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具有氮磷去除作用的新型干湿交替污水处理装置
更新时间:2016-11-23 来源:《净水技术》 作者:齐小静,李虹

摘要:目前污水灌溉在干旱半干旱地区已得到广泛发展和应用,但其中过高浓度的氮磷元素对土壤和地下水也造成了一定的污染和危害。该文针对含高浓度氮磷元素的灌溉污水,设计了一种新型灌溉污水处理装置,该设计利用土壤的渗透及干湿交替原理、氮磷元素运移与转化规律,通过硝化反硝化反应、化学沉析作用与物理吸附作用等反应原理来降低灌溉用污水中的氮磷含量。同时,为验证新型污水处理装置的可靠性及净化效率,进行了数值模拟和物理试验。结果表明,该设计对污水中氮磷含量的去除具有明显效果,8 h 内可将污水中氮含量降低至20% 以下,磷含量更是达到10% 以下;同时,性价比高、结构简单,为污水处理提供了一种新的借鉴方式。

随着经济的发展和城市化进程的加快,工业污水和城市生活污水的排放量快速增长。自20 世纪90 年代起,我国政府加大了环境保护力度,工业污水处理率不断提高,但是仍有大量未经处理的城市生活污水直接排入江河。在我国北方地区水资源日趋紧张的背景下,污水灌溉成为满足土壤农作物需水的一种可行方式,逐步得到了推广与应用。据统计,我国污水灌溉农田面积330 余万顷(约2.2 ×105km2),约占全国总灌溉面积的7.3% 。从地域上看,主要分布在水资源严重短缺的北方地区,其中海、辽、黄、淮四大流域约占全国污水灌溉面积的85% ,且随着我国经济社会发展,水资源越来越紧张,污水灌溉面积也在逐年增加[1,2]。

然而,污水灌溉仍存在很多问题。城市生活污水处理率低,而灌溉前又缺少必要的污水处理措施,导致长期利用污水灌溉农田的地区,农业区地下水中氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐等超标,其土壤及地下水环境都遭到一定的破坏。2009 年,经对北京、辽宁、吉林、上海、江苏、海南、宁夏和广东等8 个省(区、市)641 眼井的水质分析,水质Ⅳ类—Ⅴ类的占比达到73. 8% ,主要污染指标是总硬度、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和重金属等[3]。

我国自1958 年开始有计划地进行污水灌溉试验研究。姜翠玲[4]进行了污水灌溉对土壤及地下水三氮的影响及其变化的动态分析;闫冬春[5]进行了污水灌溉对农田土壤中动物群落结构影响的分析研究;刘玲[6]进行了含氮污水灌溉试验及污染风险分析的研究;程先军等[7]进行了与污水灌溉相结合的污水处理与再利用新技术的研究;吴俊锋等[8]进行了低铵污水灌溉下土壤中硝化作用模拟试验研究;袁耀武[9]研究了污水灌溉对土壤中不同微生物类群数量的影响;刘韬[10]分析了污水灌溉对沈阳市农田土壤中重金属含量的影响;吴迪梅[11]对河北省污水灌溉农业环境污染经济损失进行了评估等。

以上研究主要侧重在污水灌溉机理、重金属处理以及有害微生物的处理方面,且都是任由含高浓度氮磷的污水进行灌溉,而对污水中氮磷的污染没有引起高度重视。一方面,污水含有的过量氮磷元素无法全部被植物和土壤吸收,无机氮随水流下渗后可直接污染地下水,而有机氮在细菌微生物参与下,经氨化、亚硝化和硝化作用后,以铵氮、有机氮、亚硝酸盐与硝酸盐形式污染地下水。若以1 L污水可分解出110 mg硝酸盐计,500 万t污水分解出550 t硝酸盐,若这些硝酸盐全部渗入地下,可使1亿t 地下水的硝酸盐含量增加5. 5 mg/ L。这就是地下水硝酸盐含量迅速升高的原因,有的井水硝酸盐含量已从20 mg/ L 增加到80 mg/ L,甚至100 mg/ L以上。另一方面,部分片面地认为氮磷可以增加作物产量无需处理,而实际上污水中含有的过量氮磷化物被植物吸收后反而造成植物疯长、减产等不利影响,同时也会造成土壤pH 及其中微生物群落环境的失衡,不利于人类社会的可持续发展[12]。可见,针对用于灌溉的污水中氮磷浓度的控制已不容忽视,因此,本文设计了具有除氮磷功能的新型污水处理装置,可以对灌溉用城市生活污水进行简单快速有效的预处理,通过控制污水处理时间来控制出水中氮磷含量,以此来减轻污水灌溉的负面效应,从而达到保护土壤与地下水的目的。

1 污水处理装置组成及工作原理

1.1 结构设计

该污水处理装置由上到下分为进水区、反应区、出水区,如图1 和图2 所示。进水区放置沸石模块[13,14]和补气泵接入设备,污水由进水区下渗进入反应区;反应区由砂土壤土活性污泥按1∶1∶1的比例混合分布并预埋补气管道,设计渗透系数K = 2 ×10 - 3 cm/ s,提供微生物生存的环境条件和除污反应物,反应区设有隔板,可减小短流发生概率并起到延长反应时间的作用,隔板的数量和宽度可按反应时间要求来进行调整;出水区,承接由反应区垂直渗出的水,并输出用于灌溉。装置纵向每隔25 m 设置一个挡板。反应区上层铺设0. 1 m 厚的秸秆投放区,补充除污微生物所需要的碳源。其中用于分区的材料是一种特殊的生态无纺布[15],由聚丙烯人造纤维经交叉铺网针刺成型的高强度无纺布工程材料,有不降解、稳固性好、耐腐蚀性强、耐微生物分解、抗紫外线、抗老化、无毒、不助燃、裂口不延伸等性质,其最大的特点为目标性透水不透土的过滤功能,既能防止土粒流失,又可以实现水分在土壤中的正常流通。

1.2 反应原理

生活污水中的主要氮磷污染物为大量的铵态氮、少量的有机氮和硝态氮以及部分磷酸根离子,其中大部分有机氮在城市污水管网中通过微生物的氨化作用转化为了铵态氮[16]。污水处理流程可分为灌溉期和非灌溉期,如图3 所示。

灌溉期反应原理:污水中铵态氮可利用进水区中沸石模块以及反应区中土壤胶体的吸附作用吸附在装置内部,不易流失;此时期渗透反应层为饱和湿润状态,硝态氮的去除可在反硝化细菌的作用下经反硝化反应[17]分解为氮气;而磷酸根离子则可以通过添加适量的FeCl3 发生化学沉析作用去除,反应式如下。

2NO-3 + 10e- + 12H → + N2 + 6H2 O + 能量(1)

FeCl3 + PO34- → FePO4↓ + 3Cl- (2)

非灌溉期反应原理:该时期整个装置为干燥状态,进水区的沸石模块可在此时进行清洗、再生及补充;而反应区通过补气使土壤呈氧化状态,利用硝化细菌将土壤胶体吸附的铵态氮经硝化反应分解为硝态氮,而硝态氮则可以在下次灌溉期进行分解去除,反应式如下。

NH+4 + 2O2 → NO-3 + 2H+ + H2 O (3)

版权、出处:《净水技术》

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