用土壤含水层处理系统去除水库微污染有机物的试验研究

水利学报2005年9月SHUILIXUEBAO第36卷第9期1文章编号:0559-9350(2005)09-1083-05用土壤含水层处理系统去除水库微污染有机物的试验研究郑艳侠1，冯绍元1，蔡金宝2，黄炳彬2(1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083；2.北京市水利科学研究所，北京100044)摘要:本文针对当前中国饮用水源污染以微污染为主的特点，以北京三家店水库原水和永定河河道砂为研究对象，设计了用于表征土壤含水层处理系统的一维土柱，进行污水净化效果的试验研究。结果表明，土壤含水层处理系统对三家店水库微污染水中的有机物有一定的去除效果，在0.12m/d的水力负荷条件下，对CODMn去除率虽然仅为15%，但是出水达到了地表水Ⅱ类水质标准；对BOD5的去除率达到了55%，可以被有效地去除。渗透速率相同时，水力负荷周期对去除效果的影响不明显，但在保证一定水力负荷的情况下，可适当延长落干期，恢复土壤的渗透能力，达到较好的处理效果。同时，土壤含水层处理系统的净化能力主要发生在土层50cm以内。关键词:土壤含水层处理系统；微污染原水；有机物；试验中图分类号:X524文献标识码:1试验的意义微污染水一般是指由于工业、农业和生活等方面产生的污水未经适当处理而排入供水水源使水质受到污染的水，水质污染以氨氮和有机物等指标昀为突出[1]。随着我国经济发展和城市人口的日益集中与增加，众多河流受到污染，成为微污染水，丧失了饮用水水源的功能和作用[2]。在当前水资源严重短缺的形势下，微污染原水仍将是重要水源，然而采用微污染水将使得水厂的处理成本加大，因此应采取必要的措施对微污染水进行预处理。根据微污染水的水质特点及供水水质的要求，国内外提出了各种微污染原水的给水处理工艺，其中清华大学王占生教授提出的接触氧化法处理微污染水效果良好，但运行费用较高[3]。而土壤含水层处理系统不需要很多的日常操作和维护，不需要地表存储设施。出水水质好，对有机物和氨氮有较好的处理效果，处理费用低[4]。随着水资源短缺形势的日益严重和污水回用研究的广泛开展，在新的经济、环境条件下迫切需要对土壤含水层处理技术进行深入研究。土壤含水层处理系统(SoilAquiferTreatment，SAT)是污水土地处理系统之一[5]。其对污水的净化机制是，污水在包气带及潜水层流动时，借助于发生在土壤和浅部含水层中的物理、化学和生物作用，使污染物通过吸咐、微生物降解、沉淀及其它化学反应去除，昀终达到污水净化的目的。土壤含水层对有机物和氨氮的去除可以不断地进行下去，土壤含水层相当于一个由好氧、缺氧、厌氧组合的生物反应器[6]。国外这方面的研究比较多，而且其目标不仅仅放在轻微污染的地表原水[7]，对中水进行处理以达到饮用水标准也在其研究范围内，而且也有实际工程运行[8]。这种技术目前在我国主要用于污水处理，应用于微污染原水的给水预处理，2001年前尚未见有人进行研究[9]。但近年来，随着地下水回灌的研究逐渐增多，土壤含水层系统处理微污染河水的研究也受到了重视，但是尚处于起步阶段，许多方面还有待进一步研究。收稿日期:2004-11-25基金项目：科技部、水利部重大科技项目；北京市“二四八”重大科技攻关项目(9550610400)作者简介：郑艳侠(1976-)，女，河北承德人，博士生，主要从事水资源与水环境研究。水利学报2005年9月SHUILIXUEBAO第36卷第9期2官厅水库曾是北京市重要的饮用水水源地，由于受上游及库区周边地区排放大量污染物的影响，水库水质不断下降，常年水质在Ⅳ～Ⅴ类之间，逐渐失去了供水功能，被迫于1997年退出饮用水供水系统。因此，研究恢复官厅水库微污染水供水功能的水处理技术就显得尤为必要。本文主要是根据土壤含水层处理系统的工作原理，设计其相应的室内土柱，以北京三家店水库原水为对象，以水库河道的现状土壤为含水层渗滤介质，进行相应的实验，探讨土壤含水层处理系统去除微污染有机物的效果。2材料与方法2.1实验装置实验在图1所示的模拟土柱中进行。实验土柱采用直径为15cm的有机玻璃柱，高100cm。滤料高90cm，在土柱的上部留下5cm作为淹水水头空间，在土柱的底部均装以5cm厚的砾石层，以便于排水。沿土柱高设置取样孔(土体表面以下10cm、30cm、50cm和70cm)，通过陶土头来收集样品。实验土柱采用原水由上部进入，底部出水口排出。实验设4个处理，2组重复，水力负荷周期有所不同，各柱水力负荷周期形式见表1。表1各实验土柱水力负荷周期形式柱号时间1234淹水期/d落干期/d25232735图1实验装置示意2.2供试水样及土样实验期间三家店水库水质情况见表2，根据历年资料，三家店水库有机物浓度几乎常年超标，所以本实验只对CODMn和BOD5的去除效果进行了研究。土样采自拟建地下水回灌工程的北京市永定河三家店河道，土粒级配见表3。土样的不均匀系数Cu为21.15(Cu=d60/d10。其中d60为小于此种粒径的土的质量占总质量的60%；d10为小于此种粒径的土的质量占总土质量的10%，也称为有效粒径)，有效粒径为0.026mm，土壤详细的物理参数见表4。由于从野外取回的土壤样品含水率大体上处于风干到水分饱和状态之间，需要进行干燥。采用风干法干燥，过2mm筛，取通过2mm筛的土壤样品进行实验。实验前先将土壤样品进行湿润，使水分重分布，以获得均匀的初始含水率，按干容重1.55g/cm3分层装填，每3cm装填一层，层间打毛，并进行夯实，达到要求的厚度。表2实验期间三家店水库原水值(单位：mg/L)项目CODMnBOD5NNH−+4TNTPNNO−−3SS昀大值昀小值4.84.11.91.20.360.051.560.760.0380.0110.840.1942水利学报2005年9月SHUILIXUEBAO第36卷第9期3表3土粒级配砂粒/mm粉粒/mm黏粒/mm取样点～0.50.5～0.250.25～0.10.1～0.050.05～0.0050.005土壤名称永定河43.64%3.5%26.86%11.26%14.34%0.4%细砂表4土壤物理性质参数土壤名称取样深度/cm干容重/(g/cm3)孔隙度PH值细砂1001.550.307.802.3水样分析项目及方法化学需氧量(COD)采用高锰酸钾法(GB11892—89)；五日生化需氧量(BOD5)采用标准稀释法(GB7488—87)[10]。2.4实验过程实验分两阶段运行。第一阶段共21d，主要进行土柱中微生物培养，虽然微污染水源水中污染物的浓度很低，但有利于贫营养菌的生长繁殖，如：假单细胞菌、土壤杆菌、黄杆菌和纤毛菌等[11]。由于实验期间水温较高，采用了自然挂膜的方式，这样培养的细菌适应性强，不易被冲刷。21d后CODMn的去除率达到10%，认为系统挂膜成功[12]，可以进入正式运行阶段。第二阶段为正式运行阶段，按表1所示的水力负荷周期运行，每个土柱依照各自的水力负荷周期形式运行了5个周期，Fox等[13]将这种短期研究称为Short-termSAT。实验过程中，对各土柱的渗透速率进行了测定。本实验进水悬浮物浓度低，不易发生堵塞，同时又采用了淹水落干交替的运行方式，渗透速率在各个周期内得到了很好的恢复，故每个土柱的渗透速率基本保持一个定值。系统的水力负荷主要取决于介质的渗透性能和水力负荷周期，介质的渗透性能越好，其在单位时间单位面积上处理的水量就越大，相应的各土柱的渗透速率和水力负荷见表5。3结果与讨论3.1实验土柱对CODMn和BOD5的总体去除效果微污染原水中有机物的浓度较低，其本上属于国家《地表水环境质量标准》中规定的Ⅲ、Ⅳ类水体水质。对这种污染较轻的微污染水，本文研究了土壤含水层处理系统对微污染水的总体去除效果。图2为2号柱按照淹水2d/落干3d的水力负荷周期运行时，5个周期的CODMn进出水值和去除率；图3为2号柱按照淹水2d/落干3d的水力负荷周期运行时，5个周期的BOD5进出水值和去除率。从图中可能看出，在0.12m/d的水力负荷条件下，尽管CODMn的去除率只有15%左右，但是出水CODMn4mg/L，达到了《地表水环境质量标准》(GB38382002)中Ⅱ类水质标准；而BOD5的去除率达到了55%，BOD5能够被有效地去除。研究结果表明，土壤含水层处理系统对微污染原水中有机物有一定的去除效果，特别是BOD5能够被有效的去除。3.2不同水力负荷周期下CODMn和BOD5的去除效果图4为各土柱进出水CODMn值。从图中可以看出，对于不同的水力负荷周期，处理效果略有不同，表明水力负荷周期对系统的处理效果是有影响的，但是对于这种微污染水，其影响并不明显。在以相同的渗透速率运行时，去除率相对较高的是No1和No2，分别为16%和15%，其水力负荷周期依次为2d/5d和2d/3d。总的来说，在淹水时间相同的情况下，还是落干期较长的土柱出水效果好些。但不是落干时间越长越好，因为大部分氧气量在落干的前3d即可进入土柱，因此欲使土壤中的氧气量增多，采用短水力负荷周期(即加快淹水-落干的频次)要比采用长落干期更有效。一般情况下，间歇时间越长则土壤处理能力恢复得越好，其渗透速率也越大，但是间歇时间也不能无限延长，应水利学报2005年9月SHUILIXUEBAO第36卷第9期4同时考虑处理效率的处理负荷。图22号土柱进出水CODMn值及去除率图32号土柱进出水BOD5值及去除率图5为各土柱BOD5去除效果曲线。从图中可以看出，土壤含水层处理系统对微污染水中BOD5有很好的去除效果，平均去除率达到了55%。3.3土柱不同深度处CODMn的出水值实验过程中，在各土柱不同高度设置取样孔以取水样监测。各取样孔对应的滤层厚度分别为：土层表面为10cm、30cm、50cm、和70cm。2号柱和3号柱不同深度处出水CODMn值变化分别如图6、图7所示。虽然2号柱和3号柱的渗透速率不同，但是正如前面分析的，渗透速率对出水效果无明显影响。实验结果表明，对有机物净化主要发生在土层50cm以内，Bouwer等[14]及Amy等[15]对土壤含水层处理城市污水的研究也得出了类似结果。主要原因是表层土壤中微生物活性昀高。滤层厚度增加之后，系统对有机污染物的去除能力有所提高，但提高幅度不太明显。因此，在实际应用中，应充分考虑技术经济性，力求“性能价格比”的昀大化。图4各实验土柱进出水CODMn浓度图5各实验土柱进出水BOD5浓度图6No2土柱不同土层厚度CODMn出水值图7No3土柱不同土层厚度CODMn出水值水利学报2005年9月SHUILIXUEBAO第36卷第9期54结语通过室内土柱模型实验，证明了利用土壤含水层处理系统处理微污染有机物的可行性，且有一定去除能力。本实验在一定的水力负荷周期下，土壤含水层处理系统可达到良好的处理效果，在0.12m/d的水力负荷条件下，对CODMn去除率虽然仅为15%，但土柱出水CODMn浓度小于4mg/L，出水满足《地表水环境质量标准》(GB38382002)中Ⅱ类水质标准。渗透速率相同时，水力负荷周期对去除效果的影响不明显。但在保证一定水力负荷的情况下，可适当延长落干期，恢复土壤的渗透能力，以求达到较好的处理效果。土壤含水层处理系统的净化能力主要发生在土层50cm以内，所以在实际应用中，应充分考虑技术经济性，力求“性能价格比”的昀大化。由此可见，以土壤含水层处理系统作为给水的预处理，不仅效果好，而且处理费用低，主要费用是征地费和抽水动力费。处理水量在快速渗滤系统的负荷范围为0.016～0.356m/d。本实验中，由于砂土装填较密实，原水的渗透速率慢，不能完全反应实际的情况，所以水力负荷还需要根据野外实验现场情况确定。参考文献:[1]国家环保局.中国环境状况公报[R].北京：国家环保局，2002.[2]许建华，杨人隽，等.水的特种处理[M].上海：同济大学出版社，1989.[3]王占生，刘文君.微污染水源饮用水处理[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.[4]Herman.Roleofgro