生物濾池作為生物膜反應(yīng)器的經(jīng)典形式之一, 已經(jīng)成為一種成熟的工藝.近年來(lái), 伴隨各種新型脫氮途徑的提出, 如異養(yǎng)硝化、好氧反硝化、同步硝化-反硝化、短程硝化-反硝化等, 研究者們將傳統(tǒng)生物濾池不斷進(jìn)行改進(jìn), 開(kāi)發(fā)出許多新型生物濾池, 并在各類廢水處理中得到了應(yīng)用.然而, 這些新型生物濾池仍然缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn), 且無(wú)詳細(xì)明確的工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.生物脫氮是去除氮素的主要途徑之一.強(qiáng)化生物脫氮的關(guān)鍵在于調(diào)控系統(tǒng)內(nèi)部的氧化還原條件及優(yōu)化原水中有機(jī)碳源的利用, 而且系統(tǒng)的水力停留時(shí)間、反應(yīng)溫度、進(jìn)水理化特征等也都與脫氮效率密切相關(guān).
水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水通常富含氮、磷、有機(jī)物等, 極易對(duì)地表水造成富營(yíng)養(yǎng)化.削減養(yǎng)殖廢水氮磷排放、開(kāi)發(fā)適宜處理技術(shù)、提高水資源使用效率已成為我國(guó)發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)當(dāng)務(wù)之急.鑒于此, 作者設(shè)計(jì)了曝氣垂直流濾池(aerated vertical-flow filter, AVF)+折流式水平流濾池(baffled horizontal-flow filter, BHF)的組合系統(tǒng), 將前者的強(qiáng)硝化功能與后者的優(yōu)勢(shì)反硝化功能有機(jī)結(jié)合.同時(shí), 通過(guò)設(shè)計(jì)不同的水力負(fù)荷及分流比來(lái)分別調(diào)控系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間及對(duì)原水中碳源的利用, 最終達(dá)到高效脫除養(yǎng)殖廢水中氮磷、有機(jī)物的目的.本研究通過(guò)全面分析組合系統(tǒng)的凈化效能與影響因素的關(guān)系, 探究組合系統(tǒng)的凈化機(jī)制, 以期為該組合系統(tǒng)在養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用提供依據(jù).
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建
試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：配水池內(nèi)原水經(jīng)水泵抽提后通過(guò)分流閥(控制分流比)一部分流入曝氣垂直流濾池, 另一部分直接流入調(diào)節(jié)池, 后者與曝氣垂直流濾池底部出水混勻后再流入折流式水平流濾池(圖 1).分流的目的主要是補(bǔ)充后一級(jí)濾池反硝化所需的有機(jī)碳源.所有單元構(gòu)筑材料均為有機(jī)玻璃, 除調(diào)節(jié)池(L 20 cm×W 20 cm×H 30 cm)為圓柱形結(jié)構(gòu)外, 其它均為方形箱體.配水池與曝氣垂直流濾池規(guī)格一致(L 48 cm×W 48 cm×H 60 cm).曝氣垂直流濾池表面鋪設(shè)PVC布水管, 底部設(shè)有PVC集水管; 集水管內(nèi)設(shè)有納米微孔曝氣管, 后者通過(guò)聚乙烯軟管與旋渦風(fēng)機(jī)相連(風(fēng)量：60 m3˙h-1; 最大風(fēng)壓：10 kPa; 品牌：亞士霸; 型號(hào)：HG-250;產(chǎn)地：浙江臺(tái)州).折流式水平流濾池(L 100 cm×W 48 cm×H 48 cm)自進(jìn)水端向出水端呈3‰坡度傾斜; 同時(shí), 折流式水平流濾池內(nèi)增設(shè)了9個(gè)等間距平行交錯(cuò)的有機(jī)玻璃折流板(L 39 cm×W 0.9 cm×H 48 cm).兩組濾池內(nèi)部均填充孔徑3~5 mm的多孔陶粒, 垂直流濾池填充深度38 cm, 水平流濾池填充深度34 cm, 陶?？紫堵蕿?.433.
圖 1 組合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意
1.2 濾池運(yùn)行與數(shù)據(jù)采集
濾池的掛膜方式采用接種法, 具體是在曝氣垂直流濾池和折流式水平流濾池內(nèi)分別接種采自某養(yǎng)殖場(chǎng)的活性污泥, 每周接種一次, 直至濾料表面均被生物膜覆蓋為止.掛膜結(jié)束后, 將模擬配制的高質(zhì)量濃度養(yǎng)殖廢水接種至兩組濾池內(nèi), 進(jìn)行微生物適宜性馴化, 待系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定后, 再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.試驗(yàn)廢水配置參考上述養(yǎng)殖場(chǎng)排放的高質(zhì)量濃度養(yǎng)殖廢水, 配置方案如下：即每升水含面粉、葡萄糖(含少量鈉、鈣、鐵、鋅等元素)、碳酸氫銨、磷酸二氫鉀的質(zhì)量依次為0.287 5、0.144、0.054和0.022 g.配置廢水對(duì)應(yīng)各項(xiàng)污染物的質(zhì)量濃度見(jiàn)表 1.
測(cè)試過(guò)程按設(shè)定的分流比分為3個(gè)階段, 但不同階段折流式水平流濾池的水力負(fù)荷不變(即各階段總進(jìn)水量恒定).所設(shè)定的3個(gè)分流比依次為8：2、6：4和4：6.以8：2為例進(jìn)行說(shuō)明：即曝氣垂直流濾池底部出水量與調(diào)節(jié)池內(nèi)未經(jīng)處理的原水體積比為8：2.對(duì)應(yīng)地, 曝氣垂直流濾池運(yùn)行的3種水力負(fù)荷依次為(131±7)、(94±7) 和(60±2) mm˙d-1.
表 1 試驗(yàn)?zāi)M配置的廢水組成1) /mg˙L-1
組合系統(tǒng)每天間歇進(jìn)水一次, 即曝氣垂直流濾池水力停留時(shí)間為24 h, 折流式水平流濾池理論水力停留時(shí)間為43.7 h.曝氣垂直流濾池每天曝氣運(yùn)行4 h(10:00~14:00), 對(duì)應(yīng)氣水比約為1 200：1.水樣采集點(diǎn)為曝氣垂直流濾池進(jìn)水、底部出水, 折流式水平流濾池進(jìn)水、末端出水.采樣頻率為每天1次, 每次采樣時(shí)間點(diǎn)固定(08:30~09:30);每種分流比持續(xù)采樣8次, 隨后切換至下一分流比, 繼續(xù)運(yùn)行2周待系統(tǒng)穩(wěn)定后再進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)采集.采用美國(guó)YSI多參數(shù)水質(zhì)分析儀(型號(hào)：Pro Plus)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定壓強(qiáng)(p)、溫度(T)、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、堿度(pH)、電導(dǎo)率(Cond)、比電導(dǎo)率(SC)、總?cè)芙夤腆w(TDS)、鹽度(Sal)、電阻(Res)等在線參數(shù).水樣采集后, 按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定COD、TN、NO3--N、NO2--N、NH4+-N、TP、IP等指標(biāo), 其中COD測(cè)量為錳法. COD又分為總有機(jī)物(TCOD)和溶解性有機(jī)物(DCOD). DCOD為水樣經(jīng)濾紙過(guò)濾后測(cè)定值, TCOD為直接測(cè)定值.
1.3 數(shù)據(jù)分析
本文采用百分比去除率評(píng)價(jià)濾池的凈化效能, 即百分比去除率=(進(jìn)水質(zhì)量濃度-出水質(zhì)量濃度)/進(jìn)水質(zhì)量濃度×100%.獨(dú)立樣本t-test用于檢驗(yàn)進(jìn)出水間理化特征的差異及兩種濾池間凈化效能的差異.單因素方差分析(one-way ANOVA)用于檢驗(yàn)不同水力負(fù)荷/分流比對(duì)濾池凈化效能的影響, 多重比較選擇LSD(方差齊)或Games-Howell(方差不齊).為了綜合分析監(jiān)測(cè)的所有理化因子對(duì)凈化效率的影響, 采用逐步回歸分析及非線性冗余度分析(redundancy analysis, RDA)探討污染物去除率與濾池進(jìn)出水理化特征的關(guān)系.因?yàn)楸O(jiān)測(cè)的理化因子變量較多, 為了避免變量之間的自相關(guān), 在進(jìn)行RDA排序之前, 先對(duì)監(jiān)測(cè)的環(huán)境變量進(jìn)行主成分分析.這些分析在SPSS 19.0及CANOCO 4.5軟件中完成.
2 結(jié)果與討論
2.1 生物濾池進(jìn)出水理化特征比較
比較兩種不同類型的生物濾池進(jìn)出水理化特征, 發(fā)現(xiàn)曝氣垂直流濾池、折流式水平流濾池進(jìn)出水的壓強(qiáng)、溫度無(wú)顯著差異, 折流式水平流濾池進(jìn)出水的氧化還原電位也無(wú)顯著差異, 其余監(jiān)測(cè)指標(biāo)差異顯著.進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn), 曝氣垂直流濾池的出水電阻率顯著增加, 而其它有差異的指標(biāo)均顯著降低; 類似地, 折流式水平流濾池出水電導(dǎo)率、比電導(dǎo)率、總?cè)芙夤腆w、鹽度均顯著增加, 而其它有差異的指標(biāo)顯著降低(表 2).
表 2 兩種生物濾池進(jìn)出水理化參數(shù)比較
2.2 生物濾池凈化效能比較
不同運(yùn)行工況(水力負(fù)荷/分流比)的調(diào)整對(duì)生物濾池的凈化效能存在顯著影響, 且兩種不同類型生物濾池的凈化效能也存在顯著差異(P<0.05).就曝氣垂直流濾池而言, 不同水力負(fù)荷對(duì)亞硝氮的去除率無(wú)顯著影響, 對(duì)其它指標(biāo)有顯著影響; 類似地, 在折流式水平流濾池中不同分流比對(duì)無(wú)機(jī)磷和亞硝氮的去除率無(wú)顯著影響, 對(duì)其它指標(biāo)相反; 針對(duì)組合系統(tǒng), 不同運(yùn)行工況對(duì)總磷、氨氮及亞硝氮的去除率無(wú)顯著影響, 對(duì)其它指標(biāo)相反.除溶解性有機(jī)物和硝氮外, 兩種不同類型濾池對(duì)其它指標(biāo)的凈化效率都存在顯著差異(表 3).
表 3 兩種生物濾池單體及組合體不同運(yùn)行工況下百分比去除率的協(xié)方差分析結(jié)果(P值)
進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn), 在曝氣垂直流濾池中, 有機(jī)物的去除率隨水力負(fù)荷的降低先升高后降低, 但無(wú)論總有機(jī)物還是溶解性有機(jī)物總體平均去除率都在80%以上.磷的去除率隨水力負(fù)荷的降低呈增加趨勢(shì).氨氮、亞硝氮、總氮及溶解性氮去除率隨水力負(fù)荷的變化趨勢(shì)與有機(jī)物類似, 而硝氮去除率隨水力負(fù)荷的變化趨勢(shì)與磷相似.總體而言(不分水力負(fù)荷變化), 曝氣垂直流濾池對(duì)有機(jī)物、氨氮及溶解性氮的平均去除率都在80%以上, 對(duì)磷、亞硝氮的去除率不高, 尤其是后者平均去除率僅為11.5%(表 4).
表 4 兩種生物濾池單體及組合體不同運(yùn)行工況下的百分比去除率比較
在折流式水平流濾池中, 有機(jī)物的去除率隨分流比的增加先升高后降低, 且總體平均去除率都在70%以上.無(wú)機(jī)磷、的去除率隨分流比的變化趨勢(shì)與有機(jī)物類似, 亞硝氮的去除率先降低后升高.亞硝氮的去除率變化很大且都為負(fù)值, 表、明出水呈現(xiàn)亞硝氮積累.總磷、氨氮、硝氮、總氮及溶解性氮的去除率隨分流比的增加而增加.折流式水平流濾池對(duì)氨氮、總氮及溶解性氮的去除率不高, 平均去除率都在40%以下.在組合系統(tǒng)中, 除亞硝氮外, 其余各項(xiàng)指標(biāo)的變化趨勢(shì)與折流式水平流濾池類似.在組合系統(tǒng)中亞硝氮去除率的變化趨勢(shì)與曝氣垂直流濾池類似.此外, 曝氣垂直流濾池對(duì)總有機(jī)物、氨氮、亞硝氮、總氮及溶解性氮的去除率顯著高于折流式水平流濾池, 而總磷、無(wú)機(jī)磷的變化趨勢(shì)與此相反(表 3和4).
2.3 影響濾池凈化效能因素分析2.3.1 逐步回歸分析
由逐步回歸分析結(jié)果可知, 在曝氣垂直流濾池中溶解性有機(jī)物、亞硝氮與進(jìn)水影響因素間無(wú)顯著相關(guān)性; 類似地, 在折流式水平流濾池中亞硝氮與進(jìn)水影響因素間無(wú)顯著相關(guān)性.除此之外, 其余指標(biāo)與兩種濾池進(jìn)出水影響因素間都存在顯著的線性關(guān)系(表 5).
| 濾池類型 | | 參數(shù) | 標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)R | 顯著水平(Sig.) |
| 曝氣垂直流濾池 | | TCOD | 0.409×T | 0.043 |
| | DCOD | ND | |
| | TP | -0.439×HLR+0.414×DO-0.362×T+0.355×ORP-0.239×NO3--N | 0.000 |
| | IP | 0.461×DO-0.365×T-0.363×HLR+0.361×TCOD-0.215×P+0.128×ORP | 0.000 |
| 進(jìn)水 | TAN | -0.464×NO3--N+0.335×TDS+0.324×ORP | 0.000 |
| | NO3--N | 0.590×IP-0.474×NO3--N-0.458×TDS-0.411×NO2--N | 0.000 |
| | NO2--N | ND | |
| | TN | 0.498×TCOD-0.448×NO3--N | 0.000 |
| | DIN | -0.701×NO3--N+0.435×DCOD-0.211×NO2--N | 0.000 |
| | TCOD | -0.950×TCOD-0.152×DIN-0.125×pH+0.103×DO | 0.000 |
| | DCOD | -2.210×DCOD+1.473×TCOD-0.345×DIN+0.198×DO-0.198×Sal+ 0.198×NO3--N-0.148×P-0.060×NO2--N | 0.000 |
| | TP | -0.804×TP-0.223×TDS | 0.000 |
| | IP | -0.803×IP-0.364×NO3--N | 0.000 |
| 出水 | TAN | -0.984×TAN | 0.000 |
| | NO3--N | -0.983×NO3--N+0.179×TAN | 0.000 |
| | NO2--N | -0.734×NO2--N-0.301×pH | 0.000 |
| | TN | -0.917×TN-0.157×ORP-0.123×pH | 0.000 |
| | DIN | -0.989×DIN | 0.000 |
| 折流式水平流濾池 | | TCOD | 0.904×DCOD-0.474×TAN-0.282×P | 0.000 |
| | DCOD | 0.936×DCOD-0.392×TAN-0.223×IP-0.212×P | 0.000 |
| | TP | 0.800×TP+0.289×P | 0.000 |
| | IP | 0.513×pH | 0.009 |
| 進(jìn)水 | TAN | 0.664×DO+0.463×TDS+0.313×TAN-0.241×P | 0.000 |
| | NO3--N | 0.496×Ratio-0.464×NO2--N+0.439×DCOD-0.206×IP | 0.000 |
| | NO2--N | ND | |
| | TN | 1.264×TN-0.998×DIN+0.753×TP+0.313×Ratio+0.289×ORP | 0.000 |
| | DIN | 0.867×Ratio+0.449×TDS-0.243×P | 0.000 |
| | TCOD | -0.701×DIN-0.339×DCOD | 0.000 |
| | DCOD | -0.738×DIN-0.544×DCOD+0.324×IP | 0.000 |
| | TP | -0.688×TP-0.392×SC+0.282×T+0.229×DCOD | 0.000 |
| | IP | -0.818×IP+0.320×T | 0.000 |
| 出水 | TAN | -0.748×DIN+0.631×TN-0.408×Sal+0.393×DCOD | 0.000 |
| | NO3--N | -0.648×NO3--N+0.600×Ratio+0.306×TN | 0.000 |
| | NO2--N | -0.741×NO2--N | 0.000 |
| | TN | -0.641×SC | 0.001 |
| | DIN | -0.755×DIN | 0.000 |
| |
1) 用SPSS軟件作逐步回歸分析會(huì)給出標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù).因?yàn)楸狙芯勘O(jiān)測(cè)的理化環(huán)境因子量綱不一致, 為了更加合理地評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)的每項(xiàng)環(huán)境因子對(duì)污染物去除效率的影響, 采用標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)進(jìn)行比較分析; ND表示未檢測(cè)到顯著線性關(guān)系
表 5 兩種生物濾池百分比去除率與進(jìn)出水影響因素間的逐步回歸分析結(jié)果1)
針對(duì)進(jìn)水理化特征, 在曝氣垂直流濾池中總有機(jī)物去除與溫度成正比, 可能原因是溫度越高, 越能促進(jìn)微生物對(duì)有機(jī)物的氧化分解.磷的去除與溶解氧正相關(guān), 可能原因是溶解氧含量越高, 聚磷菌增殖愈快, 進(jìn)而對(duì)磷的吸收作用越強(qiáng).氨氮的去除與硝氮成反比, 這是因?yàn)榘钡娜コ饕峭ㄟ^(guò)硝化作用, 而進(jìn)水硝氮含量越高對(duì)硝化作用有抑制作用.此外, 氨氮的去除還與氧化還原電位正相關(guān), 這是因?yàn)橄趸饔脧?qiáng)弱與氧化還原電位正相關(guān).總氮的去除與總有機(jī)物正相關(guān), 可能原因反硝化脫氮需要碳源, 有機(jī)物含量越高, 越能促進(jìn)反硝化強(qiáng)度.這種解釋被隨后的線性關(guān)系, 即溶解性氮的去除與溶解性有機(jī)物正相關(guān)進(jìn)一步驗(yàn)證(表 5).
針對(duì)出水理化特征, 在曝氣垂直流濾池中各污染物的去除率主要取決于出水質(zhì)量濃度, 即出水質(zhì)量濃度越高, 去除率越低.總有機(jī)物的去除與溶解性氮負(fù)相關(guān), 這是因?yàn)槌鏊芙庑缘吭礁? 反硝化作用越弱; 相應(yīng)地, 反硝化消耗的碳源也就越少.總有機(jī)物的去除與pH值負(fù)相關(guān), 這是因?yàn)榉聪趸饔冕尫艍A度, pH值升高能抑制反硝化作用.此外, 總有機(jī)物的去除與溶解氧正相關(guān), 這是因?yàn)槿芙庋踉礁? 越能促進(jìn)有機(jī)物的氧化分解.溶解性有機(jī)物的去除也有類似規(guī)律, 不過(guò)它還與鹽度、硝氮、壓強(qiáng)、亞硝氮等相關(guān).總磷的去除與總?cè)芙夤腆w負(fù)相關(guān), 這可能是因?yàn)榱姿猁}是總?cè)芙夤腆w的重要組份, 出水總?cè)芙夤腆w含量愈高, 磷的去除率愈低.硝氮的去除與氨氮正相關(guān), 這是因?yàn)槌鏊钡坑? 通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化成硝氮的含量也就愈低.總氮的去除與氧化還原電位、pH值負(fù)相關(guān), 這是因?yàn)榭偟娜コ饕蕾囉诜聪趸^(guò)程, 而反硝化傾向于厭氧環(huán)境且釋放堿度; 亞硝氮的去除與pH值負(fù)相關(guān)也是類似原因(表 5).
針對(duì)進(jìn)水理化特征, 在折流式水平流濾池中有機(jī)物的去除與進(jìn)水溶解性有機(jī)物正相關(guān), 說(shuō)明有機(jī)物的氧化分解是濾池脫除有機(jī)物的主要途徑.這種假設(shè)被有機(jī)物的去除與氨氮的負(fù)相關(guān)進(jìn)一步證實(shí), 即進(jìn)水氨氮含量愈高, 硝化作用與有機(jī)物分解競(jìng)爭(zhēng)的溶解氧量也就愈高.總磷的去除與進(jìn)水負(fù)荷正相關(guān), 這與文獻(xiàn)報(bào)道的, 在一定范圍內(nèi)污染物去除率隨進(jìn)水負(fù)荷呈線性遞增一致.氨氮的去除與進(jìn)水溶解氧正相關(guān), 說(shuō)明硝化作用仍是氨氮去除的主要途徑.硝氮的去除與分流比、溶解性有機(jī)物正相關(guān), 與亞硝氮負(fù)相關(guān), 說(shuō)明反硝化是硝氮去除的主要途徑.總氮的去除與進(jìn)水質(zhì)量濃度、分流比正相關(guān), 與溶解性氮負(fù)相關(guān), 說(shuō)明反硝化也是總氮去除的主要途徑; 此外, 總氮的去除還與氧化還原電位正相關(guān), 說(shuō)明在折流式水平流濾池內(nèi)部還同時(shí)存在硝化作用.溶解性氮與分流比正相關(guān), 說(shuō)明反硝化是溶解性氮去除的主要途徑(表 5).
針對(duì)出水理化特征, 在折流式水平流濾池中多項(xiàng)污染物的去除率與出水質(zhì)量濃度負(fù)相關(guān), 這與曝氣垂直流濾池類似.有機(jī)物的去除與溶解性氮負(fù)相關(guān), 說(shuō)明異養(yǎng)反硝化是有機(jī)物脫除的主要途徑.總磷的去除與溫度、溶解性有機(jī)物正相關(guān), 可能是因?yàn)榛|(zhì)微生物在磷的吸附/吸收過(guò)程中起重要作用, 而微生物又與溫度、有機(jī)物密切相關(guān).氨氮的去除與溶解性氮負(fù)相關(guān), 可能是因?yàn)槌鏊芙庑缘坑? 反硝化作用愈弱, 致使積累的硝氮/亞硝氮抑制了氨氮的硝化過(guò)程.氨氮的去除與總氮正相關(guān), 可能是因?yàn)橄到y(tǒng)傾向于好氧環(huán)境(出水平均溶解氧為2.38 mg˙L-1, 表 2), 這有利于硝化過(guò)程而不利于反硝化, 而總氮的去除主要依賴于反硝化.出水總氮含量愈高, 意味反硝化愈弱, 相反, 好氧性愈強(qiáng), 愈利于氨氮的硝化過(guò)程.氨氮的去除還與溶解性有機(jī)物正相關(guān), 可能是因?yàn)槌鏊芙庑杂袡C(jī)物含量愈高, 愈有利于反硝化過(guò)程, 而硝氮/亞硝氮的減少又有利于氨氮向其轉(zhuǎn)化.此外, 硝氮的去除與分流比正相關(guān), 說(shuō)明反硝化是硝氮去除的主要途徑(表 5).
2.3.2 冗余度分析
在進(jìn)行RDA排序之前, 先對(duì)監(jiān)測(cè)的20個(gè)進(jìn)出水影響因素進(jìn)行主成分分析.結(jié)果除折流式水平流濾池的進(jìn)水理化特征提取到4個(gè)主成分外, 其它3組都是提取到5個(gè)主成分, 且每組主成分解釋的累積方差都達(dá)到了80%以上(表 6).
表 6 提取的主成分解釋的累積方差
由各主成分的因子載荷可知, 針對(duì)曝氣垂直流濾池進(jìn)水理化特征, 第一主成分主要包括磷、有機(jī)物、pH值、溶解氧, 第二、三主成分主要包括溶解性鹽、溫度、壓強(qiáng)、水力負(fù)荷, 第四主成分主要包括溶解性氮; 針對(duì)曝氣垂直流濾池出水理化特征, 第一主成分主要包括溶解性鹽、總氮, 第二主成分主要包括有機(jī)物、溶解氧、pH值, 第三主成分包括壓強(qiáng)、溫度, 第四主成分包括磷; 類似地, 針對(duì)折流式水平流濾池進(jìn)水理化特征, 第一主成分主要包括溶解性氮、總氮、溶解性鹽, 第二主成分主要包括溶解氧、分流比、有機(jī)物; 針對(duì)折流式水平流濾池出水理化特征, 第一主成分主要包括溶解性鹽、氧化還原電位, 第二主成分主要包括溶解性氮、分流比、總氮, 第三主成分主要包括壓強(qiáng)、溫度、溶解氧、pH值(表7).
| 項(xiàng)目 | 主成分 |
| Factor_1 | Factor_2 | Factor_3 | Factor_4 | Factor_5 |
| | 0.940(IP) | 0.949(SC) | 0.955(T) | 0.808(DIN) | 0.896(TN) |
| | 0.918(DCOD) | 0.947(TDS) | -0.859(P) | -0.801(NO2--N) | -0.573(ORP) |
| 曝氣垂直流濾池進(jìn)水 | 0.908(TCOD) | 0.810(Sal) | -0.817(Res) | 0.690(TAN) | |
| 0.876(pH) | 0.651(HLR) | 0.816(Cond) | 0.625(NO3--N) | |
| | 0.792(DO) | | | | |
| | 0.655(TP) | | | | |
| | 0.964(TDS) | 0.930(TCOD) | 0.811(P) | 0.839(IP) | 0.830(NO3--N) |
| | 0.962(SC) | 0.929(DCOD) | -0.779(T) | 0.620(TP) | 0.677(HLR) |
| | 0.947(TN) | -0.759(DO) | | | |
| | 0.869(Cond) | 0.748(ORP) | | | |
| 曝氣垂直流濾池出水 | 0.862(Sal) | -0.595(pH) | | | |
| | -0.853(Res) | | | | |
| | 0.819(DIN) | | | | |
| | 0.710(TAN) | | | | |
| | 0.548(NO3--N) | | | | |
| | 0.911(DIN) | 0.948(DO) | 0.810(IP) | 0.814(P) | |
| | 0.891(TN) | 0.913(Ratio) | 0.807(TAN) | -0.753(T) | |
| 折流式水平流濾池進(jìn)水 | 0.778(TDS) | 0.897(TCOD) | 0.650(pH) | 0.717(ORP) | |
| 0.771(NO3--N) | 0.884(DCOD) | -0.589(NO2--N) | 0.635(Res) | |
| | 0.757(SC) | 0.601(TP) | | -0.577(Cond) | |
| | 0.731(Sal) | | | | |
| | 0.967(Cond) | 0.842(DIN) | -0.804(P) | 0.704(DCOD) | 0.828(IP) |
| | -0.947(Res) | 0.831(NO3--N) | 0.753(T) | -0.697(TP) | 0.760(TAN) |
| 折流式水平流濾池出水 | 0.945(Sal) | -0.737(Ratio) | 0.705(DO) | -0.650(NO2--N) | 0.484(TCOD) |
| 0.945(TDS) | 0.580(TN) | 0.555(pH) | | |
| | 0.944(SC) | | | | |
| | 0.786(ORP) | | | |
1) 曝氣垂直流濾池進(jìn)水、出水理化特征作旋轉(zhuǎn)主成分分析經(jīng)6次迭代收斂; 折流式水平流濾池進(jìn)水、出水理化特征作旋轉(zhuǎn)主成分分析經(jīng)8次迭代收斂; 提取方法：主成分分析; 旋轉(zhuǎn)方法：Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化最大方差法
表 7 旋轉(zhuǎn)主成分矩陣中各主成分的主要因子載荷
與污染物的去除效率進(jìn)行RDA排序分析, 結(jié)果如圖 2所示.據(jù)RDA統(tǒng)計(jì)結(jié)果, 監(jiān)測(cè)的污染物去除效率與兩種濾池各自進(jìn)出水理化特征間均存在顯著(P<0.05) 的線性關(guān)系, 說(shuō)明濾池對(duì)各種污染物的去除效率確實(shí)受控于監(jiān)測(cè)的理化環(huán)境因子變異.
圖 2 兩種濾池百分比去除率與進(jìn)出水影響因素間的冗余度分析排序
進(jìn)一步分析排序圖 2發(fā)現(xiàn), 提取的各主成分對(duì)污染物的去除產(chǎn)生不同的影響.針對(duì)曝氣垂直流濾池進(jìn)水理化特征, 溶解性氮、硝氮、總氮及磷的去除效率與第一主成分明顯正相關(guān), 又結(jié)合表 7因子載荷可知, 該主成分主要由影響硝化-反硝化的碳源、溶解氧、堿度等因素構(gòu)成.關(guān)于該正相關(guān)的解釋為：溶解氧愈高, 一方面愈有利于有機(jī)物的氧化分解, 另一方面愈有利于氨氮的硝化, 產(chǎn)生更多的硝氮; 又處理原水中不乏碳源(碳氮比為7.13, 表 1), 加上濾池出水的低溶解氧環(huán)境(出水平均DO：2.09 mg˙L-1, 表 2), 更多的硝氮有利于提升反硝化強(qiáng)度, 進(jìn)而提高溶解性氮和總氮的去除效率.本研究中, 處理原水中硝氮所占的比例較低(表 1), 原水中較高的溶解氧在曝氣停止后很快被濾池內(nèi)有機(jī)物的氧化分解和硝化過(guò)程消耗, 進(jìn)而進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài), 這有助于隨后的反硝化過(guò)程. pH值與溶解氧類似, 因?yàn)橄趸^(guò)程耗堿, pH值愈高, 愈有利于硝化過(guò)程.磷的去除與上述因素正相關(guān), 可能是因?yàn)槿芙庋酢⒂袡C(jī)物含量愈高, 愈能促進(jìn)微生物增殖[16], 進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)磷的吸附/吸收強(qiáng)度[圖 2(a)和表 7].
針對(duì)曝氣垂直流濾池出水理化特征, 提取的各主成分與污染物去除效率均呈負(fù)相關(guān).除亞硝氮與第五主成分明顯負(fù)相關(guān)外, 其余指標(biāo)與第一至第四主成分明顯負(fù)相關(guān).亞硝氮與第五主成分明顯負(fù)相關(guān), 這可能是因?yàn)槌鏊醯坑? 暗示濾池內(nèi)氧化性愈強(qiáng), 愈不利于反硝化過(guò)程.這是因?yàn)閬喯醯獮榉聪趸^(guò)程中間產(chǎn)物, 極不穩(wěn)定, 很容易被氧化為硝氮.在剩余指標(biāo)中, 有機(jī)物、氨氮、溶解性氮與第二、第三主成分明顯負(fù)相關(guān), 可能是因?yàn)槌鏊芙庋?、pH值愈高, 愈有利于硝化過(guò)程; 出水中有機(jī)物含量愈高, 有機(jī)物氧化分解消耗的溶解氧也就愈多, 留給氨氮硝化的溶解氧也就愈少.氨氮的去除與溫度正相關(guān), 這是因?yàn)闇囟扔? 濾池內(nèi)部微生物的硝化反應(yīng)強(qiáng)度愈烈[圖 2(b)和表 7].
針對(duì)折流式水平流濾池進(jìn)水理化特征, 無(wú)機(jī)磷與第三主成分明顯正相關(guān), 亞硝氮與第四、第一主成分明顯正相關(guān), 其余指標(biāo)與第二主成分明顯正相關(guān).氨氮、溶解性氮、總氮的去除與第二主成分正相關(guān), 可能是因?yàn)槿芙庋跤? 伴隨進(jìn)水溶解氧的快速消耗, 更多的氨氮被氧化成硝酸鹽; 與曝氣垂直流濾池類似, 處理原水中不乏碳源, 加上濾池內(nèi)部的低溶解氧環(huán)境(出水平均DO：2.38mg˙L-1, 表 2), 反硝化強(qiáng)度提升, 最終導(dǎo)致溶解性氮、總氮去除效率的提高.溶解氧的提高也促進(jìn)了有機(jī)物的氧化分解, 提高了有機(jī)物的去除效率.總磷的去除與溶解氧、有機(jī)物正相關(guān)同樣歸屬于微生物代謝活動(dòng)的增強(qiáng)[圖 2(c)和表 7].
針對(duì)折流式水平流濾池出水理化特征, 亞硝氮的去除與第四主成分明顯正相關(guān), 與第三主成分明顯負(fù)相關(guān), 磷的去除與第五主成分明顯負(fù)相關(guān), 其余指標(biāo)與第一、第二主成分明顯負(fù)相關(guān).亞硝氮的去除與溶解氧、堿度負(fù)相關(guān), 這是因?yàn)榉聪趸瘍A向于厭氧環(huán)境且釋放堿度, 溶解氧和堿度的提升都不利于反硝化過(guò)程.磷的去除與氨氮、總有機(jī)物負(fù)相關(guān), 可能是因?yàn)槌鏊钡?、有機(jī)物含量愈高, 濾池內(nèi)部的好氧微生物代謝活動(dòng)也就愈弱, 進(jìn)而對(duì)磷的吸附/吸收活動(dòng)也就愈弱.總氮的去除與溶解性氮、硝氮負(fù)相關(guān), 與分流比、有機(jī)物的去除正相關(guān), 說(shuō)明異養(yǎng)反硝化是濾池脫除總氮的主要形式[圖 2(d)和表 7].具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1) 針對(duì)曝氣垂直流濾池+折流式水平流濾池的組合系統(tǒng), 在好氧階段, 即濾池進(jìn)水初期或曝氣期水體中溶解氧含量較高, 氧化分解是兩種濾池內(nèi)有機(jī)物去除的主要途徑.但是伴隨溶解氧的快速消耗(如曝氣垂直流濾池停止曝氣后), 兩種濾池很快進(jìn)入缺氧或厭氧狀態(tài), 隨后異養(yǎng)反硝化形成了濾池內(nèi)有機(jī)物減少的主要原因之一.
(2) 兩種濾池內(nèi)都存在明顯的硝化-反硝化, 且它們是濾池去除總氮的主要途徑.曝氣垂直流濾池對(duì)氨氮及溶解性氮的平均去除率在80%以上, 而折流式水平流濾池對(duì)氨氮及溶解性氮的平均去除率在40%以下, 表明曝氣垂直流濾池內(nèi)的硝化-反硝化強(qiáng)度都高于折流式水平流濾池.磷的去除主要受控于水力負(fù)荷、溫度、溶解氧、有機(jī)物等, 表明微生物吸收是濾池除磷的主要方式之一.
(3) 相比于單一濾池, 該組合系統(tǒng)提高了有機(jī)物和磷的去除效果, 卻降低了氮的去除效率.降低分流比有助于提升折流式水平流濾池反硝化強(qiáng)度, 但是由于從原水中引入過(guò)多的氨氮, 又折流式水平流濾池的硝化能力有限, 進(jìn)而導(dǎo)致組合系統(tǒng)總氮去除率下降.
(4) 逐步回歸及冗余度分析表明, 濾池的凈化效能不僅與運(yùn)行工況、處理原水組成密切相關(guān), 同時(shí)還受控于運(yùn)行的環(huán)境條件(溶解氧、溫度等).因此, 根據(jù)處理原水組成, 控制適宜的分流比、停留時(shí)間及濾池內(nèi)的氧化還原條件是提升該組合系統(tǒng)整體凈化效果的關(guān)鍵.
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