农家乐生活污水土壤渗滤系统净化工艺研究

百二河水库是湖北省十堰市一个重要的居民生活饮用水水源地，其上游百二河河段位于该市旅游景区，且当地将旅游业作为经济支柱，农家乐餐饮休闲业发展迅猛。但是由于山区经济发展相对滞后、排水管网和污水处理设施建设尚不健全，导致大量生活污水未经治理直接排入河道，对下游水源区的水质安全构成威胁。因此，采取有效措施集中治理分散的农家乐生活污水是当前的一项迫切任务。土地处理技术作为污水净化的有效方法之一，其发展初期在我国并未受到重视，直到20世纪90年代初，我国才开始对土壤渗滤技术进行研究。随着研究的深入，我国使用土地渗滤系统处理污水方面的研究也得到了较快的发展。该技术具有能耗、投资低和运行管理方便等优势，目前已在国内外污水处理技术中得到广泛应用。

尽管传统土壤渗滤系统具有诸多优点，但是随着对土壤渗滤系统的研究和应用的不断深入，其存在的一些不足之处也逐渐被发现，主要表现在系统易堵塞、处理负荷低、脱氮效果不佳和不易反冲洗等方面。在传统土壤渗滤系统中，污水未经过预处理直接进入系统，而污水中大量的SS很容易造成土壤孔隙堵塞，使系统的渗透性降低。针对这一问题，本研究通过前置沉淀池和砂滤池将污水中的SS截留，达到初步净化污水的目的，使后续的土壤渗滤池在较高的水力负荷下运行而不堵塞。此外，砂滤池反冲洗操作简便，经过一段时间运行之后，可对其进行反冲洗，以维持其较高的工作效率。对于传统土壤渗滤系统脱氮效果不佳的问题，本研究通过对其填料的优化配置，使系统内部形成微“好氧一厌氧”环境，从而有助于系统中的微生物硝化和反硝化作用脱氮。通过上述改进设计，考察了其对某农家乐生活污水的改善效果，以期为百二河地区分散点源污水的有效处理提供理论和技术支撑。

1实验部分

1. 1实验材料

土壤，取自百二河河岸地表以下30-70 cm范围内的土壤;木屑，取自十堰市某木材加工厂;铁屑，取自十堰市某废铁厂;煤渣，取自某农家乐的厨房;多孔球形塑料(孔隙率51. 28% )，购自江苏省宜兴市清溪环保填料有限公司;碎石、细砂、粗砂和石灰石，购自十堰市辰宏建材市场;沸石，购自十堰市山鼎环保有限公司。污水取自百二河水库上游河段沿途某农家化粪池的出水(未经过稀释)，其主要水质指标SS ,COD,TN,NH4+ -N和TP的含量分别为350. 7一521. 2 mg / L,162. 4一341. 6 mg / L,31. 32-54. 57 mg / L、18. 67一37. 32 mg / L和2. 46一5. 16 mg / L。

1. 2实验装置

改良型土壤渗滤系统由沉淀池(78 cm x 75 cm x 94cm)、砂滤池(74 cm x 63 cm x 81 cm)和土壤渗滤池(235cm x 42 cm x 128 cm ) 3部分组成，如图1所示。沉淀池的实际水深为86 cm。砂滤池内部装填细砂，实际细砂的深度为72 cm。土壤渗滤池内部填料的实际深度为120 cm,共分为5层，其剖面图见图2,①层:粗砂，层厚100 mm ;②层:60%土壤,20%石灰石，15%煤渣，5%木屑，层厚500 mm ;③层:95 % R30一R60沸石，5%铁屑，层厚250mm;④层:R12多孔球形塑料填料，层厚250 mm ;⑤层:R10一R30碎石，层厚100 mm。

1. 3实验方案

实验开始前，先将多孔球形塑料填料进行灭菌处理，再用农家乐污水进行人工挂膜，挂膜期间昼夜平均水温23. 1 ℃，每隔5h通过漩涡式气泵向水中曝气1h，每两天换水1次，DO维持在2. 0 mg / L左右，直到生物膜生成为止(大约14 d)，再将各种实验所用的填料按要求进行装填至如图2所示的结构。经过10 d的启动阶段，系统正式开始运行，使用蠕动泵连续进水，维持其较大的水力负荷2 m3 / (m2˙d)，实验装置放置于河道旁，并做好防雨措施。实验于2015年6月24日开始，2015年8月22日结束，历经60 d，期间每3 d取一次水样进行测定。

1. 4分析与测定方法

COD,NH4+ -N,TN和TP按第4版国家环境保护局水和废水监测分析方法测定。COD的测定:重铬酸钾法;NH4+ -N的测定:纳氏试剂分光光度法;TN的测定:碱性过硫酸钾消解一紫外分光光度法;TP的测定:过硫酸钾消解一钥锑抗分光光度法;DO的测定:哈希HQ30d便携式溶解氧测定仪;SS的测定:重量法。

2实验结果与讨论

2. 1对ss的去除效果及分析

悬浮固体(SS)是污水治理的水质指标的一种，主要包括不溶于水中的泥沙、粘土、有机物和微生物等悬浮物质。SS是导致土壤渗滤系统堵塞的主要原因，且其引发的堵塞过程较迅速且通常无法恢复。为了加强污水的预处理，本实验增设沉淀池、砂滤池环节，通过沉淀池的沉降和砂滤池的截留来降低污水中55的浓度。砂滤池出水55的去除效果如图3所示，其平均去除率达到85. 15 %，很大程度上缓解了后续土壤渗滤池得渗透压力，同时经过沉淀池、砂滤池的预处理之后，水体中污染物浓度也有所降低，使得后续土壤渗滤池的污染物负荷相对减小，水力负荷大为提高。SS进水浓度在350.7-521.2 mg / L范围内变化，出水浓度能维持在80 mg / L以下，去除率也相对较稳定。根据砂滤池出水的变化情况，大约平均每经过17 d的运行，对砂滤池进行反冲洗操作一次，以保持其对污水中SS较高的去除效率。

2. 2对COD的去除效果及分析

污水中的污染物可通过微生物降解、填料吸附等形式去除，其中微生物降解作用占主导地位。改良型土壤渗滤系统对农家乐污水中的COD具有较好的处理效果，从图4可以看出，系统出水COD平均去除率达到82. 41 %，且其基本能维持在50 mg / L以下，达到城镇污水厂污染物排放一级A类标准。较高的去除率主要有两方面原因:其一，污水进入土壤渗滤池后，有机物首先与多孔球形塑料填料及沸石发生物理、化学吸附作用，同时，由于多孔球形塑料填料具有丰富的内表面，可为微生物的生长繁殖提供良好的生存环境，且该填料已提前进行过挂膜处理，生物膜较厚，微生物数量多，加上持续的曝气复氧，进而可以保证其中的好氧/异样型微生物等均能够充分吸收污水中的有机营养物质来维持自身的新陈代谢，从而使有机物得到分解利用;其二，当污水依次流经土壤段时，厌氧型微生物也能利用部分有机物质来充当碳源，进而保证反硝化过程进行。期间进水COD变化较大，在162. 4一341.6mg / L之间，最大浓度值出现在第24天，最小浓度值出现在第36天，这短时间内的COD负荷大幅度变化对去除率没有明显的影响，系统仍保持较高的去除效率。这说明了系统具有较强的抗污染冲击负荷能力。

2. 3对NH4+ -N,TN的去除效果及分析

从图2可以看出，③、④和⑤层分别为沸石层、多孔球形塑料层和碎石层，均为粒径较大的颗粒填料，填料间间隙较大，有较好的渗水性，同时在曝气条件下，复氧效果好。②层为人工选择配比的土壤填料，厌氧条件好。①层为粗砂层，主要防止土壤的流失。所以，土壤渗滤池也可以看作由③、④和⑤层填料形成的好氧区，②层填料形成的厌氧区组成。系统内部形成的微“好氧一厌氧”环境，使得系统具有较好的脱氮效果。由图5和6可知，农家乐污水中，NH犷-N和TN浓度较高，范围分别为18. 67-37. 32 mg / L、31. 32 -54. 57 mg / L，属于劣V类水质。系统出水NH4+ -N的平均去除率高达91. 06%，且NH4+ -N去除率受进水NH4+ -N浓度变化的影响较小，这主要是由于曝气段的好氧环境使得多孔球形塑料填料内部大量活跃的硝化细菌通过硝化作用吸收利用污水的NH4+ -N，同时，沸石填料对NH4+ -N具有强烈的离子交换和化学吸附能力。污水中的NH4+ -N在好氧区被氧化成N03- -N，继而随水流迁移至厌氧区，通过反硝化作用被还原为含氮气体，土壤填料中添加的碎木屑作为厌氧微生物的碳源，保证反硝化脱氮作用的顺利进行。系统出水TN的平均去除率为80. 62 %，相对于NH4+ -N平均去除率偏低，这可能是因为水力负荷较大，造成水力停留时间较短，从而使得好氧区出水中少量的N03- -N未能在厌氧区反硝化脱去。但是该系统出水TN的平均浓度为8. 38 mg / L，已远优于城镇污水厂污染物排放一级A类标准，因此，对于该农家乐污水TN的去除率已经相对较高。

2. 4对TP的去除效果及分析

污水中的TP主要以有机态磷和磷酸盐的形式存在。农家乐污水中以颗粒形态存在的有机磷能够很好的被系统中填料拦截、阻留，同时好氧区微生物能通过矿化作用等分解利用。该系统对污水中的磷酸盐的去除，一方面是由于土壤中大量的Al,Fe和Ca等离子形成了土壤胶体颗粒，进而通过物理吸附及较强的化学吸附去除污水中的磷酸盐，同时，沸石层添加的铁屑，先被转变为Fe2+，进而被氧化成Fe3+，随水流进土壤填料层，进一步形成Fe(OH)3，固定在土壤颗粒表面，从而吸附固定污水中的磷酸盐，另外，好氧区的球形塑料填料和沸石也能吸附部分的磷酸盐。由图7看出，该系统对TP具有较好的去除效果，其出水浓度都保持在0. 8 mg / L以下，平均去除率达到88. 59%。此外，TP进水浓度没有明显的变化规律，出水浓度有降低的趋势，这可能是由于沸石层添加的铁屑不断的溶出Fe离子，使得土壤填料中Fe(OH)3胶体有所增加，提高了对TP的吸附效率。同时，随着好氧区聚磷菌的生长繁殖，其数量不断增加，聚磷效果也越发明显。针对传统土壤渗滤系统出水磷溶出的问题，该系统通过铁屑固磷技术大大延长了整个系统磷击穿的时间。

综上所述，改良型土壤渗滤系统对农家乐水体中的污染物处理效果明显。且该系统在运行过程中对砂滤池中的细砂反复进行反冲洗，循环利用，节约了一定的经济成本。土壤渗滤池主要是通过其中的微生物对水体中的污染物进行处理，实际操作管理方便、运行成本低。此外，运用铁屑固磷技术大大延长了系统的使用寿命，同时又提高了污水的处理效率，实际工程应用中环境效益较高，经济适用性较好，在污水处理领域有广阔的应用前景。

3结论

1)在此改良型土壤渗滤系统运行期间，对农家乐污水有较好的处理效果，在2 m3 / (m2˙d)的水力负荷下，COD,NH4+ -N ,TN和TP平均去除率分别达到了82. 41 % ,91. 06% ,80. 12%和88. 59%，且其平均出水浓度均达到城镇污水厂污染物排放一级A类标准。

2)改良型土壤渗滤系统通过前置沉淀池、砂滤池，人工制造微“好氧一厌氧”环境，很好地解决了传统土壤渗滤系统在运行过程中遇到的系统易堵塞、处理负荷低、脱氮效果差和不易反冲洗等问题。此外，通过运用铁屑固磷技术提升了系统的固磷效率，同时在很大程度上延长了系统的使用寿命。

3)通过对传统土壤渗滤系统的改进设计，实现了污染物的快速降解，提高污染物的降解效率，且其运行成本低、处理效率高、环境效益好、维护管理简单，在该地区生活污水无公害处理方面具有很高的应用价值。