干湿交替运行对地下渗滤系统脱氮效果的影响

干湿交替运行对地下渗滤系统脱氮效果的影响*李英华1摇李海波1**摇孙铁珩1,2摇王摇鑫1(1沈阳大学区域污染环境生态修复教育部重点实验室,沈阳110044;2中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳110016)摘摇要摇利用室内模拟系统,在进水铵氮(NH4+鄄N)浓度30~37郾5mg·L-1、水力负荷0郾08m3·m-2·d-1的条件下,考察了干湿交替运行对污水地下渗滤系统脱氮效果的影响,分析了干湿比对基质理化性质、脱氮微生物数量以及基质氧化还原电位(ORP)变化的影响。结果表明,基质渗透率和硝化细菌的数量随干湿比的增加而增加,反硝化细菌的数量则随干湿比的增加而减少,比容积和氨化细菌的数量受干湿比的影响较小,各深度基质层ORP均随干湿交替运行而高低起伏。推荐地下渗滤系统启动期的干湿比3颐1,启动周期为20d;稳定运行期干湿比1颐1,NH4+鄄N及TN的去除率可分别达到86郾9%和79郾1%,同时,有机污染物去除效果好,出水水质满足再生利用鄄景观环境用水水质标准(GB/T18921—2002)。关键词摇地下渗滤系统;生活污水;深度处理;干湿交替中图分类号摇X703摇文献标识码摇A摇文章编号摇1000-4890(2010)10-2081-05Effectsofalternatedrying鄄wettingonnitrogenremovalefficiencyofsubsurfaceinfiltrationsystem.LIYing鄄hua1,LIHai鄄bo1,SUNTie鄄heng1,2,WANGXin1(1KeyLaboratoryofRegion鄄alEnvironmentandEco鄄Remediation,MinistryofEducation,ShenyangUniversity,Shenyang110044,China;2InstituteofAppliedEcology,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China).ChineseJournalofEcology,2010,29(10):2081-2085.Abstract:Subsurfaceinfiltrationsystem(SIS)isanefficientandeconomictechniqueintreatingdecentralizedwastewater,butitsnitrogenremovalisfrequentlyproblematic,duetothecomplexinnerenvironmentofthesystem.Inoperating,intermittentrunningisapositivemethodtoen鄄hancethenitrogenremovalofSIS.Thispaperstudiedtheeffectsofalternatedrying鄄wettingonthenitrogenremovalefficiencyofSISinalaboratoryexperimentalscalefordomesticwastewatertreatment.TheexperimentwasconductedundertheconditionsofNH4+鄄Nconcentration30-37郾5mg·L-1andhydraulicloading0郾08m3·m-2·d-1.Withtheincreasingdryingdays,thesub鄄stratepermeabilityandnitrifyingbacterialquantityincreased,specificvolumeandammonifyingbacterialquantitychangedlittle,anddenitrifyingbacterialquantitydeclined.TheORPvaluesatdifferentdepthsfluctuatedwiththeoperationofdrying鄄wetting.Itwasrecommendedthatthedrying鄄wettingratioofSISwas3:1atthestart鄄upperiod(20days),andwas1:1intheperiodofstableoperation.Inthesecases,theremovalratesofNH4+鄄NandTNwere86郾9%and79郾1%,respectively,andthatoforganicmatterwasconsiderablyhigh,withtheeffluentmeetingthestandardofwaterqualityforscenicenvironmentuse(GB/T18921-2002).Keywords:subsurfaceinfiltrationsystem;domesticwastewater;advancedtreatment;alternatedrying鄄wetting.*辽宁省教育厅创新团队项目(2009T069)、辽宁省自然科学基金项目(20082195)、国家自然科学基金项目(50908151)和辽宁省高校优秀人才支持计划资助项目(LR201028)。**通讯作者E鄄mail:[e-mail]收稿日期:2010鄄03鄄10摇摇接受日期:2010鄄06鄄21摇摇地下渗滤系统(subsurfaceinfiltrationsystem,SIS)作为处理分散污水的有效技术,在国内外研究较多。SIS是一种具有污水处理功能的典型自适应生态系统,一方面污水在土壤-微生物-植物联合作用下得到净化,另一方面基质层需要不断自我调整以避免处理效率下降(孙铁珩和李宪法,2006)。由于SIS内部氧化还原环境受多种因素(进水有机负荷、水力负荷、微生物种群、环境温度、基质层组配以及干湿交替操作方式等)干预,直接影响系统内部生态学杂志ChineseJournalofEcology摇2010,29(10):2081-2085摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇脱氮微生物种群的构建,因此氮负荷率和去除率一直被视为SIS设计的限制因子(Rodgersetal.,2006;Lietal.,2009)。通过基质改良和强制通风来提高脱氮效率(Zhangetal.,2005;Heistadetal.,2006;吕锡武等,2008)是目前常采取的方法。添加改良基质可为脱氮微生物生长提供有利环境,但成本较高,且可控性不强(贺纪正和张丽梅,2009;李海波等,2009);强制通风不仅将使系统的设计复杂化,还将增加运行费用,且造成基质层溶氧不均匀(Austin&Nivala,2009)。干湿交替运行可直接强化系统的补氧能力,为脱氮微生物结构优化与调整提供保障(张笑一等,2006;Martens鄄Habbenaetal.,2009),但有关落干与进水时间比(干湿比)的研究尚不多见。优化系统运行的干湿比参数、促进氮脱除,是提高SIS脱氮效率的技术关键(Ye&Li,2009;Tabari&Salehi,2009;Zhaoetal.,2009;Zheng&Li,2009)。本文采用实验室配置的人工基质构建SIS,通过研究干湿比对基质理化性质、脱氮微生物数量以及基质氧化还原电位(ORP)变化的影响,确定SIS启动及稳定期适宜的干湿比参数,为SIS脱氮提供方法学参考。1摇材料与方法1郾1摇实验污水实验污水取自沈阳大学校园,原水及经静置后SIS进水的水质情况见表1。1郾2摇模拟实验系统根据土壤渗透性及微生物实验确定基质组成为95%(体积比)草甸棕壤+5%生物基质(由干化活性污泥、草炭及炉渣等构成)(邹轶等,2007),基质的理化性质见表2。表1摇生活污水水质(mg·L-1)Tab.1摇Qualityofdomesticwastewater项目CODNH4+鄄NTNTPSS原水300~38030~5063~1022郾5~5郾867~94SIS进水均值22537郾574郾34郾032郾7摇摇设计了2个可独立运行、用作平行实验的SIS反应器,每个容积为1郾8m3(1郾5m伊1郾2m伊1郾0m),基质的有效铺设厚度为90cm。散水管圆心位于1郾2m伊1郾0m端面长度方向中心线上,距基质层顶部60cm。散水管长1郾4m,内壁直径6cm,管上间距8cm均匀钻直径8mm的散水孔。在装置1郾2m伊1郾0m端面长度方向中心线上,距基质层顶部20、50和80cm设直径5cm的取样口。整个系统处理生活污水的工艺流程见图1。首先,生活污水通过水泵进入2个沉淀槽中,沉淀后提升入高位水槽,再通过流量计,按设计流量144L·d-1均匀流入SIS模拟反应器中,出水由重力作用渗滤到反应器底部,从集水管排出。1郾3摇实验设计SIS的干化与配水时间之比即为干湿比,一次落干和配水时间之和即为一个干湿周期。一般来讲,干湿比的确定方法如下:饱和吸附或入渗速率稳定需要的时间为淹水期,吸附恢复所需时间为落干期,常用的干湿比为1颐1~5颐1(孙铁珩和李宪法,2006)。但由于SIS启动及稳定期微生物分布特征不同,干湿比的优化设置也必将有所区别。本实验通过自动控制阀的程序设置控制落干和配水时间,设计干湿比分别为1颐1、2颐1、3颐1、4颐1和1颐2,相应的一个干湿周期分别为2、3、4、5和3d,由高干湿比逐步过渡到低干湿比。1郾4摇分析方法按照《水和废水监测分析方法》测定水样的化学需氧量(COD)、总氮(TN)及铵氮(NH4+鄄N)值(国家环境保护总局,2002);按照《土壤农化分析》测定基质的pH、有机质、孔隙度、渗透率、含水率和比容积(鲍士旦,2000);按照《现代微生物学实验技术》测定氨化、硝化和反硝化细菌的数量(杨绍斌和李晓明,2007)。2摇结果与分析2郾1摇干湿比对系统启动的影响有研究表明,氮是SIS中最难去除的污染物表2摇基质的理化性质Tab.2摇Physical鄄chemicalcharacteristicsofthesubstrate项目pH有机质(%)孔隙度(%)渗透性(cm·s-1)粒度分布(%)1mm0郾05~1mm0郾05mm基质7郾36郾056郾81郾1伊10-327郾623郾449郾02802摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇生态学杂志摇第29卷摇第10期摇图1摇污水处理流程示意图Fig.1摇Flowchartofdomesticsewagetreatment(张笑一等,2006;Martens鄄Habbenaetal.,2009),以铵氮为评价指标的SIS启动周期也比有机物和磷长。因此,考察干湿比为1颐1、2颐1、3颐1、4颐1和1颐2,相应的一个干湿周期分别为2、3、4、5和3d时,SIS去除铵氮的启动情况(图2)。从去除机理来看,SIS中铵氮的脱除过程属生化反应,因此,铵氮的启动周期参照均匀混合型反应器的判断,即为出水稳定1周左右(张笑一等,2006)。由图2可以看出,在进水铵氮浓度30~37郾5mg·L-1,水力负荷0郾08m3·(m-2·d)-1的条件下,干湿比1颐2、1颐1、2颐1、3颐1和4颐1时,系统铵氮的启动周期分别为30、30、27、20和19d。启动初期铵氮的去除效果不理想,这可能是由于生物膜在系统启动初期正处于形成阶段。污水经过渗滤基质时,微生物吸附污水中溶解性和胶体有机物并将其氧化分解,生物膜不断成熟。干湿比为1颐2、1颐1和2颐1时,系统运行不稳定,启动缓慢。其原因可能是干化时间较短,好氧环境未能恢复或图2摇不同干湿比时系统的启动情况Fig.2摇Start鄄upperiodatdifferentwet/dryratio恢复效果较差,使得在下一运行周期时硝化作用受到抑制。而当干湿比增加至4颐1,启动周期与3颐1时相比变化不明显,原因可能是进水中的氮污染物在3d的干化时间内大部分已被氧化去除,即使再延长干化时间增加了基质的含氧量,但氮源的匮乏一定程度上抑制了