污水地下渗滤系统脱氮关键技术研究

　　作为一类无动力、自适应的污水生态处理技术,地下渗滤系统对污水中主要污染指标均具有良好的去除能力,但对氮的脱除效率尚需提高。本文围绕影响地下渗滤系统脱氮过程的主要问题,以调控系统内氧化还原环境和优化脱氮过程营养比为目标,重点研究了地下渗滤系统的基质组配方法、基质脱氮微生物结构特征和基质氮还原酶活性变化规律,形成了提高系统脱氮效率的工艺方法,通过工程连续运行,验证了上述方法的可靠性,最终建立了地下渗滤系统脱氮的关键技术。论文的主要研究成果如下。

　　首先,构建了一套模拟污水地下渗滤过程的连续实验系统,通过布、散水和集水单元的结构优化,柱体连接方式优化以及采用薄层粘土覆盖内侧壁的方法,解决了以往研究中存在的水力学过程非均匀、基质充填过程中局部塌陷、渗透系数发散和水流线路边界短路的问题。 随后,设计了一种用于提高污水地下渗滤系统脱氮效率的生物基质。与常规基质草甸棕壤相比,生物基质的孔隙度、渗透性和有机质含量均大幅提高,基质内的微生物生境条件优越,氨化、硝化和反硝化微生物群落丰富。通过条件优化实验,获得了可促进地下渗滤系统脱氮效率的基质层组配方法。

　　分析了地下渗滤系统中脱氮微生物群落结构分布特征,结果表明：氨化细菌的数量受基质层深度和内部温度的影响较小,随着基质层深度增加,硝化细菌数量减少,反硝化细菌数量增加,两者数量都随温度的降低而减少。地下渗滤系统中典型氮还原酶活性变化规律的实验结果表明：脲酶活性分布主要受基质深度、进水氨氮浓度及环境温度影响,与总氮去除率之间呈显着正相关关系;硝酸盐还原酶(NAR)活性随基质层深度的增加而减小,受环境温度和进水水质的影响较小,与氨氮和总氮去除率间的相关性均不显着;沿基质垂直深度上NIR的活性大小次序为：40cm处20cm处60cm处80cm处100cm处,且随环境温度升高活性增强,在60-100cm区域内,NIR活性与系统总氮去除率间呈显着正相关关系。 进而,初步建立了描述地下渗滤系统微生物脱氮过程的动力学模型。

　　模型指出：地下渗滤系统硝化过程符合一级动力学NE=N0e-0.4812t,温度按照kT=0.2218×1.035(T-20)的关系影响硝化速率;反硝化过程中出水硝态氮浓度与水力停留时间(HRT)之间呈负指数关系,可描述为y=16.3475e-0.2548t,碳源是影响反硝化动力学常数的主要因子,在地下渗滤系统基质层适当深度补加原污水,可提高反硝化速率 同时,研究了有助于地下渗滤系统脱氮过程的运行参数调控方法。实验结果表明：随着湿干比降低,基质渗透率和氧化还原电位(ORP)提高,含水率和比容积降低,氨化细菌数量变化不明显,硝化细菌数量提高,反硝化细菌数量减少;启动期适宜的湿干比为1：3,稳定运行时适宜的湿干比为1：1;随着进水水力负荷和污染负荷增加,系统ORP下降,适宜的表面水力负荷为0.065～0.081m3/m2·d,进水BOD负荷不宜大于16.8g BOD/m2·d;采用在散水管(垂直深度55cm)以下10cm处补加原污水的方式,控制补加比例为1：1,总氮去除率可从51.6%提高到68.1%。

　　最后,通过工程连续运行,以氨氮和总氮去除率为评价标准,验证了前述研究结论。结果表明：系统稳定后,氨氮、总氮的平均去除率达到87.7%和70.1%(出水平均浓度为2.3和6.9mg/L),COD、BOD5和TP平均去除率也分别达到84.8、91.7和85.1%(出水平均浓度分别为19.7、5.7和0.3mg/L),出水水质满足《城市污水再生利用-景观环境用水水质》(GB18921-2002)标准。