摘要:以渗透性能良好的天然砂作为主要渗滤介质建立人工快速渗滤系统处理生活污水 ,在东莞华兴电器厂进行了为期 1a的中试工程试验研究。结果表明 ,在不 <1m d的水力负荷条件下 ,人工快速渗滤系统对生活污水具有较强的抗冲击负荷能力和较好的污染物去除效果 ,其对SS、CODCr 和BOD5的平均去除率分别为 94 14 %、91 99%和94 4 4 % ;处理出水中SS、CODCr、BOD5、NH3 N及LAS的平均浓度分别为 4 0 6、2 3 2 0、9 0、5 16和 0 2 6mg L。采取间歇性淹水 落干的运行方式 ,并结合反冲洗 ,提高了CRI系统的水力负荷 ,改善了污染物去除效果 ,增强了其实用性。

关键词:生活污水,天然砂,人工快渗,运行方式,处理效果

引言

污水快速渗滤土地处理系统 (简称RI系统 )虽然具有设备简单、操作管理方便、投资和运行管理费用低以及净化效果好等优点 ,但同时也具有水力负荷低、占地面积大等缺点 ,从而使其在我国的应用受到了限制。为克服RI系统水力负荷低的缺点 ,提出了采用渗透性能较好的天然砂等代替天然土层营建污水处理系统的方案 ,并将这种处理系统命名为人工快速渗滤系统 (ConstructedRapidInfiltration ,简称CRI)。通过室内试验和现场试验 ,对如何提高CRI系统的水力负荷和污染物去除效果等关键问题进行了详细研究 ,并得出了两条主要结论 :(1)通过缩短水力负荷周期 ,加大系统淹水 落干的频率 ,可以明显提高CRI对CODCr、BOD5、NH3 N和LAS等的去除效果[1] ;(2 )采用过滤 (人工石英砂 )和渗滤 (河流冲积砂 )建立复合系统 ,可以大大提高CRI的水力负荷 ,并保证系统稳定运行[2 ] 。

试验研究与实际工程不同 ,试验研究成果应用于实际能否获得预期结果 ,须通过工程运行来检验。将CRI应用于华兴电器厂生活污水处理工程中 ,处理水量为200～300 m3Pd ,厂区总排放口2001 年6 月16 日水质分析结果见表1。

2 　工程设计
211 工艺流程
根据华兴生活污水特征和处理出水水质要求,结合室内试验和现场试验研究成果,本着投资省、能耗低、操作管理方便和合理布局的原则,设计工艺流程见图1。

212 　工程设计依据及参数选择
主要装置及工艺参数如下:
(1) 预沉调节池　有效体积约200 m3 ,位于地平面以下。室内试验研究结果表明,由预沉产生的对生活污水SS 去除效果主要体现在前12 h。该工程设计预沉调节池的有效体积为200 m3 ,主要考虑工厂的发展,即便工厂排污量增至400 m3Pd ,污水在预沉调节池中的停留时间仍可达12 h。
(2) 过滤池　面积约10 m2 ,高118 m ,位于地面上。下部015 m 为集水层,其中布置集水管(兼作反冲洗进水管) ,滤层厚1 m。过滤池主要是根据室内复合系统试验研究结果而设计,其作用主要是降低水中的SS ,降低快渗池的污染物负荷,从而保证系统稳定运行。
(3) 配水池　有效容积约815 m3 。在此安装1 套自控配水装置。配水池的设计主要是为了实现快渗池间歇性布水。
(4) 快渗池　根据系统进水水量、进水浓度和系统处理出水水质要求,结合试验运行情况,该工程设3 个快渗池,单个渗池面积为6617 m3 ,滤层厚118 m ,下部集水层厚015 m ,保护高013 m ,半地埋式。3 个快渗池单独运行。
(5) 清水池　有效容积约50 m3 ,埋于地下。清水池容积的设计主要依据工厂每天用于浇花、洗车和冲厕等所需的水量。
213 　渗滤介质
该工程选用2 种渗滤介质,过滤池中的渗滤介质为大理石砂,基本上为等粒,粒径为019 mm;3 个快渗池中的渗滤介质均为河流冲积砂,并均混入少量大理石砂。河流冲积砂的粒径分别为: > 20、20～2、2～015、015～0125、0125～01075、< 01075 mm ,相对应的含量分别为312 %、2711 %、5116 %、1013 %、618 %、110 %。其有效粒径( d10 ) 和不均匀系数(Cu) 分别为0131 mm 和4158。
3 　工程运行与水质净化效果
2001 年11 月26 日工程施工结束,27 日开始淹水试运行,11 月27 日～12 月16 日系统边运行边调试,12 月17 日开始,系统正式运行,即过滤池和配水池的运行均由自控装置控制,单个快渗池的运行方式为:间歇性淹水2 d ,落干4 d。3 个快渗池交替运行。从2001 年11 月27 日～2002 年11 月27 日,工程运行12 个月,过滤池根据运行情况,进行不定期反冲洗;3 个快渗池经12 个月的运行,经测定其入渗速率基本没有变化。
在系统运行过程中,对系统的进水和出水水质进行了6 次系统监测, 结果见表2。

结果表明, 在不< 1 mPd的水力负荷条件下(此值约为RI 系统水力负荷上限值的215 倍) ,人工快速渗滤系统对生活污水具有较好的污染物去除效果,其对SS、CODCr 和BOD5的平均去除率分别为94114 %、91199 %和94144 %;处理出水SS、CODCr 、BOD5 、NH32N 及LAS 的平均浓度分别为4106、23120、910、5116 和0126 mgPL ,均达到了污水综合排放标准(GB897821996) 城镇二级污水处理厂一级排放标准,这5 项指标同时也达到了生活杂用水水质标准(CJ2511289) 和再生水回用于景观水体的水质标准(CJPT9522000) 。
4 　讨论
在本工程运行过程中,由于工厂总排污口的污水浓度和水量均很不稳定,因此,无法评价预沉调节池对污染物的处理效果。但污水在预沉调节池中的停留时间一般不低于12 h ,其出水水质相对较稳定。为进一步讨论过滤池和快渗池的作用,对过滤池的出水水质也进行了系统监测,其结果见表3 (其中,SS 为6次分析结果的平均值;CODCr 和NH32N 为4 次分析结果的平均值) 。

在CRI 系统中,当进水中颗粒状有机物浓度较高时,在系统快渗池的表层渗滤介质中,由于截留和吸附作用,很容易产生颗粒有机物的积累,从而引起渗池表层介质堵塞,影响系统正常运行。在东莞华兴电器厂污水处理工程中,过滤池就是针对这一问题而设计的。过滤池的作用主要有4 个方面:
(1) 有效降低进水SS 浓度,防止快渗池堵塞,提高系统水力负荷。从表3 可知,调节池出水经过滤处理之后,其SS 浓度降低了37169 %。被过滤池截留的SS ,通过反冲洗将其返回到调节池中,使其在调节池中完成水解过程。这一措施有效地减缓了SS 在快渗池中的积累,避免了由于颗粒状有机物的过度积累而造成的快渗池堵塞,从而保证系统在较高的水力负荷(115 mPd) 条件下稳定运行。
(2) 降低快渗池的污染物负荷,改善系统出水水质。从表3 可知,过滤池对CODCr 的去除率为42127 % , 其中绝大部分为颗粒CODCr 。在系统运行过程中,由于污水在过滤池中的渗透速率大,停留时间短,因此,过滤池对污染物的去除机理主要是机械过滤。但是,随系统的运行,过滤池中介质表面也会发育成熟生物膜,因此,过滤池中微生物对有机污染物的分解作用也不容忽视。很显然,污水经过滤池处理之后,其污染物浓度得到了明显降低,从而保证快渗池的出水水质。
(3) 增强系统抗负荷冲击能力。图2 是过滤池进水和出水CODCr浓度随时间曲线,从图中可以看出,过滤池的进水浓度波动较大,而其出水浓度相对较稳定,从而保证了快渗池具有稳定的出水水质。

(4) 提高系统的总污染物去除效率。总之,过滤池的引入,可以有效减缓SS 在快渗池中的积累、提高系统的水力负荷、增强系统抗负荷冲击能力和改善系统出水水质。
但是,从表3 也可以看出,过滤池并不能完全去除污水中的SS ,其对SS 的去除率只有37169 % ,污水中大部分SS 的去除仍是由快渗池来完成的。因此,系统经长期运行,快渗池中仍会产生SS 的积累。为解决这一问题,CRI 采取淹水和落干交替进行的方式运行。有机污染物在淹水期被积累,在落干期被氧化、分解,从而保证系统稳定运行[3 ] 。不过,这种运行方式与RI 系统的淹水2落干方式不同,RI 系统的淹水期一般为1～3 d。这种淹水期较长的运行方式有2 个缺点:一是不利于系统复氧,不利于充分发挥系统的污染物去除潜力[1 ] ;二是当系统的水力负荷较高且污染物浓度较高时,渗滤介质对污染物的吸附很容易达饱和,从而影响系统的出水水质。东莞华兴电器有限公司污水处理工程快渗池的运行方式实质上是间歇性淹水2落干,这种运行方式具有如下特点:
(1) CRI 系统的复氧状况对系统的污染物去除效果至关重要,它直接影响到系统内有机污染物的好氧生物降解及硝化作用的进行。室内试验和现场试验研究均表明,通过缩短CRI 系统的水力负荷周期,加大系统淹水2落干频率,可以提高系统的复氧效率,加大系统的复氧量,从而提高系统的污染物去除效率。
东莞华兴电器厂污水处理工程的运行方式为间歇性淹水2落干,在其间歇性淹水的2 d 时间内,由于配水池的有效容积为815 m3 ,按每天处理水量200 m3 ,系统24 h 连续运行,则配水池每天投配污水约24 次。这种运行方式明显加强了由空气的对流作用对系统的复氧,提高了CRI 系统对污染物的去除效果[4 ] 。
(2) 为提高水力负荷,CRI 系统一般采用粗砂作为渗滤介质,这种渗滤介质尽管渗透性能好,但其阳离子交换容量小,其对污染物的吸附很容易达饱和,并产生污染物穿透现象[5 ] 。因此,如果系统的淹水期过长或系统一次性投配的污水量过大,则很容易产生由于系统渗滤介质对污染物的吸附达饱和,而产生污染物穿透现象。高频率间歇性淹水的方式正好解决了这个问题。其原因主要有两个方面: (a) 由于单位时间内污水投配次数多,一次性投配的污水量少(即减少了每次投配的污染物负荷) ,使渗滤介质对污染物的吸附还未达饱和,便开始落干,从而避免了CRI系统由于其渗滤介质的吸附容量小而导致污染物穿透现象的产生; (b) 由于系统落干频率高,系统的复氧效果好,加强了系统内有机污染物的好氧生物降解及硝化作用的进行,有利于系统吸附容量的恢复,从而提高了系统的污染物去除效率。由此可见,高频率间歇性淹水的方式克服了CRI系统由于其水力负荷和污染物负荷高而容易产生污染物穿透现象这一缺点。
(3) 有机污染物在淹水期积累、在落干期被氧化降解是CRI 系统的重要特征。由于颗粒状有机物不能直接被微生物吸收利用,其氧化、分解需要一定的时间,因此,在淹水期积累的有机污染物主要是颗粒状有机物,这些物质主要聚集在渗池的浅表层介质中。此外,采取高频率间歇性淹水的方式,系统的复氧效果好,有利于渗滤介质中好氧生物膜的生长。因此,当快渗池间歇性淹水一段时间后,由于颗粒状有机物的积累和生物膜的快速生长,快渗池表层介质的渗透速率会逐渐下降,甚至影响系统的水力负荷。针对这一问题,东莞华兴厂污水处理工程单个渗池采取间歇性淹水2 d ,落干4 d 的方式运行。这种运行方式利用4 d 落干时间来分解积累的有机物质以及更新生物膜,从而保证系统在较高水力负荷条件下稳定运行。
通过以上讨论可知,东莞华兴电器厂污水处理工程采用间歇性淹水2落干的运行方式,并结合反冲洗,避免了CRI 系统由于其水力负荷和污染物负荷高而产生污染物穿透现象的发生,基本上解决了CRI 系统的堵塞问题,提高了CRI 系统的水力负荷,明显增强了其实用性。
5 　工程投资与运行费用
人工快速渗滤系统工程基建费用与很多因素有关,如地形条件,地层结构,进水水质情况,出水水质要求以及外观要求等,因此,视具体情况的不同有很大差异,但与常规二级污水处理厂相比,其基建投资费用要低得多,特别是当处理小流量污水时,更能显示出人工快速渗滤系统的实用性。人工快速渗滤系统的运行管理费用特别低,其主要由3 部分组成:
(1) 电费　从工艺流程图中可知,本污水处理工程的电费仅包括一级污水提升费用。
(2) 人工管理费　人工快速渗滤系统的运行仅需简单的人工操作,本污水处理工程中需人工操作部分包括: (a) 2 d 1 次快渗池交替运行,此项工作很简单,即开1 个阀门和关1 个阀门,1 个人1 min 即可完成;(b) 格栅和隔油池不定期清污;(c) 过滤池不定期反冲洗。
(3) 系统维修和维护费　人工快速渗滤系统在运行过程中需维修和维护的设备很少,主要包括配电柜、污水提升泵、水位控制器及少量管路和水阀。。
6 　结论
(1) 在不< 1 mPd 的水力负荷条件下,CRI 系统对生活污水具有较好的污染物去除效果,处理出水SS、CODCr 、BOD5 、NH32N 和LAS 均达到了污水综合排放标准(GB897821996) 城镇二级污水处理厂一级排放标准、生活杂用水水质标准(CJ2511289) 和再生水回用于景观水体的水质标准(CJPT9522000) 。
(2) 从RI 系统淹水2落干运行方式到CRI 系统间歇性淹水2落干运行方式的转变,避免了CRI 系统由于水力负荷和污染物负荷高而产生污染物穿透现象的发生,基本上解决了CRI 系统的堵塞问题,从而保证系统在较高的水力负荷条件下稳定运行。
(3) CRI 系统是一种操作简单、运行管理方便、低能耗、低投资和低运行管理费用的污水处理系统。（北京科技大学）