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图 2 两种滤池百分比去除率与进出水影响因素间的冗余度分析排序
进一步分析排序图 2发现, 提取的各主成分对污染物的去除产生不同的影响.针对曝气垂直流滤池进水理化特征, 溶解性氮、硝氮、总氮及磷的去除效率与第一主成分明显正相关, 又结合表 7因子载荷可知, 该主成分主要由影响硝化-反硝化的碳源、溶解氧、碱度等因素构成.关于该正相关的解释为:溶解氧愈高, 一方面愈有利于有机物的氧化分解, 另一方面愈有利于氨氮的硝化, 产生更多的硝氮; 又处理原水中不乏碳源(碳氮比为7.13, 表 1), 加上滤池出水的低溶解氧环境(出水平均DO:2.09 mg˙L-1, 表 2), 更多的硝氮有利于提升反硝化强度, 进而提高溶解性氮和总氮的去除效率.本研究中, 处理原水中硝氮所占的比例较低(表 1), 原水中较高的溶解氧在曝气停止后很快被滤池内有机物的氧化分解和硝化过程消耗, 进而进入厌氧状态, 这有助于随后的反硝化过程. pH值与溶解氧类似, 因为硝化过程耗碱, pH值愈高, 愈有利于硝化过程.磷的去除与上述因素正相关, 可能是因为溶解氧、有机物含量愈高, 愈能促进微生物增殖[16], 进而增强对磷的吸附/吸收强度[图 2(a)和表 7].
针对曝气垂直流滤池出水理化特征, 提取的各主成分与污染物去除效率均呈负相关.除亚硝氮与第五主成分明显负相关外, 其余指标与第一至第四主成分明显负相关.亚硝氮与第五主成分明显负相关, 这可能是因为出水硝氮含量愈高, 暗示滤池内氧化性愈强, 愈不利于反硝化过程.这是因为亚硝氮为反硝化过程中间产物, 极不稳定, 很容易被氧化为硝氮.在剩余指标中, 有机物、氨氮、溶解性氮与第二、第三主成分明显负相关, 可能是因为出水溶解氧、pH值愈高, 愈有利于硝化过程; 出水中有机物含量愈高, 有机物氧化分解消耗的溶解氧也就愈多, 留给氨氮硝化的溶解氧也就愈少.氨氮的去除与温度正相关, 这是因为温度愈高, 滤池内部微生物的硝化反应强度愈烈[图 2(b)和表 7].
针对折流式水平流滤池进水理化特征, 无机磷与第三主成分明显正相关, 亚硝氮与第四、第一主成分明显正相关, 其余指标与第二主成分明显正相关.氨氮、溶解性氮、总氮的去除与第二主成分正相关, 可能是因为溶解氧愈高, 伴随进水溶解氧的快速消耗, 更多的氨氮被氧化成硝酸盐; 与曝气垂直流滤池类似, 处理原水中不乏碳源, 加上滤池内部的低溶解氧环境(出水平均DO:2.38mg˙L-1, 表 2), 反硝化强度提升, 最终导致溶解性氮、总氮去除效率的提高.溶解氧的提高也促进了有机物的氧化分解, 提高了有机物的去除效率.总磷的去除与溶解氧、有机物正相关同样归属于微生物代谢活动的增强[图 2(c)和表 7].
针对折流式水平流滤池出水理化特征, 亚硝氮的去除与第四主成分明显正相关, 与第三主成分明显负相关, 磷的去除与第五主成分明显负相关, 其余指标与第一、第二主成分明显负相关.亚硝氮的去除与溶解氧、碱度负相关, 这是因为反硝化倾向于厌氧环境且释放碱度, 溶解氧和碱度的提升都不利于反硝化过程.磷的去除与氨氮、总有机物负相关, 可能是因为出水氨氮、有机物含量愈高, 滤池内部的好氧微生物代谢活动也就愈弱, 进而对磷的吸附/吸收活动也就愈弱.总氮的去除与溶解性氮、硝氮负相关, 与分流比、有机物的去除正相关, 说明异养反硝化是滤池脱除总氮的主要形式[图 2(d)和表 7].
3 结论
(1) 针对曝气垂直流滤池+折流式水平流滤池的组合系统, 在好氧阶段, 即滤池进水初期或曝气期水体中溶解氧含量较高, 氧化分解是两种滤池内有机物去除的主要途径.但是伴随溶解氧的快速消耗(如曝气垂直流滤池停止曝气后), 两种滤池很快进入缺氧或厌氧状态, 随后异养反硝化形成了滤池内有机物减少的主要原因之一.
(2) 两种滤池内都存在明显的硝化-反硝化, 且它们是滤池去除总氮的主要途径.曝气垂直流滤池对氨氮及溶解性氮的平均去除率在80%以上, 而折流式水平流滤池对氨氮及溶解性氮的平均去除率在40%以下, 表明曝气垂直流滤池内的硝化-反硝化强度都高于折流式水平流滤池.磷的去除主要受控于水力负荷、温度、溶解氧、有机物等, 表明微生物吸收是滤池除磷的主要方式之一.
(3) 相比于单一滤池, 该组合系统提高了有机物和磷的去除效果, 却降低了氮的去除效率.降低分流比有助于提升折流式水平流滤池反硝化强度, 但是由于从原水中引入过多的氨氮, 又折流式水平流滤池的硝化能力有限, 进而导致组合系统总氮去除率下降.
(4) 逐步回归及冗余度分析表明, 滤池的净化效能不仅与运行工况、处理原水组成密切相关, 同时还受控于运行的环境条件(溶解氧、温度等).因此, 根据处理原水组成, 控制适宜的分流比、停留时间及滤池内的氧化还原条件是提升该组合系统整体净化效果的关键.
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