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作者：張毅

   針對(duì)農(nóng)村生活污水流量小、濃度高、單一溝渠流動(dòng)性差及傳統(tǒng)污水處理方法效果不佳等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)出一種低能耗、投資少、維護(hù)簡(jiǎn)便、易于推廣的新型生態(tài)污水處理溝渠——跌水復(fù)氧式溝渠。首先，將農(nóng)村現(xiàn)有廢棄溝渠作為污水處理的主要構(gòu)筑物；同時(shí)鋪設(shè)填料作為基質(zhì)加強(qiáng)溝渠去污能力；進(jìn)而通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化跌水坡度和高度等工程參數(shù)，來(lái)提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，以期為中部水網(wǎng)區(qū)示范工程建設(shè)提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1材料與方法

l.l試驗(yàn)裝置及工藝簡(jiǎn)介

 試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室裝置來(lái)模擬多級(jí)跌水復(fù)氧式溝渠，見(jiàn)圖l，自左向右共分為5個(gè)部分串聯(lián)，分別為平流I區(qū)，跌落I區(qū)，平流Ⅱ區(qū)，跌落Ⅱ區(qū)，平流Ⅲ區(qū)。其中各個(gè)部分均為透明的有機(jī)玻璃加工而成的敞口放置的長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)1 000 mm、寬80 mm、高100 mm，其中每個(gè)部分均設(shè)置進(jìn)水配水區(qū)和出水區(qū)，進(jìn)水配水區(qū)和出水區(qū)的長(zhǎng)寬高分別為：50 mm、80 mm、100 mm。填料分別鋪設(shè)在進(jìn)水配水區(qū)和出水區(qū)之間，底部鋪設(shè)10-20 mm的礫石，起承托支撐作用。在礫石上方鋪設(shè)蛭石填料約50 mm，礫石和蛭石之間用透水性好的土工布隔開(kāi)，以防止二者相互摻混。經(jīng)過(guò)多級(jí)跌水復(fù)氧，污染物大部分轉(zhuǎn)變成易降解的有機(jī)物或者小分子的物質(zhì)得以去除，去除部分N、P、COD等污染組分，同時(shí)借助生長(zhǎng)在蛭石上的微生物對(duì)有機(jī)污染物的降解來(lái)達(dá)到進(jìn)一步凈化污水的目的。

1.2試驗(yàn)填料與水質(zhì)的選擇

試驗(yàn)采用蛭石作為主要滲濾基質(zhì)。蛭石是一類結(jié)構(gòu)單元層為2:1型、層間具有水分子及可交換性陽(yáng)離子的層狀鎂（或鋁）硅酸鹽黏土礦物，具有較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附能力。蛭石經(jīng)高溫焙燒，其體積可迅速膨脹2-20倍，生成一種質(zhì)地疏松的膨脹蛭石，其具有體輕、隔熱、防火、吸水等性能，被廣泛用作保溫、隔熱和耐熱材料，不溶于水，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)毒無(wú)味，無(wú)副作用，具有較好的同步脫氮除磷性能。

    試驗(yàn)用水為根據(jù)湖北省武漢市黃陂農(nóng)村地區(qū)生活污水污染物濃度配制的模擬污水，使用自配污水的優(yōu)點(diǎn)是水質(zhì)穩(wěn)定且易于控制。試驗(yàn)用葡萄糖提供COD，氯化銨提供NH4+-N，尿素提供有機(jī)氮，磷酸二氫鉀提供TP，進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表1。

1.3靜態(tài)吸附試驗(yàn)

    采用靜態(tài)吸附試驗(yàn)研究膨脹蛭石對(duì)NH4+-N和TP的靜態(tài)吸附性能。

    將500 mL -定濃度的NH4CI和KH2P04溶液置于燒杯中，加入一定量的蛭石，在25℃下以10 r/min的轉(zhuǎn)速分別振蕩一定時(shí)間，定時(shí)取一定量的水樣，用濾膜過(guò)濾，測(cè)定濾液中NH4+-N和TP的含量，并計(jì)算蛭石在不同吸附時(shí)間對(duì)NH4+-N和TP的吸附量。

1.4試驗(yàn)方法

    水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定均采用國(guó)標(biāo)分析法，其中COD采用標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀法測(cè)定；NH4+-N采用納氏試劑分光光度法GB7479^-87測(cè)定；TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法GBll894-89測(cè)定；TP采用鉬酸銨分光光度法GBll893-89測(cè)定；溶解氧采用YSID0200溶解氧測(cè)定儀測(cè)定。

2結(jié)果與分析

2.1填料吸附性能的影響研究

2.1.1  時(shí)間對(duì)蛭石吸附量的影響

    蛭石對(duì)NH4+-N和TP的吸附量隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖2，可以看出，蛭石對(duì)NH4+-N和TP的吸附量在吸附初期隨時(shí)間增大而快速增大，到了吸附后期，吸附速率減少，吸附變緩，直至吸附達(dá)到平衡，平衡時(shí)蛭石對(duì)NH4+-N和TP的單位吸附量分別為3.269、1.635 mg/g。

2.1.2初始濃度對(duì)蛭石吸附量的影響

    蛭石對(duì)NH4+-N和TP的吸附量隨初始濃度的變化見(jiàn)圖3。結(jié)果表明，NH4CI溶液和KH2P04溶液的初始濃度對(duì)填料的單位吸附量有較大的影響，隨著初始濃度的升高，填料單位吸附量也明顯增大。

2.1.3 NH4+-N和TP吸附動(dòng)力學(xué)

    吸附動(dòng)力學(xué)模型主要有準(zhǔn)一級(jí)模型、準(zhǔn)二級(jí)模型、w-m動(dòng)力學(xué)模型及和Bangham孔道擴(kuò)散模型，可根據(jù)其擬合出的動(dòng)力學(xué)方程估算某時(shí)刻的吸附量和達(dá)到平衡吸附量所需的時(shí)間。

    準(zhǔn)一級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型為：

    準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型為：

w-m動(dòng)力學(xué)模型為：

    Bangham吸附動(dòng)力學(xué)模型為：

    式(1)~(4)中：qe和gt分別為平衡時(shí)和t時(shí)刻的吸附量（mg/kg）；f為吸附時(shí)間(min)；k1與k2分別為準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)吸附速率常數(shù)；k。和C分別為w-m模型的常數(shù)；n和k4皆為Bangham公式的常數(shù)。

    用式(1)~(4)4種吸附動(dòng)力學(xué)模型對(duì)NH4+-N和TP的吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表3。

    由表2可知，準(zhǔn)一級(jí)模型和準(zhǔn)二級(jí)模型均較好描述蛭石對(duì)NH4+-N和TP的等溫吸附動(dòng)力學(xué)特征，R2都達(dá)到了0.97以上。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)對(duì)蛭石吸附氨氮的擬合要優(yōu)于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)，這說(shuō)明化學(xué)吸附機(jī)制對(duì)蛭石吸附NH4+-N和TP過(guò)程的控制要強(qiáng)于擴(kuò)散機(jī)制的控制。w-m模型中C≠0說(shuō)明內(nèi)擴(kuò)散不是控制吸附過(guò)程的唯一步驟。而B(niǎo)angham吸附動(dòng)力學(xué)模型對(duì)NH4+-N和TP的擬合系數(shù)分別為0.897 8和0.909，不能較好地表示實(shí)際吸附情況，即孔道擴(kuò)散過(guò)程不是主要的；填料的吸附過(guò)程一般分為吸附劑表面吸附和孔道緩慢擴(kuò)散2個(gè)吸附過(guò)程，說(shuō)明蛭石對(duì)NH4+-N和TP的吸附以表面吸附為主。

2.2跌水高度對(duì)水體復(fù)氧的影響

    實(shí)驗(yàn)設(shè)定5個(gè)跌水高度，分別為25 cm、30 cm、35 cm、40 cm、45 cm，測(cè)得跌水高度對(duì)氧虧率的影響如圖4。由圖4知，隨著跌水高度的增加，氧虧率呈上升趨勢(shì)。這與李杰等的研究結(jié)果一致，在他的研究結(jié)果中跌水高度越高越有利于復(fù)氧，這是因?yàn)榈�水高度越高，跌水時(shí)間就越長(zhǎng)，水與空氣的接觸時(shí)間也就越長(zhǎng)，因此復(fù)氧量也就越大，即氧虧率越大。當(dāng)?shù)�水高度超過(guò)35 cm后，氧虧率的上升趨勢(shì)變緩，因此，本工藝選用的跌水高度為35 cm。

2.3跌水坡度對(duì)工藝的影響研究

    當(dāng)溝渠坡度分別為0.05、0.10、0.15、0.2時(shí)對(duì)進(jìn)出水進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析。用測(cè)得的出水污染物濃度與進(jìn)水污染物濃度來(lái)計(jì)算去除率，各污染物去除率與坡度的關(guān)系如圖5所示。

    由圖5可知，跌水坡度=0.10時(shí)，COD、NH4+-N、TN和TP的去除率均較高，說(shuō)明該坡度有利于各個(gè)污染物的去除。該坡度去除率高的原因是坡度太小時(shí)，污水在溝渠內(nèi)流動(dòng)性差，溶解氧不足，好氧微生物活性降低，從而導(dǎo)致凈化效果差。反之，坡度太大時(shí)，污水在溝渠內(nèi)的流速過(guò)快，污水不能與填料充分接觸，而且坡度太大會(huì)導(dǎo)致溝渠前半段填料干涸，微生物無(wú)法生長(zhǎng)，浪費(fèi)了溝渠前部的填料。

2.4多級(jí)跌水復(fù)氧式溝渠的處理效果研究

為模擬農(nóng)村污水不均勻的排放特征，系統(tǒng)以波動(dòng)進(jìn)水方式運(yùn)行，將進(jìn)水時(shí)間延長(zhǎng)至連續(xù)的12 h，水力負(fù)荷在一定范圍內(nèi)波動(dòng)變化，其余時(shí)間落干，設(shè)定不同時(shí)間的進(jìn)水負(fù)荷如圖6所示，經(jīng)取樣測(cè)定，各污染物的去除率見(jiàn)圖7。

    由圖7可知，由于農(nóng)村地區(qū)污水排放不均勻，在水量上存在著較大的波動(dòng)，從而導(dǎo)致污染物的去除率也隨之變化。研究表明，COD、NH4+-N、TN、TP的最大去除率分別為94.38%、81.26%、77.28%和85.99%，其中COD的去除率降幅最大，最大降幅接近20%；NH4+-N和TP去除率的降幅接近，約為15%；TN的去除率最大降幅最小，約在l0%左右�？傮w來(lái)看，污染物的去除率在水量變大時(shí)呈現(xiàn)出急劇下降的趨勢(shì)，隨后逐漸恢復(fù)到先前的水平。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，主要是因?yàn)樗�量的變化在一定程度上改變了污染物的�?fù)荷，而微生物需要一定的時(shí)間來(lái)適應(yīng)這種變化，該過(guò)程與微生物的馴化過(guò)程類似。此外，隨著進(jìn)水時(shí)長(zhǎng)的增加，溝渠中的填料下層可能會(huì)發(fā)生局部厭氧或者水流短路的情況，從而導(dǎo)致污染物的處理效果變差。

3結(jié)論與思考

    跌水復(fù)氧式溝渠工藝是利用農(nóng)村現(xiàn)有的廢棄溝渠作為污水處理的主要構(gòu)筑物，是一種低能耗、投資少、維護(hù)簡(jiǎn)便、易于推廣的新型生態(tài)污水處理方法。

    (l)蛭石對(duì)NH4+-N和TP的吸附量在吸附初期隨時(shí)間增大而快速增大，到了吸附后期，吸附速率減少，直至吸附達(dá)到平衡，平衡時(shí)蛭石對(duì)NH4+-N和TP的單位吸附量分別為3:269 mg/g，1.635 mg/g。此外，NH4CI溶液和KH2P04溶液的初始濃度對(duì)填料的單位吸附量有較大的影響，隨著初始濃度的升高，填料單位吸附量也明顯增大。

    (2)準(zhǔn)一級(jí)模型和準(zhǔn)二級(jí)模型都能較好地描述蛭石對(duì)NH4+-N和TP的等溫吸附動(dòng)力學(xué)特征，并且化學(xué)吸附機(jī)制對(duì)蛭石吸附NH4+-N和TP過(guò)程的控制要強(qiáng)于擴(kuò)散機(jī)制的控制。w-m模型說(shuō)明內(nèi)擴(kuò)散不是控制吸附過(guò)程的唯一步驟。而B(niǎo)angham吸附動(dòng)力學(xué)模型不能較好的表示實(shí)際吸附情況，即孔道擴(kuò)散過(guò)程不是主要的。說(shuō)明蛭石對(duì)NH4+-N和TP的吸附以表面吸附為主。

    (3)跌水高度為35 cm時(shí)能達(dá)到較為理想的復(fù)氧效果。

(4)跌水坡度=0.10時(shí)有利于污染物的去除。

(5)研究表明由于農(nóng)村地區(qū)污水排放不均勻，在水量上存在著較大的波動(dòng)，從而導(dǎo)致污染物的去除率也隨之變化。其中COD、NH4+-N、TN、TP的最大去除率分別為94.38%、81.26%、77.28%和85.99%，出現(xiàn)這種波動(dòng)現(xiàn)象的原因，主要是因?yàn)樗�量的變化在一定程度上改變了污染物的�?fù)荷，而微生物需要一定的時(shí)間來(lái)適應(yīng)這種變化，該過(guò)程與微生物的馴化過(guò)程類似。此外，隨著進(jìn)水時(shí)長(zhǎng)的增加，溝渠中的填料下層可能會(huì)發(fā)生局部厭氧或者水流短路的情況，從而導(dǎo)致污染物的處理效果變差。

4摘要：采用五級(jí)跌水復(fù)氧式溝渠工藝，并通過(guò)溝渠填料選擇、跌水坡度和高度優(yōu)化等試驗(yàn)，以期提高系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性。結(jié)果表明：蛭石對(duì)NH4+-N和TP的吸附量隨時(shí)間先快速增大至變緩直至平衡，平衡時(shí)蛭石對(duì)NH+-N和TP的吸附量分別為3.269、1.635mg/g。通過(guò)蛭石吸附動(dòng)力學(xué)模型擬合得出蛭石對(duì)NH。+-N和TP的吸附以表面吸附為主跌水是改善溝渠系統(tǒng)溶解氧狀況的有效措施之一，跌水高度為35 cm時(shí)能達(dá)到較為理想的復(fù)氧效果；同時(shí)坡度=0.10時(shí)有利于污染物的去除；處理裝置的監(jiān)測(cè)表明，COD、NH4+-N、TN

和TP的最大去除率分別為94.38%、81.26%、77.28%和85.99%，出水水質(zhì)可達(dá)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GBl8918-2002)-級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。