系統(tǒng)在較高的水力負(fù)荷條件下穩(wěn)定運(yùn)行。
(3) CRI 系統(tǒng)是一種操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行管理方便、低能耗、低投資和低運(yùn)行管理費(fèi)用的污水處理系統(tǒng)。（北京科技大學(xué)）