净水技术|具有氮磷去除作用的新型干湿交替污水处理装置
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，8h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。
我国自1958年开始有计划地进行污水灌溉试验研究。姜翠玲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；刘韬分析了污水灌溉对沈阳市弄条土壤中重金属含量的影响；吴迪梅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全部吸收，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5.5mg/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，部分片面的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。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。
1.1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袋无纺布[14]，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。
图1 装置断面示意图
图2 装置结构分解图
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。污水处理流程可分为灌溉期和非灌溉期，如图3所示。
图3. 污水处理流程图
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。
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。
2.1COD（化学需氧量）的运移
COD作为反硝化反应的必要条件，其浓度将在很大程度上影响反硝化反应的反应速率，本文采用Visual MODFLOW-RT3D v2.5模拟污水处理装置反应区内COD的运移情况，如图4和图5所示。将秸秆粉碎后均匀的布置在反应区上方，其下为1.7 m厚的反应区。由图4可知，由于对流弥散作用，在10 d内COD可以有效地扩散至整个反应区中，为反硝化反应提供充足的碳源，且浓度可保证在20 mg/L。
图4 反应区COD运移情况：（a）1 d后；（b）5 d后；（c）10 d后
图5 反应区2 m深处COD浓度变化曲线
2.2硝酸根反应的实现
由反应式（1）可知，去除硝酸根离子主要利用反硝化反应，即反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出氮气，从而达到减少硝酸根离子浓度的目的。污水处理装置反应区由壤土与沙土按一定比例混合而成，利用土壤中含有的反硝化细菌进行反硝化反应。影响该反应进行的主要条件有：碳源、通气状况、温度。碳源主要来自作物秸秆及土壤中的其他有机物；灌溉期时反应区处于完全淹水状态，可保证无氧环境；覆盖的秸秆和较厚的土层可起到保温作用，提供了适当的反应条件。
此外，上述反应进行速率较慢，应合理的控制水流速度使反应时间保证在24 h左右，除污效果如图6和图7所示。
图6 反应区1 d后硝酸根浓度分布
图7 反应区纵断面25 m处硝酸根浓度变化曲线(上)与COD浓度变化曲线(下)
2.3铵根反应的实现
由反应式（3）可知，去除铵根离子可利用土壤的吸附作用，即土壤带负电，铵根离子带正电，土壤对铵根离子有很强的吸附性。进水后污水中的铵根离子吸附在反应区的土壤中，待灌溉结束后装置充分干燥通气，在有氧环境下发生硝化反应生成硝酸根离子，而反应生成的硝酸根离子在下次有灌溉需求进水时可去除。
2.4磷酸根反应的实现
由反应式（2）可知，所谓通过化学沉析作用除磷，就是通过FeCl3与污水中的磷酸根离子反应，结合生成磷酸铁等难溶于水的物质，最终通过沉降池系统的沉淀而达到去除污水中磷的目的。
设每L污水含有磷酸根离子1 mg,投加铁盐化学分子式为FeCl3·6H2O ，分子量270.5，FeCl3·6H2O 的价格为1.2元/kg。假定液体氯化铁的铁离子含量为1 g/L，则FeCl3·6H2O 的含量为270.5/56=4.83g/L。铁盐与磷酸按4.4:1的比例投加，污水中磷离子去除率按80%计算，则每t所需铁盐投加量为8.5 g，价格为0.0102元/t。可见，化学沉析作用除磷是一种操作简单、运行费用低廉且效果良好的除污技术。
为验证上述污水处理装置除氮磷的效果，制作了物理模型进行进一步的试验验证。物理模型采用1:10的长度比尺进行设计，如图8所示。试验中，由于受物理模型反应层厚度制约，通过控制反应区的各材料比例及密实度来调整渗透系数，并增加两条隔板，隔板宽度为断面宽度的2/3，最终将水通过反应区的时间控制在8 h左右。设置三个试验工况，其中进水为三种不同氮磷含量的污水，试验结果如表1所示。
图8 新型干湿交替污水处理装置模型
由表1可知，经过8 h的反应，在工况1、2、3条件下污水处理装置对氮的净化效率分别为79.45%、80.40%和81.70%，对磷的净化效率为93.00%、93.60%和94.29%；随着进水氮磷浓度的升高，其净化效率也略有增大；出水中氮磷浓度仍高于正常值，本文认为是由于反应时间远小于设计反应时间造成的；即使实际操作中达不到设计反应时间，灌溉污水经植物吸收及土壤的再净化作用，氮磷含量会进一步减少，从而进一步降低对地下水的污染。
（1）新型污水处理装置基于成熟的氮素运移转化理论，创造了一系列脱氮除磷的物理吸附和化学反应条件，其成本低廉且污水中氮磷元素经过新型污水处理装置的处理之后，其含量有很大降低，表明该装置除氮磷效果明显，可以显著减少氮磷元素对土壤及地下水的污染及危害。
（2）新型污水处理装置的设计结构简单，施工制作方便；该装置应用广泛，可用于污水处理厂作为污水处理的一部分，也可以将现有灌溉渠道进行改造后直接置于渠道内，既充分利用了已有的灌溉设施，节约了土地面积，又可以进一步解决污水灌溉对土壤、农作物和地下水带来的负面影响。
（3）灌溉前可先研究作物对氮磷含量的需求，并计算污水中氮磷的适宜含量，通过控制污水处理时间来控制出水中氮磷含量，从而既可以起到为作为提供营养的目的，也达到保护土壤与地下水的效果。
本文选自《净水技术》2016年第二期，作者武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室/齐小静，研究方向为水工结构工程。查看完整文章，可登录http://www.cnki.net/KCMS/detail/31.1513.TQ.20160428.0842.028.html下载完整内容。