本文摘要：摘要：為解決農村地區冬季污水處理效率低且排水質量不達標的問題，本文在傳統多介質土壤層(MSL)滲濾系統基礎上，使用紫色土、鐵屑和稻殼炭作為改良土壤混合層(SML)填料，沸石、礫石作為通水層(PL)填料，將4個MSL過濾單元連接組成四級MSL系統，監測該系統在低溫(4～15℃
摘要：為解決農村地區冬季污水處理效率低且排水質量不達標的問題，本文在傳統多介質土壤層(MSL)滲濾系統基礎上，使用紫色土、鐵屑和稻殼炭作為改良土壤混合層(SML)填料，沸石、礫石作為通水層(PL)填料，將4個MSL過濾單元連接組成四級MSL系統，監測該系統在低溫(4～15℃)條件下對農村生活污水的處理效果.結果表明，該系統在1000L/(m2·d)的水力負荷下對廢水中的COD，NH3-N，TN，TP的平均去除率分別為75.89%，71.43%，68.59%，86.70%，平均出水質量濃度分別為85.24，14.33，19.62，0.46mg/L，滿足國家二級排放標準，并且該系統在沖擊負荷條件下運行穩定，能較好滿足冬季農村污水處理的需求.
關鍵詞：多介質土壤層滲濾系統;農村污水處理;低溫運行;污染控制
農村水污染是我國目前面臨的一個嚴峻問題，相比城市污水處理，農村污水處理存在污染源多且污染源分散的問題，形成了排放高、處理難的現象，未經處理的污水排放入農村天然水體中導致水質惡化，對生態環境造成極大的危害[1].1993年Wakatsuki等[2]使用多介質土壤層(Multi-Soil-LayeringSystem，MSL)滲濾系統來處理污水，系統由通水層(PL)和土壤混合層(SML)組成，通水層由粒徑較大的填料組成，土壤混合層由土壤與當地廢棄物混合組成.MSL系統具有低成本、低能耗、環保、易管理的優點，適宜我國農村地區分散型的污水處理模式[3].
傳統的MSL系統在農村地區的實際工程應用存在諸多問題，Latrach等[4]通過示蹤實驗發現，傳統MSL系統在運行時其系統內部存在死區，填料利用率低，影響MSL系統的處理效率.程銘[5]通過實驗比較了人工濕地季節變化對COD，NH3-N，TN，TP去除效果的影響，得到結論為夏季的處理效果最佳，冬季處理效果最差，且冬季處理效果僅為夏季的1/3.
吳浩恩等[6]通過監測環境溫度的變化來探究進水溫度對MSL系統脫氮效果的影響，當環境平均溫度由19℃下降到15℃以下時，MSL系統對NH3-N和TN的去除效果分別下降了10%和17%，其原因在于低溫條件下系統內硝化菌和反硝化菌活性降低，從而影響硝化和反硝化反應過程，冬季污水脫氮效果能否達到排放標準便成為了農村污水處理的一大難題.
本研究在傳統MSL系統的基礎上對其濾料和裝置結構進行優化，將4個MSL過濾單元以連通器的形成連接組成四級MSL系統，系統內部形成多個“好氧—厭氧”區域并加入稻殼炭作為反硝化反應的碳源，運行期間對四級MSL系統出水的COD，NH3-N，TN，TP濃度進行監測.結果表明，四級MSL系統能夠有效解決傳統MSL系統在低溫環境下(<15℃)對TN去除效率低的問題，同時解決MSL系統占地面積大、不便維護等實際應用問題，能夠為今后相關研究以及該設備的推廣使用提供參考.
1材料與方法
1.1實驗裝置構建
實驗裝置由儲水部分、油污分離部分和四級土壤滲濾系統組成.系統所用管件為直徑110mm的PVC管，管件之間以連通器的模式連接.油污分離部分管件高度90cm，無濾料填充，在距離底部45cm位置設置排油口.四級MSL系統管件高度均為50cm，濾料填充高度為35cm，底部和頂部用礫石(粒徑范圍5～10mm)填充防止系統堵塞，填充高度分別為10cm和5cm，中部濾料采用分層填充(單層層高5cm，共分7層)，由下至上為土壤混合層與通水層交替填充。
其中1，3，5，7層為土壤混合層，2，4，6層為沸石通水層.實驗所用沸石(粒徑范圍3～5mm)購自河南弘之源凈水材料有限公司，土壤混合層由紫色土(重慶地區典型的紫色土土壤，有機質含量9.25g/kg)、鐵屑(購自重慶北碚機械加工廠)和生物炭(實驗采用稻殼生物炭)按照8:1:1的質量比混合制成.在四級MSL系統的第二、三級連通管和系統末端設置有兩個排水口，分別命名為排水口A、排水口B.
1.2實驗污水水質
侯京衛等[7]調研匯總了我國部分農村地區的生活污水排放量和污染物濃度，其中COD，TN，TP的平均值分別為386.4，50.5，3.7mg/L.本實驗采用模擬生活污水進行試驗，配置方法：50g葡萄糖，20g淀粉，22gNH4Cl，1.2gKH2PO4，1.6gK2HPO4，1.5g蛋白胨加水稀釋至100L。
1.3實驗運行方法
系統自2018年11月開始運行至2019年2月，監測期間處于冬季，環境溫度4～15℃，進水水溫處于偏低水平(<15℃).實驗采用間歇式進水的方式，控制系統表面水力負荷在1000L/(m2·d)，對取樣污水中COD，NH3-N，參考《水和廢水監測分析方法》(第4版)[8].
2結果與分析
2.1系統運行監測結果
四級MSL系統實驗分為兩個階段.第一階段為掛膜啟動階段，期間采用連續進水的方式，監測出水水質.在連續進水25d后可以觀察到原本光滑的沸石填料和土壤混合層表面被一些生物絮體覆蓋，填料表面顏色變為土褐色，相鄰兩次監測出水水質指標偏差不高于20%[9]，此時系統污水處理效果趨于穩定，系統掛膜成功.第二階段為運行階段，期間控制進水水力負荷在1000L/(m2·d)，連續監測46d.監測期間從排水口A、排水口B取樣，對應污染物濃度分別記為Mid濃度、Final濃度。
2.2COD去除效果分析
四級MSL系統對有機物的去除主要依靠系統內基質的吸附和異養型好氧微生物的代謝分解，污水中的有機物首先被吸附在土壤混合層內部和沸石表面，隨后在好氧細菌作用下被降解[4].監測期間進水COD平均質量濃度為353.16mg/L，排水口A、排水口B出水的平均質量濃度為173.47mg/L和85.24mg/L，系統對COD的平均去除率為75.89%.出水COD濃度滿足GB18918-2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的二級標準(≤100mg/L)，去除率滿足標準規定的范圍值(進水COD濃度>350mg/L時，去除率應大于60%).
四級MSL系統在相同水力負荷條件下比傳統MSL系統對COD的去除率提升了10.69%[10]，這說明連通器結構的四級MSL系統通過減小徑流截面面積、增加沿程距離提高了系統內填料的有效體積和利用率，減少了內部死區[4]，使系統在低溫條件下運行也保持較好的COD去除效果.
可觀察到從第34天開始，排水口A、B出水COD濃度出現了小幅同步上升，這一現象出現的原因是期間環境溫度的降低使得系統中的好氧細菌活性下降，有機物分解速率減慢，基質中截留的有機物顆粒沒能被及時分解，導致系統對COD的去除率下降.
2.3NH3-N去除效果分析
NH3-N平均進水質量濃度為49.87mg/L，排水口A、B的出水NH3-N的平均質量濃度分別為25.3mg/L和14.2mg/L，平均去除率為49.07%和71.43%，排水口B出水滿足GB18918-2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級B標準(≤15mg/L).四級MSL系統對NH3-N的去除主要通過填料吸附和系統內部硝化反應，其中沸石起主要作用.沸石結構特點為高孔隙率和較大的比表面積，是微生物的良好載體[10].
2.4TN去除效果分析
監測期間進水TN的平均質量濃度為62.47mg/L，排水口A、B的出水TN的平均質量濃度分別為34.96mg/L和19.61mg/L，出水平均去除率達到68.59%，出水水質滿足GB18918-2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級B標準(≤20mg/L)，相較于兩段式MSL系統效果提升了17.37%[12].TN的去除主要是在缺氧條件下進行，系統中的硝態氮在反硝化細菌的作用下，以硝酸鹽氮為電子受體，以有機物為電子供體進行厭氧呼吸，將硝酸鹽氮還原為N2O和N2從系統中去除[13].
冬季MSL系統對TN去除效果差原因在于低溫使得系統中的硝化反應減弱，參與硝化反應的硝態氮的含量降低，減弱了反硝化反應.四級MSL系統將MSL滲濾單元通過連通器的形式連接在一起，當污水進入時會淹沒裝置內部，這種淹沒式出水能夠在MSL滲濾單元底部營造出較好的厭氧環境，在結構上相比兩段式MSL系統更利于反硝化反應的進行.
2.5TP去除效果分析
水質監測期間系統進水TP的平均質量濃度為3.56mg/L，排水口A和排水口B的出水TP平均質量濃度分別為1.24mg/L和0.45mg/L，TP的平均去除率分別為63.50%和86.69%.出水滿足GB18918-2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A標準(≤0.5mg/L).
四級MSL系統內部對TP的去除主要是通過系統內部基質的吸附作用，土壤混合層(SML)中存在Fe2+、Al3+、Ca2+等金屬離子，離子在SML中析出形成土壤膠體顆粒，與污水中的磷酸根離子結合形成膠體沉淀.在SML中加入鐵屑有助于基質對TP的吸附，其作用過程為鐵屑在SML中被廢水溶解為Fe2+，隨污水由相對厭氧區間(SML)流入相對好氧區間(PL)，在PL的好氧條件下被氧化為Fe3+，與水中的OH-結合形成Fe(OH)3膠體，吸附固定污水中的磷酸根離子實現對TP的去除[13].整個吸附過程受溫度的影響較小，故在低溫條件下運行時該系統對TP仍能取得較好的去除效果.
四級MSL系統在表面水力負荷從1000L/(m2·d)增加到2000L/(m2·d)的過程中，出水的COD，NH3-N，TN，TP濃度均明顯升高，當水力負荷重新恢復到1000L/(m2·d)時，系統出水中各污染物的濃度恢復到穩定運行的水平.可見，在高水力負荷的條件下系統對污染物的去除率會下降，短時間的沖擊負荷不會對系統造成破壞，當系統的負荷恢復初始水平時，系統對污染物的去除率也能夠恢復到初始水平.實驗過程未出現系統堵塞現象，實驗結束后觀察內部未出現結構崩壞現象，說明系統在沖擊負荷作用下運行具有穩定性.
3結論
1)四級MSL系統可以實現低溫條件下生活污水的有效處理，COD，NH3-N，TN，TP的平均去除率為75.89%，71.43%，68.59%，86.69%，平均出水濃度為85.24，14.2，19.61，0.45mg/L.系統出水的TP濃度滿足國家《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中一級A標準，TN和NH3-N濃度滿足標準中一級B標準，COD濃度滿足標準中二級標準.
2)四級MSL系統的連通器結構能夠有效改善傳統MSL系統填料有效體積低、暗流死區占比大的問題，提高填料利用率.3)短時間的沖擊負荷不會對四級MSL系統造成破壞，當系統的負荷恢復初始水平時，系統對污染物的去除量也能夠恢復到初始水平，說明系統在沖擊負荷作用下具有一定的穩定性.
4)四級MSL系統在低溫環境的運行研究結果表明，多級土壤滲濾系統處理農村分散型生活污水，既能達到水質處理要求，又具有能耗低、維護和管理方便、費用低等優點，是一種適宜于丘陵山區推廣的污水處理工藝.5)在后續的實際工程應用中應重點關注該系統的進水動力和運行工況問題，并就MSL系統模塊化的應用前景和經濟效益展開分析研究.
參考文獻：
[1]訾健康.簡述我國農村水污染現狀及成因[J].現代化農業，2012(7)：52-53.
[2]WAKATSUKIT，ESUMIH，OMURAS.HighPerformanceandN&P-RemovableOn-SiteDomesticWasteWaterTreatmentSystembyMulti-Soil-LayeringMethod[J].WaterScienceandTechnology，1993，27(1)：31-40.
[3]CHENX，LUOAC，SATOK，etal.AnIntroductionofaMulti-Soil-LayeringSystem：ANovelGreenTechnologyforWastewaterTreatmentinRuralAreas[J].WaterandEnvironmentJournal，2009，23(4)：255-262.
[4]LATRACHL，OUAZZANIN，HEJJAJA，etal.OptimizationofHydraulicEfficiencyandWastewaterTreatmentPer-formancesUsingaNewDesignofVerticalFlowMulti-Soil-Layering(MSL)Technology[J].EcologicalEngineering，2018，117：140-152.
作者：牛澤南，鮑安紅，豆玉婷，徐顯，陳超
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