污水的土壤渗滤法处理工艺运行与模拟研究

摘要

土壤渗滤法是一种充分利用土壤中的动物、植物、微生物以及土壤的物理、化学特性的污水就地处理技术。本课题通过现场试验与实验室模拟相结合,旨在研究不同工况条件下的运行效果,根据碳、氮、磷去除效果的影响因素和去除机理,建立反应动力学模型,并探讨最佳的工艺设计和运行条件,提出工艺运行中的保障措施。
　　 现场试验结果表明,土壤渗滤系统经过3个月的启动调试后逐渐成熟。“太阳能曝气-沉淀”的预处理工艺起到初步降解有机物的作用,其去除率低于35.2％。各工况条件下系统最终出水的化学需氧量(COD)浓度均小于40mgl-1,总去除率为50.6％～75.8％,其中水温是影响COD总去除率的一个主要因素。总磷(TP)、酚类和邻苯二甲酸酯类物质的去除率分别达到57.7％～100.0％、35.2％～100.0％和36.4％～59.6％。溶解氧提高为进水的1～3倍、UV254下降了13.5％～67.2％,有利于水生生物生存、繁衍以及生态系统的恢复。
　　 实验室试验结果表明,除温度的影响以外,复合土壤的组成及本身的理化性质、废水的水质情况、水力负荷、土壤层有效高度等都会影响碳、氮、磷的去除效果。其中,复合土壤本身的性质对COD和TP去除效果的影响最大;随着复合土壤碳氮比的增大,反硝化作用也会显著增强。废水的水质情况是影响总氮(TN)去除效果的最主要因素;而在高浓度COD和TP进水条件下,各自出水始终能够维持在较低范围内。水力负荷对COD和TP去除效果的影响不大;但是高水力负荷比低水力负荷对TN去除的影响更大。较高的水力负荷还会引起硝态氮(NO3--N)和亚硝态氮(NO2--N)出水浓度剧增,本研究中土壤渗滤系统的最佳水力负荷为8.0×10-1m3m-2d-1。0.50m的土壤层有效高度完全可以满足去除COD的需要;但并不足以保证完全的反硝化进程和TP的高效去除。另外,土壤渗滤系统对氨氮(NH4+-N)的吸附作用很强,去除率受到以上因素的影响很小。
　　 各污染物去除机理的研究表明,COD的降解包括非生物吸附和生物降解作用,其中非生物吸附过程满足Temkin吸附等温式,生物降解作用占COD总去除率的57.7％～71.9％。NH4+-N的非生物吸附和生物降解作用所占比重因进水浓度的高低而异;NO2--N的积累和不足均会影响硝化反应进程,其出水浓度应尽量控制在0.10mgl-1～0.25mgl-1范围内;土壤碳氮比是反硝化作用的限制性因素。TP的静态吸附过程满足Freundlich吸附等温式,氢氧化合物铁(Feo)的含量与TP去除率之间存在很大的相关性。
　　 以Eckenfelder一级反应动力学模型为基础,通过添加或修正温度、水力负荷、进水浓度、土壤层有效高度和复合土壤性质等影响因素项,建立COD、TN和TP的去除模型,可以预测土壤渗滤系统的出水水质,模拟值与实测值的误差可以分别控制在5mgl-1、5.0mgl-1和0.15nagl-1以内。从模型的角度分析,系统降解能力的极限值是决定COD去除率的关键,水力负荷对TN和TP出水浓度的影响很大。另外,通过对上述关键因素的调控,土壤渗滤系统对污染物的去除效果可以明显提高。