摘要:以滲透性能良好的天然砂作為主要滲濾介質建立人工快速滲濾系統處理生活污水 ,在東莞華興電器廠進行了為期 1a的中試工程試驗研究。結果表明 ,在不 <1m d的水力負荷條件下 ,人工快速滲濾系統對生活污水具有較強的抗沖擊負荷能力和較好的污染物去除效果 ,其對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 落干的運行方式 ,并結合反沖洗 ,提高了CRI系統的水力負荷 ,改善了污染物去除效果 ,增強了其實用性。

關鍵詞:生活污水,天然砂,人工快滲,運行方式,處理效果

引言

污水快速滲濾土地處理系統 (簡稱RI系統 )雖然具有設備簡單、操作管理方便、投資和運行管理費用低以及凈化效果好等優點 ,但同時也具有水力負荷低、占地面積大等缺點 ,從而使其在我國的應用受到了限制。為克服RI系統水力負荷低的缺點 ,提出了采用滲透性能較好的天然砂等代替天然土層營建污水處理系統的方案 ,并將這種處理系統命名為人工快速滲濾系統 (ConstructedRapidInfiltration ,簡稱CRI)。通過室內試驗和現場試驗 ,對如何提高CRI系統的水力負荷和污染物去除效果等關鍵問題進行了詳細研究 ,并得出了兩條主要結論 :(1)通過縮短水力負荷周期 ,加大系統淹水 落干的頻率 ,可以明顯提高CRI對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 )建立復合系統 ,可以大大提高CRI的水力負荷 ,并保證系統穩定運行[2 ] 。

試驗研究與實際工程不同 ,試驗研究成果應用于實際能否獲得預期結果 ,須通過工程運行來檢驗。將CRI應用于華興電器廠生活污水處理工程中 ,處理水量為200～300 m3Pd ,廠區總排放口2001 年6 月16 日水質分析結果見表1。

2 　工程設計
211 工藝流程
根據華興生活污水特征和處理出水水質要求,結合室內試驗和現場試驗研究成果,本著投資省、能耗低、操作管理方便和合理布局的原則,設計工藝流程見圖1。

212 　工程設計依據及參數選擇
主要裝置及工藝參數如下:
(1) 預沉調節池　有效體積約200 m3 ,位于地平面以下。室內試驗研究結果表明,由預沉產生的對生活污水SS 去除效果主要體現在前12 h。該工程設計預沉調節池的有效體積為200 m3 ,主要考慮工廠的發展,即便工廠排污量增至400 m3Pd ,污水在預沉調節池中的停留時間仍可達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(兼作反沖洗進水管) ,濾層厚1 m。過濾池主要是根據室內復合系統試驗研究結果而設計,其作用主要是降低水中的SS ,降低快滲池的污染物負荷,從而保證系統穩定運行。
(3) 配水池　有效容積約815 m3 。在此安裝1 套自控配水裝置。配水池的設計主要是為了實現快滲池間歇性布水。
(4) 快滲池　根據系統進水水量、進水濃度和系統處理出水水質要求,結合試驗運行情況,該工程設3 個快滲池,單個滲池面積為6617 m3 ,濾層厚118 m ,下部集水層厚015 m ,保護高013 m ,半地埋式。3 個快滲池單獨運行。
(5) 清水池　有效容積約50 m3 ,埋于地下。清水池容積的設計主要依據工廠每天用于澆花、洗車和沖廁等所需的水量。
213 　滲濾介質
該工程選用2 種滲濾介質,過濾池中的滲濾介質為大理石砂,基本上為等粒,粒徑為019 mm;3 個快滲池中的滲濾介質均為河流沖積砂,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 ,相對應的含量分別為312 %、2711 %、5116 %、1013 %、618 %、110 %。其有效粒徑( d10 ) 和不均勻系數(Cu) 分別為0131 mm 和4158。
3 　工程運行與水質凈化效果
2001 年11 月26 日工程施工結束,27 日開始淹水試運行,11 月27 日～12 月16 日系統邊運行邊調試,12 月17 日開始,系統正式運行,即過濾池和配水池的運行均由自控裝置控制,單個快滲池的運行方式為:間歇性淹水2 d ,落干4 d。3 個快滲池交替運行。從2001 年11 月27 日～2002 年11 月27 日,工程運行12 個月,過濾池根據運行情況,進行不定期反沖洗;3 個快滲池經12 個月的運行,經測定其入滲速率基本沒有變化。
在系統運行過程中,對系統的進水和出水水質進行了6 次系統監測, 結果見表2。

結果表明, 在不< 1 mPd的水力負荷條件下(此值約為RI 系統水力負荷上限值的215 倍) ,人工快速滲濾系統對生活污水具有較好的污染物去除效果,其對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 ,均達到了污水綜合排放標準(GB897821996) 城鎮二級污水處理廠一級排放標準,這5 項指標同時也達到了生活雜用水水質標準(CJ2511289) 和再生水回用于景觀水體的水質標準(CJPT9522000) 。
4 　討論
在本工程運行過程中,由于工廠總排污口的污水濃度和水量均很不穩定,因此,無法評價預沉調節池對污染物的處理效果。但污水在預沉調節池中的停留時間一般不低于12 h ,其出水水質相對較穩定。為進一步討論過濾池和快滲池的作用,對過濾池的出水水質也進行了系統監測,其結果見表3 (其中,SS 為6次分析結果的平均值;CODCr 和NH32N 為4 次分析結果的平均值) 。

在CRI 系統中,當進水中顆粒狀有機物濃度較高時,在系統快滲池的表層滲濾介質中,由于截留和吸附作用,很容易產生顆粒有機物的積累,從而引起滲池表層介質堵塞,影響系統正常運行。在東莞華興電器廠污水處理工程中,過濾池就是針對這一問題而設計的。過濾池的作用主要有4 個方面:
(1) 有效降低進水SS 濃度,防止快滲池堵塞,提高系統水力負荷。從表3 可知,調節池出水經過濾處理之后,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節池中,使其在調節池中完成水解過程。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物的過度積累而造成的快滲池堵塞,從而保證系統在較高的水力負荷(115 mPd) 條件下穩定運行。
(2) 降低快滲池的污染物負荷,改善系統出水水質。從表3 可知,過濾池對CODCr 的去除率為42127 % , 其中絕大部分為顆粒CODCr 。在系統運行過程中,由于污水在過濾池中的滲透速率大,停留時間短,因此,過濾池對污染物的去除機理主要是機械過濾。但是,隨系統的運行,過濾池中介質表面也會發育成熟生物膜,因此,過濾池中微生物對有機污染物的分解作用也不容忽視。很顯然,污水經過濾池處理之后,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。
(3) 增強系統抗負荷沖擊能力。圖2 是過濾池進水和出水CODCr濃度隨時間曲線,從圖中可以看出,過濾池的進水濃度波動較大,而其出水濃度相對較穩定,從而保證了快滲池具有穩定的出水水質。

(4) 提高系統的總污染物去除效率。總之,過濾池的引入,可以有效減緩SS 在快滲池中的積累、提高系統的水力負荷、增強系統抗負荷沖擊能力和改善系統出水水質。
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,系統經長期運行,快滲池中仍會產生SS 的積累。為解決這一問題,CRI 采取淹水和落干交替進行的方式運行。有機污染物在淹水期被積累,在落干期被氧化、分解,從而保證系統穩定運行[3 ] 。不過,這種運行方式與RI 系統的淹水2落干方式不同,RI 系統的淹水期一般為1～3 d。這種淹水期較長的運行方式有2 個缺點:一是不利于系統復氧,不利于充分發揮系統的污染物去除潛力[1 ] ;二是當系統的水力負荷較高且污染物濃度較高時,滲濾介質對污染物的吸附很容易達飽和,從而影響系統的出水水質。東莞華興電器有限公司污水處理工程快滲池的運行方式實質上是間歇性淹水2落干,這種運行方式具有如下特點:
(1) CRI 系統的復氧狀況對系統的污染物去除效果至關重要,它直接影響到系統內有機污染物的好氧生物降解及硝化作用的進行。室內試驗和現場試驗研究均表明,通過縮短CRI 系統的水力負荷周期,加大系統淹水2落干頻率,可以提高系統的復氧效率,加大系統的復氧量,從而提高系統的污染物去除效率。
東莞華興電器廠污水處理工程的運行方式為間歇性淹水2落干,在其間歇性淹水的2 d 時間內,由于配水池的有效容積為815 m3 ,按每天處理水量200 m3 ,系統24 h 連續運行,則配水池每天投配污水約24 次。這種運行方式明顯加強了由空氣的對流作用對系統的復氧,提高了CRI 系統對污染物的去除效果[4 ] 。
(2) 為提高水力負荷,CRI 系統一般采用粗砂作為滲濾介質,這種滲濾介質盡管滲透性能好,但其陽離子交換容量小,其對污染物的吸附很容易達飽和,并產生污染物穿透現象[5 ] 。因此,如果系統的淹水期過長或系統一次性投配的污水量過大,則很容易產生由于系統滲濾介質對污染物的吸附達飽和,而產生污染物穿透現象。高頻率間歇性淹水的方式正好解決了這個問題。其原因主要有兩個方面: (a) 由于單位時間內污水投配次數多,一次性投配的污水量少(即減少了每次投配的污染物負荷) ,使滲濾介質對污染物的吸附還未達飽和,便開始落干,從而避免了CRI系統由于其滲濾介質的吸附容量小而導致污染物穿透現象的產生; (b) 由于系統落干頻率高,系統的復氧效果好,加強了系統內有機污染物的好氧生物降解及硝化作用的進行,有利于系統吸附容量的恢復,從而提高了系統的污染物去除效率。由此可見,高頻率間歇性淹水的方式克服了CRI系統由于其水力負荷和污染物負荷高而容易產生污染物穿透現象這一缺點。
(3) 有機污染物在淹水期積累、在落干期被氧化降解是CRI 系統的重要特征。由于顆粒狀有機物不能直接被微生物吸收利用,其氧化、分解需要一定的時間,因此,在淹水期積累的有機污染物主要是顆粒狀有機物,這些物質主要聚集在滲池的淺表層介質中。此外,采取高頻率間歇性淹水的方式,系統的復氧效果好,有利于滲濾介質中好氧生物膜的生長。因此,當快滲池間歇性淹水一段時間后,由于顆粒狀有機物的積累和生物膜的快速生長,快滲池表層介質的滲透速率會逐漸下降,甚至影響系統的水力負荷。針對這一問題,東莞華興廠污水處理工程單個滲池采取間歇性淹水2 d ,落干4 d 的方式運行。這種運行方式利用4 d 落干時間來分解積累的有機物質以及更新生物膜,從而保證系統在較高水力負荷條件下穩定運行。
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落干的運行方式,并結合反沖洗,避免了CRI 系統由于其水力負荷和污染物負荷高而產生污染物穿透現象的發生,基本上解決了CRI 系統的堵塞問題,提高了CRI 系統的水力負荷,明顯增強了其實用性。
5 　工程投資與運行費用
人工快速滲濾系統工程基建費用與很多因素有關,如地形條件,地層結構,進水水質情況,出水水質要求以及外觀要求等,因此,視具體情況的不同有很大差異,但與常規二級污水處理廠相比,其基建投資費用要低得多,特別是當處理小流量污水時,更能顯示出人工快速滲濾系統的實用性。人工快速滲濾系統的運行管理費用特別低,其主要由3 部分組成:
(1) 電費　從工藝流程圖中可知,本污水處理工程的電費僅包括一級污水提升費用。
(2) 人工管理費　人工快速滲濾系統的運行僅需簡單的人工操作,本污水處理工程中需人工操作部分包括: (a) 2 d 1 次快滲池交替運行,此項工作很簡單,即開1 個閥門和關1 個閥門,1 個人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) 系統維修和維護費　人工快速滲濾系統在運行過程中需維修和維護的設備很少,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.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。
6 　結論
(1) 在不< 1 mPd 的水力負荷條件下,CRI 系統對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 均達到了污水綜合排放標準(GB897821996) 城鎮二級污水處理廠一級排放標準、生活雜用水水質標準(CJ2511289) 和再生水回用于景觀水體的水質標準(CJPT9522000) 。
(2) 從RI 系統淹水2落干運行方式到CRI 系統間歇性淹水2落干運行方式的轉變,避免了CRI 系統由于水力負荷和污染物負荷高而產生污染物穿透現象的發生,基本上解決了CRI 系統的堵塞問題,從而保證系統在較高的水力負荷條件下穩定運行。
(3) CRI 系統是一種操作簡單、運行管理方便、低能耗、低投資和低運行管理費用的污水處理系統。（北京科技大學）