本发明属于农村污水处理
技术领域：
：，涉及一种多级土壤渗漏系统及其应用。
背景技术：
：我国广大农村人口居住分散，生活污水量小、收集困难、污染面广，处理效率低、缺乏专业技术人员。为此，农村生活污水应以就地处理为主，避免大规模管网建设、减少专业化管理维护，处理设施应具备运营管理简便、能耗低、能适应冲击负荷，能同步去除有机物和氮磷营养盐等特点。目前，农村生活污水多采用人工干预的生物生态技术，如：厌氧发酵技术、土地处理技术。厌氧发酵技术对氮磷去除效果差；土地处理技术是利用土壤、微生物、植物构成的生态系统对污染物进行综合处理，需占用大量土地、易造成地下水污染，且需定期收割处理生长的植物，否则会导致氮磷去除效果下降。开发环境可持续、易控制氮磷营养盐的技术至关重要。技术实现要素：针对农村生活污水的处理现状，本发明提供一种多级土壤渗漏系统及其应用。该系统是一种典型的利用土壤和微生物净化污水的方法，通过合理设计反应器构型，在反应器内合理构建载体填料，可以有效去除污水中的有机物和氮磷。其技术方案如下：一种多级土壤渗漏系统，采用有机玻璃板制作，无盖底部打孔，总开孔面积占底部面积的20％-30％，多级土壤渗漏系统底部先填充卵石层6，而后向上顺序依次交替填充沸石层7、铁屑层8、土壤模块层9，所述卵石层6、沸石层7、铁屑层8、土壤模块层9的层数分别为1-2层、2-4层、2-4层、2-4层，多级土壤渗漏系统超高60-90mm。进一步，所述多级土壤渗漏系统的规格为长×宽×高：450mm×250mm×700mm。进一步，所述打孔的孔径为5-8mm。进一步，所述卵石层6的层高为80-100mm，沸石层7的层高为40-60mm，铁屑层8的层高为5-10mm，土壤模块层9的层高为60-80mm。本发明所述多级土壤渗漏系统在处理农村生活污水过程中的应用。本发明的有益效果：本发明将多级土壤渗漏系统反应器设计为滴滤池结构(以解决系统堵塞问题)，在反应器内构建沸石渗滤层和以浅红壤和锯末为主的土壤模块层，并创新地在其间均匀摊铺铁屑，使多级土壤渗漏系统同时具有生物降解有机物和生物脱氮除磷功能。此外，多级土壤渗漏系统中的铁屑经过腐蚀作用转变为fe3+，易与po43-反应生成沉淀fepo4，进而去除污水中的磷。本发明公布了多级土壤渗漏系统处理农村生活污水的性能，包括多级土壤渗漏系统挂膜特征、进水水力负荷对多级土壤渗漏系统处理农村生活污水性能的影响、多级土壤渗漏系统系统对生活污水中有机物和氮磷的去除途径、以及多级土壤渗漏系统中生物膜的特征。附图说明图1为本发明多级土壤渗漏系统的实验装置结构示意图；图2为本发明多级土壤渗漏系统的结构示意图；图3为多级土壤渗漏系统挂膜前(a)后(b)生物膜的特征；图4为挂膜期间多级土壤渗漏系统出水cod、氨氮、tn、tp的变化，其中，图4a为cod、图4b为氨氮、图4c为tn、图4d为tp；图5为不同水力负荷条件下多级土壤渗漏系统对cod的去除；图6为不同水力负荷条件下多级土壤渗漏系统对氨氮的去除；图7为不同水力负荷条件下多级土壤渗漏系统对tn的去除；图8为不同水力负荷条件下多级土壤渗漏系统对tp的去除；图9为不同水力负荷条件下多级土壤渗漏系统(未填充铁屑)对tp的去除；图10为多级土壤渗漏系统稳定运行期间污水ph的变化；图11为多级土壤渗漏系统沿程高度溶解氧(a)和氧化还原电位(b)的变化规律；图12为多级土壤渗漏系统运行稳定期间沿程高度100mm(a)、200mm(b)、300mm(c)、400mm(d)处生物膜的特征；图13为多级土壤渗漏系统沿程高度生物量的变化规律；图14为多级土壤渗漏系统沿程高度cod(a)和氨氮(b)的变化规律；具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。1材料与方法1.1实验污水水质生活污水，cod215mg/l、氨氮45mg/l、总氮(tn)60mg/l、总磷(tp)5mg/l，污水ph为6.5。1.2实验装置如图1-图2所示，实验装置包括水箱1、水泵2、入水管3、收集水箱4和布水装置5，采用有机玻璃板制作，规格为450mm×250mm×700mm(长×宽×高)，无盖底部打孔(孔径8mm)，总开孔面积占底部面积的28％-30％(模拟滴滤池结构)，多级土壤渗漏系统底部先填充卵石层100mm，而后向上顺序依次交替填充沸石层(层高60mm)、铁屑层(层高10mm)、土壤模块层(层高80mm)，卵石层6、沸石层7、铁屑层8、土壤模块层9的层数分别为1层、4层、3层、3层，多级土壤渗漏系统超高90mm。实验所采用的沸石为来自浙江缙云的斜发沸石(理化性质如表1所示)；土壤模块由浅红壤和锯末按干重比85:15混合制成，其中浅红壤在使用前需破碎为粒径约2mm的颗粒，土壤模块的密度为1.32g/cm3。浅红壤中的有机质含量为16.3g/kg，黏粒含量为84.2％；铁屑来自于成都信息工程大学金工实习基地。表1天然沸石的理化性质table1physicochemicalpropertiesofthenaturalzeolite1.3实验运行方法生活污水通过水泵和布水设备布散于多级土壤渗漏系统内，处理出水由多级土壤渗漏系统底部的收集水箱和排水管道收集并排出。25±2℃条件下，启动多级土壤渗漏系统，采用连续进水的方式挂膜，初始进水为模拟生活污水与活性污泥的混合液(体积比为2:1)，接种污泥来自成都科雅污水处理有限公司，待肉眼观察到沸石填料颗粒之间被一些生物絮体围绕，进水由混合液调整为模拟生活污水。多级土壤渗漏系统挂膜期间，水力负荷保持为200l/(m2·d)。挂膜成功后，通过调整水力负荷，考察水力负荷对多级土壤渗漏系统处理生活污水性能的影响，实验过程中，多级土壤渗漏系统分别在300、400、500l/(m2·d)的进水水力负荷条件下稳定运行，并在每个水力负荷条件下稳定运行7d后对出水水质进行连续监测，每个水力负荷条件下连续监测14d。2结果与讨论2.1多级土壤渗漏系统的挂膜启动多级土壤渗漏系统挂膜前，多级土壤渗漏系统内的沸石填料显示出不规则空隙结构(图3a)，有利于微生物在其中生长，并形成生物膜。多级土壤渗漏系统启动运行7d后，肉眼可明显观察到原本表面清洁边界清晰的沸石填料表面逐渐变得粗糙模糊、色泽逐渐由灰白色变成土褐色，14d后，可清晰发现沸石填料表面生长有绒状生物膜(图3b)，表明多级土壤渗漏系统内初步形成了生物膜，能够对污水中的氨氮和有机污染物起到吸附、降解作用。第15d开始，进水由混合液调整为模拟生活污水，进水水力负荷为200l/(m2·d)，对多级土壤渗漏系统进出水水质进行连续收集和监测，结果如图4所示，随着运行时间的延长，污水中cod、氨氮、tn、tp去除率分别由15d时的40.2％、32.2％、23.1％、27.6％逐渐升高至28d时的84.5％、74.7％、66.7％、76.4％，这是由于多级土壤渗漏系统中微生物不断摄取污水中有机物、氮磷等生长繁殖所造成的。在此期间，肉眼观察到生物膜量逐渐增多，且生物膜颜色不断加深。挂膜最后阶段(28-35d)，cod、氨氮、tn、tp的去除率分别可达到85％、75％、68％、78％以上(出水cod浓度低于30mg/l、氨氮浓度低于10mg/l、tn浓度低于20mg/l、tp浓度低于1mg/l)，处理出水中cod、氨氮、tn、tp相邻两次监测结果的相对偏差均低于5％，说明多级土壤渗漏系统达到了稳定运行状态，也说明多级土壤渗漏系统达到了较好的挂膜效果。2.2水力负荷对多级土壤渗漏系统处理生活污水性能的影响2.2.1不同水力负荷条件下多级土壤渗漏系统对cod的去除如图5所示，多级土壤渗漏系统表现出较高的cod去除能力，不同水力负荷条件下，多级土壤渗漏系统对污水中cod的平均去除率均高于83.3％，出水cod浓度均低于50mg/l，满足城镇污水处理厂污染物排放标准(gb18918-2002)一级a标准，说明本实验构建的短程多级土壤渗漏系统具备良好的微生物生态条件，能够最大限度地去除污水中的有机污染物。从水力条件来看，本实验多级土壤渗漏系统底部土壤模块正下方和土壤模块间隙正下方的出水速率比较接近，始终保持在296-315ml/h，说明多级土壤渗漏系统进水分配均匀，有助于增加进水与多级土壤渗漏系统内填料特别是土壤模块的接触，提高多级土壤渗漏系统对cod的去除效率。与300l/(m2·d)的进水水力负荷相比，400l/(m2·d)条件下，cod平均去除率由85.1％上升至93.4％，这是由于提高水力负荷，使多级土壤渗漏系统内水流速度加快，从而加快多级土壤渗漏系统内溶解氧的流动速度、以及液相和生物相间的传质过程，进而提高了有机污染物的降解。500l/(m2·d)条件下cod平均去除率有所下降(83.3％)，分析原因：第一，水力负荷的增加导致生物膜冲刷过度，降低了有机污染物的降解；第二，污水在多级土壤渗漏系统中的停留时间减少，部分有机物未经降解而被水流冲出；第三，多级土壤渗漏系统内的耗氧速率超过了复氧速率,从而使得出水cod浓度稍有增加。2.2.2不同水力负荷条件下多级土壤渗漏系统对氨氮的去除如图6所示，多级土壤渗漏系统对氨氮的去除受水力负荷影响较为明显，水力负荷为300、400、500l/(m2·d)条件下，氨氮去除率均在88.8％以上，处理出水氨氮浓度均低于5mg/l，满足城镇污水处理厂污染物排放标准(gb18918-2002)一级a标准。多级土壤渗漏系统能够高效去除污水中的氨氮，主要原因：第一，本实验构建的多级土壤渗漏系统填料高度较小，且采用的是形式均一、孔隙率大的颗粒沸石，这样有利于填料内部的自然复氧；第二，填料的均一性，使其周围的污水过流速度更稳定，多级土壤渗漏系统在气液固三相的传质更加充分。2.2.3不同水力负荷条件下多级土壤渗漏系统对tn的去除如图7所示，不同水力负荷条件下，多级土壤渗漏系统对tn的去除率大约保持在52.5％～80.4％，优于同样填料高度的沸石生物滴滤器对生活污水中tn的去除，原因在于多级土壤渗漏系统系统中的土壤模块显著增强了反硝化作用，强化了tn的去除。水力负荷为300、400、500l/(m2·d)时，出水tn平均浓度低于20mg/l，满足城镇污水处理厂污染物排放标准(gb18918-2002)一级b标准。2.2.4不同水力负荷条件下多级土壤渗漏系统对tp的去除如图8所示，多级土壤渗漏系统表现出较高的tp去除能力，不同水力负荷条件下，多级土壤渗漏系统出水中tp浓度始终维持在低于0.5mg/l的水平，满足城镇污水处理厂污染物排放标准(gb18918-2002)一级a标准。作者发现，相同条件下，未填充铁屑的多级土壤渗漏系统对tp的平均去除率低于25％(图9)，说明多级土壤渗漏系统对总磷的去除主要是由于铁屑的化学作用，多级土壤渗漏系统内的好氧微环境条件使得单质铁水解为fe3+，fe3+与po43-的沉淀反使得污水中的tp得以去除。2.2.5污水ph值的变化如图10所示，不同水力负荷条件下，多级土壤渗漏系统处理出水ph值较原水均有所升高，300、400、500l/(m2·d)水力负荷条件下，多级土壤渗漏系统出水平均ph分别由原水的6.5升高至7.2、6.8、7.1。究其原因：第一、多级土壤渗漏系统反应器中的生物硝化作用以及沸石填料的吸附作用，大幅度削弱了氨氮的水解作用(nh4++h2o→nh3·h2o+h+)；第二、在多级土壤渗漏系统去除污水中tp的过程中，单质铁在好氧环境中水解为fe3+，进而与po43-发生化学沉淀作用，这是多级土壤渗漏系统中tp去除的主要途径，此外，大量fe3+与po43-发生沉淀反应，使得单质铁水解过程中生成的oh-无法通过与fe3+反应去除，从而残留在水体中，使得多级土壤渗漏系统出水ph值升高。2.2.6多级土壤渗漏系统中溶解氧和氧化还原电位的变化如图11a所示，多级土壤渗漏系统内的溶解氧浓度为0.36～2.26mg/l，呈现两端高、中间低的趋势，即：进水口(500mm)与出水口(0mm)溶解氧浓度较高，这是由于进水、出水口与空气直接接触，在自然通风的情况下，部分空气扩散进入多级土壤渗漏系统内，溶解氧丰富的区域有利于可降解有机物的去除。多级土壤渗漏系统内部溶解氧浓度最低为0.36mg/l，能够保证反硝化过程的顺利进行，促进污水中tn的去除。多级土壤渗漏系统内的氧化还原电位是反映生化反应氧化或还原程度的综合指标，如图11b所示，适当增加水力负荷，使得污水中有机污染物与生物膜接触充分，提高了溶解氧的利用率，有机污染物得到充分降解，氧化还原电位在此过程出现降低；过高的水力负荷则使得生物膜表面水力剪切力增大，溶解氧流动速度加快，会破坏多级土壤渗漏系统内的低溶解氧环境，抑制反硝化反应，氧化还原电位在此过程出现升高。具体而言：在进水口(500mm)，不同水力负荷条件下，氧化还原电位维持在-30.5～-32.8mv，几乎无差别，但经过多级土壤渗漏系统中生物膜的生物降解活动后，氧化还原电位呈现先降低后增加的趋势，在出水口(0mm)，水力负荷为300l/(m2·d)时，氧化还原电位为-31.2mv，水力负荷增加至400l/(m2·d)时，氧化还原电位由-31.2mv降低至-36.5mv，水力负荷继续增加至500l/(m2·d)时，氧化还原电位由-36.5mv升高至-27.6mv。此外，多级土壤渗漏系统运行过程中，沿程溶解氧和氧化还原电位的变化规律基本一致，说明溶解氧变化是导致氧化还原电位变化的主要原因。2.3生物膜和生物相特征图12a～d显示多级土壤渗漏系统稳定运行阶段，沿程高度100、200、300、400mm处的生物膜中，微生物多为球状、杆状、螺状。将多级土壤渗漏系统稳定运行阶段沿程高度的沸石填料表面附着的生物膜剥落，在光学显微镜下进行生物相观察，将生物膜中占优势的细菌、原生动物和后生动物等，与标准图进行对照，结果显示：多级土壤渗漏系统挂膜阶段，生物膜中多细菌，原生动物及后生动物较少，可观察到大量草履虫；多级土壤渗漏系统稳定运行阶段，生物膜中出现了纤毛虫、钟虫、累枝虫等，草履虫的数量大减，说明多级土壤渗漏系统对污水有着较好的处理效果。多级土壤渗漏系统沿程高度，进水端(400～500mm)存在大量以有机物为食的纤毛虫，中部(300～400mm)能够观察到生物膜中穿插有丝状菌及轮虫，出水端(100～200mm)出现大量轮虫，说明多级土壤渗漏系统内有机污染物物含量大幅降低，异养菌在微生物群落中失去优势。2.4多级土壤渗漏系统沿程脱氮和生化特性研究2.4.1生物量空间分布特征以水力负荷400l/(m2·d)为例，多级土壤渗漏系统稳定运行过程中，将多级土壤渗漏系统内沸石填料表面附着的生物膜剥落进行分析，如图13所示，多级土壤渗漏系统内生物膜的量随沿程高度的降低呈现“下降—升高—下降”的趋势。进水段生物膜的量明显较多，这是由于自然通风情况下，进水溶解氧浓度、有机物和氮磷浓度均较高，大量的好氧异养菌以及兼性菌迅速增殖，使得进水端生物量较高；随着水流沿程向下，污水中的营养物质和溶解氧逐渐消耗，好氧微生物量逐渐减少；然而，随着溶解氧的逐渐消耗，反硝化菌逐渐生长，体现为生物量逐渐增加；当污水流至出水端(0mm)，有机污染物经过前面填料的吸附和微生物降解，其浓度下降至最低、硝酸盐浓度也有所降低，进而导致生物量略有下降。2.4.2沿程cod和氨氮浓度的变化规律多级土壤渗漏系统在不同填料高度处生物相和生物膜量有所不同，这与不同填料高度处污水中有机物、氨氮、以及溶解氧的浓度有关。以水力负荷400l/(m2·d)为例，由图14a可知，沿水流方向，随着填料层高度的降低，cod去除率逐渐增加，尤其是进水端500-300mm段，cod快速去除，这是由于进水端有机物和溶解氧浓度相对较高，有利于异养菌的积累(体现为生物膜量较多)，因而有机物降解速率较快，经过500-300mm段填料层内微生物的捕食作用后，cod浓度降低至85.2mg/l，溶解氧浓度降低至0.76mg/l，营养物质和溶解氧逐渐成为异氧菌生理活动的限制因素(体现为生物膜量下降)。由图14b可知，在进水端500mm段，氨氮的去除作用较弱，去除率仅为4.2％，这是由于有机物浓度较高，异养菌占优势，氨氮的去除归因于是异养菌的同化作用。在200～300mm段，氨氮浓度迅速降低至11.5mg/l，氨氮去除率迅速增加至74.4％，分析认为该段填料中硝化细菌数量较多，异养菌生长受到限制。2.4.3细菌量的变化特征与多级土壤渗漏系统脱氮采用实时荧光定量pcr技术对多级土壤渗漏系统内的亚硝化细菌和硝化细菌等的数量进行了定量分析，结果如表2所示，在沸石填料400～500mm处亚硝化细菌和硝化细菌的数量相对较少，而多级土壤渗漏系统在此段有机物浓度较高，异养菌在竞争中占有优势，同时，在200～300mm处填料中硝化菌数量较多，这与氨氮沿填料层高度的去除规律相似。硝化功能菌在总菌群中的比例如表3所示，在200～300mm处硝化细菌为优势菌属(所占比例最大)，硝化效能达到最优值，进一步证实了上述分析，即：多级土壤渗漏系统进水端有机物浓度较高，最大比增长速率相对较小的硝化细菌无法与异养菌在滤料层空间进行竞争，异养菌在竞争中占优势，氨氮去除作用较弱，随着有机物的不断降解，异养菌生长受到限制，自养型的硝化菌则占统治性地位，氨氮去除率逐渐提高。此外，多级土壤渗漏系统中硝化功能菌在总菌群中占比35.5％，佐证了多级土壤渗漏系统中的确存在生物硝化和反硝化过程。表2单位体积沸石填料上硝化细菌的数量table2numbersofdifferentbacteriaonperunitofmediavolume沿程高度(mm)亚硝化细菌(cfu/cm3)硝化细菌(cfu/cm3)5004.3×1051.2×1054005.2×1063.8×1053003.8×1072.1×1062006.3×1081.6×1071004.5×1072.9×10603.3×1051.7×105表3硝化细菌在总菌群中的比例table3ratioofnitrifyingbacteriainthewholebacterial以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本
技术领域：
：的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。当前第1页12当前第1页12