给排水122班王俊昊翻译.doc

地下渗滤系统间歇运行的脱氮效果张健，黄霞，刘超翔，施汉昌，胡洪营 国家重点环境联合实验室,环境科学与工程系, 中国，北京，清华大学1000842004年8月4日收到一稿，2005年6月20日收到二稿，2005年6月24日定稿摘要位于滇池西南部河谷内的一个村庄中，在其充满着红色粘土和煤渣的土壤中，进行了一次以处理农村污水为主的地下渗滤系统测试。首先，该系统连续加入水力负荷为2农村污水超过4个月。COD、总磷、铵态氮和总氮的去除率在运行期分别是82.7、98、70，平均增长率分别为77.7%。相比，总磷的去除率，总氮的去除率降低的原因是系统中土壤是还原性的条件，对硝化过程是不利的。故采用间歇操作，提高脱氮效果。COD和总磷的去除率分别在间歇运行模式实现相同的性能。铵态氮的去除率在连续加料方式下提高到70%90%，总氮去除率升高，在平均水力负荷为8甚至超过80%。氮平衡计算表明，在充足的总氮的情况下硝化反硝化脱氮的去除率达5776% .土壤氧化还原电位测量的主要机制，表明氧化环境是通过间歇操作的增加，从而促进硝化反应。相应地，在连续加料方式下土壤硝化势增加小于0.8，在间歇运行模式下约增加1.6。2005 Elsevier公司保留所有权利。关键词：间歇运行；脱氮；氧化还原电位；地下渗滤系统1.简介滇池是中国西南地区最大的湖泊，近年来由于人口的增长和经济发展造成的氮磷营养盐的过量排放受到了严重的污染。在2002（2003李、彭），总氮（TN）、总磷（TP）在滇池湖的水的浓度分别为约2.20和0.21 ，表现出一个严重的富营养化状态。滇池市乌拉尔区分散的生活污水是滇池富营养化的主要原因之一（刘，2001）。因此，去除污水中的氮磷是防止滇池富营养化的重要问题。地下渗滤系统是一种适用于农村生活污水的处理技术。如果渗透系统是经过精心设计和管理，则会是一种有效的处理废水的化学、物理和生物反应的综合机制。相比于传统的活性污泥工艺，该系统具有良好的脱氮除磷性能，降低建设和运营成本，并易于维护（佩尔和尼伯格，1989；山口等人，1996；孙和何，1998；杨和田，1999）。在地下渗滤系统中对氮的去除性能进行了大量的研究。根据废水的组成不同，环境条件和操作条件的差异，氮的去除率从10到90%（赖斯和鲍尔, 1984;兰斯, 1986; 佩尔和尼伯格, 1989; 美国环境保护局, 1992; 山口等人, 1996;孙和何，1998；杨和田，1999）。兰斯（1986）报道说，在地下渗滤系统中，硝化和反硝化作用的主要反应是能够去除污水中的氮。在经过充分曝气从而充满了空气的肥沃土壤中，碳源是促进硝化作用和生物脱氮的限制性因子。(兰斯和惠斯勒,1976; 赖斯和鲍尔,1984;施瓦格尔和鲍勒,1997).滇池山谷周围的土壤多为红粘土。由于红粘土的低渗透，在厌氧条件下可能会对硝化反应造成抑制作用，这样以红粘土为主的土壤中的脱氮可能不同于上面提到土壤肥沃的情况。在本研究中，试点是位于滇池山谷的村庄中，主要用红粘土建造起来的用于农村污水处理的地下渗滤系统。为了提高红粘土的渗透性，在红粘土中加入了重量比为25%的某一无机废物（烧渣/红粘土），这中无机废物是在煤燃烧过程中产生的。试点主要对污染物处理性能、氮的去除增强的间歇操作以及氮去除机制进行研究和分析。图1。地下渗滤试验系统示意图2.材料与方法2.1试验系统一个位于滇池山谷内村庄中的9平方米的试点地下渗滤系统，长度为3米，宽度为3米，深度为0.8米（图1）。 沉淀后的原农村污水泵入安装在渗槽底部的排水管中，处理后的污水通过底部的收集管收集到试点系统。土壤入渗系统的表层是土壤中的种子。用重量比为25%（烧渣/红粘土）的混合土填充的渗透沟槽。烧渣是一种在煤燃烧过程中产生的无机废物，主要由氧化硅、氧化铝和氧化铁组成。红粘土的总有机物含量为0.8%，PH值为5.7，表1所示为颗粒大小分布。表1红粘土粒度分布颗粒尺寸（毫米） 百分比（%）0.25 0.600.05-0.25 4.400.01-0.05 10.000.005-0.01 72.00.001-0.005 2.00.001 11.0第一阶段（连续饲养模式），持续了4.5个月，该系统被连续注入水力负荷为2厘米/天的农村污水。第二阶段（间歇进料方式），历时12.5个月，为提高脱氮，采用间歇操作。间歇运行的每个周期包括24小时的洪水期和24小时的干燥期。超过一个周期后（48小时）污水的平均水力负荷逐渐升高，从2到4，6，8和10厘米/天。当平均水力负荷增加到10厘米/天，发生土壤堵塞。之后平均水力负荷减小到2厘米/天直到试验停止。为了监测在土壤中导频系统的氧化还原电位，铂电极埋在土壤中，其深度在深度为5，15和25厘米的渗透沟槽和深度为10，30，50和70厘米的浸润沟之间（图1）。2.2.土壤吸附试验为了研究土壤中的氮磷吸附能力，在试验入渗系统中，采用了红粘土+25%烧渣的混合土进行吸附试验。作为对比，采用纯红粘土和肥沃的土壤进行吸附试验。前者是典型的滇池流域土壤，后者是渗透系统中常采用的土壤类型。土壤样品在105下干燥至恒重后放入250毫升的锥形瓶中，在121和1.1的状态下灭菌30分钟，在每瓶中加入一定体积的含不同浓度的和。将混合后的液体在25,转速180转每秒的情况下24小时后达到吸附平衡，吸附平衡后，用0.45微米的膜过滤器过滤后进行分析。土壤对氮、磷的吸附能力为如下计算： 其中是土壤的吸附容量（），混合土壤中解的目标物质的初始浓度（），的平衡浓度的目标物在混合土壤溶液（），的溶液的体积（）和是土壤干重（）。表2农村生活污水经过沉淀的质量（单位：mg/L除pH值） 30200 0.57.0 0.46.5 1040 1.930 50150 78.52.3.原污水水质研究中所用的原农村污水的质量见表2。受局地降雨影响较大，在运行期内污水浓度波动较大。2.4.分析项目和方法根据标准方法（中国环保局，1997），用重铬酸钾法化学需氧量（COD）分析法，比色法对铵态氮、，、总氨、磷酸盐和总磷的进行分析，用重量法对进行分析。草和土壤的总氮测定用融合方法，草和土壤总磷的分析是由凯氏定氮法分析（南京土壤研究所，1999）。硝化作用经常被用来指示土壤中硝化细菌的活性(哈特,1994)。从渗透系统不同位置去20克样品土壤分别放入各个250毫升的锥形瓶中，然后加入100毫升的含铵态氮的底物溶液，在转速180转/分、25的情况下培养。经过短时间的培养后，氨氮被硝化细菌氧化为硝态氮。培养24小时后，悬浮土壤溶液经过0.45微米的过滤器过滤，对和的硝化潜力进行分析。硝化势计算方法如下： 是每单位重量的土壤样品中硝酸盐氮的生产速率（），在混合土壤溶液的初始硝酸盐浓度（），硝酸盐浓度在混合土壤溶液培养时间（），的底物溶液的体积（），的水量的土壤样品（），的土壤样品的质量（）和在土样的含水率（分数）。每种土壤样品的至少被测量三次以上，取平均值。 图2。磷（）在25等温线时在不同土壤的吸附3.结果与讨论3.1.土壤吸附等温线3.1.1.磷吸附对红粘土+25%渣混合土壤磷的吸附等温线进行了调查，上图是与纯红粘土和壤土的对比（图2）。图2中的数据表明，高磷（）红粘土的吸附能力，可能是由于其颗粒细小，比表面积大。此外，铝和铁的化合物中含有红粘土可以提高磷的吸附。然而，红粘土的渗透性很低。其渗透系数小于10，而壤质土的渗透系数是45.42，它是一种渗透系统通常采用的土壤。为提高红粘土的渗透，以25%重量比加入红粘土（灰/红粘土），混合土的渗透系数增大到35.61。相比于红粘土，混合土的吸附能力下降，但仍高于壤土。一般而言，朗格缪尔的吸附等温线模型被广泛用于分析土壤的吸附特性，根据以下公式： （3）其中是土壤的吸附能