腐殖填料滤池工艺处理生活污水及其降解氨氮机理的研究

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随着我国农村经济的快速发展,城市化进程加快,农村生活污水已成为农村水环境恶化的主要原因之一。解决农村生活污水问题较为经济可行的方法是对村落或者居民点的污水进行就地分散式处理。适合我国农村地区的分散式污水处理技术必须具备工程投资省,运行费用低,管理维护方便,处理效果尤其是脱氮除磷效果好的特点,并且无二次污染。因此,研发具有较高处理效能,较低运行成本且管理方便的分散式生活污水处理技术对于解决农村水环境污染的现状和缓解水资源短缺的压力具有重要意义。现有生活污水分散式处理技术存在着脱氮除磷能力不高或者投资和运行成本较高的问题。针对这些问题,采用腐殖填料滤池工艺(Humus Filter,HF工艺)进行生活污水分散处理技术的研究。  HF工艺分散处理生活污水研究主要从实验室中试研究、处理农村生活污水的工程应用研究和探讨HF工艺降解氨氮的机理等三个部分展开。  实验室中试研究确定了HF工艺的启动方法,研究了HF工艺处理生活污水的效能及其影响因素,并重点探讨了提升HF工艺脱氮能力的途径和效果。结果显示,HF工艺的启动形式简单,启动时间短,一般采用生活污水原水驯化2周即可完成挂膜过程。HF工艺在一般季节的水力负荷可以维持在1 m3/(m2·d),达到普通生物滤池的水平。中试装置对污染物有较高的去除率,其对COD,NH4+-N和TP的平均去除率达到88.4%,96.3%和63.5%。冬季低温环境时,通过将HF工艺的水力负荷降低至0.5 m3/(m2·d),能够保证工艺的正常运行,此时其对COD,NH4+-N,TN和TP的平均去除率分别为93.5%,99.9%,16.8%和60%。温度对HF工艺污染物降解效率的影响较小,但对HF工艺的渗透性能影响较大。低温环境会使HF工艺的渗透性能下降,从而使污染物降解速率远低于常温环境时的水平。中试系统的脱氮能力较低,对TN的平均去除率仅为25.6%,其主要原因在于反硝化阶段所需的碳源不足。通过出水回流可以有效地提高TN去除率,出水回流10%和20%时,可以使TN平均去除率分别提高至49.8%和63.8%。  在实验室中试研究的基础上,在江苏省扬中市华威村建设了设计处理规模为100m3/d的HF工艺处理生活污水的示范工程,并藉此研究了工程规模条件下HF工艺的启动方法,低温环境对工艺的影响,示范工程去除污染物的效能,以及HF工艺的应用安全性。结果显示,HF工艺示范工程在冬季具有较好的运行效果,整个过程中示范工程对污水中COD、TN、TP和NH4+-N的平均去除率分别为55.0%、19.2%、84.5%、100%。出水中除TN因碳源不足反硝化效率较低而导致出水TN较高外,其它指标COD<40mg/L,TP<0.5 mg/L,NH4+-N基本检测不出来。可以采用HF工艺+中水回用冲厕的生活污水分散处理技术的新模式,不仅可以节水而且可以利用三格式化粪池内的碳源、缺氧环境以及回用水中的硝酸盐实现反硝化脱氮。HF工艺使用的腐殖填料从浸出毒性试验到出水重金属浓度匀非常安全,不会影响出水的二次回用。HF工艺具有较低的投资和运行成本,其处理生活污水的吨水投资不超过3000元,实际污水处理成本小于0.1元/吨污水。  针对HF工艺较强的氨氮降解能力,通过研究腐殖填料在HF工艺降解氨氮过程中的作用,对HF工艺降解氨氮的机理进行了初步探讨。在相同的运行方式下,HF工艺降解氨氮的效能要优于以石英砂为介质的人工快速渗滤系统。石英砂柱的平均氨氮降解速率为3.3 ugNH4+-N/(g石英砂·d),而HF柱的平均氨氮降解速率高达29.9 ugNH4+-N/(g腐殖填料·d),约是石英砂柱的9倍。且HF系统内的微生物量大于石英砂柱,石英砂柱内微生物量碳平均浓度为293.56mg/kg,而HF柱内的微生物量碳平均浓度达到779.86mg/kg。结果显示,腐殖填料在HF工艺降解氨氮过程中发挥了重要作用,占到了HF系统总的氨氮降解速率的80%,达到23.8ug-NH4+-N/g腐殖填料·d-1。  在今后的研究中,需要进一步研究HF工艺对于有机物、氮和磷的去除机制,为提升HF工艺脱氮能力提供理论支持;同时应围绕开发新型腐殖填料,进一步提升填料的抗堵塞性能和污染物去除效能。
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