评估长期污水处理性能Multi-Soil-Layering系统在小型农村社区

文摘

Multi-soil-layering(韩剧)污水处理系统包括土壤单位(土壤混合物块,SMB)安排在一个砖块模式透水层包围的沸石或交替均匀大小的粒子,允许高液压加载速率。本研究评估实验室系统的性能对经营17至20年小农村社区。即使20年了这个系统安装,高有机物性能继续治疗。与传统的土壤系统除氮高于。两个火星科学实验室的系统继续展现高除磷性能,而在第三个系统,吸附能力相对较低,需要进一步调查。治疗性能在很大程度上依赖于实验室的结构系统。看来提高结构提高废水和土壤之间的接触效率SMB增强治疗的表现很重要。合并后的火星科学实验室将使用现有的废水处理系统与系统长期有效的防止环境污染。

1。介绍

水处理系统将土壤被广泛用作现场污水处理系统在美国(1),澳大利亚(2),和欧洲3]。据报道,大约有21%的美国家庭是由现场污水处理系统,和95%的这些是化粪池领域系统(4]。化粪池系统通常由化粪池和土壤流失。沉积的固体有机物的废水和厌氧分解发生在化粪池内。之后,土壤流失的废水处理领域渗透和渗透进入土壤。尽管化粪池系统已经使用在城市边缘和农村地区很难连接到集中式污水收集系统、不利影响几件物品已经被确认,包括疾病的传播,污染地面和地表水、土壤和植被退化,减少设施由于气味和昆虫,和潜在的诉讼(5]。之前的研究表明,并不是所有土壤类型有能力提供足够的治疗和分散的污水废水(6]。现场土壤特征如纹理、渗透率、阳离子交换能力,地下水位对污水处理性能有很大的影响。

土壤的水净化功能最大化,multi-soil-layering火星科学实验室()方法已被调查。火星科学实验室系统主要由土壤单位(土壤混合物块,SMB)安排在透水层包围得像模式(PL)沸石或交替均匀大小的粒子,允许高液压加载速率(HLR)。实验室系统的优势,它的表现并不强烈取决于土壤性质的网站,因为水净化功能SMB可以增强混合材料,如锯末、黄麻、铁金属和木炭的土壤(7]。

基于之前的研究,提出了以下污水处理机制(8,9]。生化需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)被困在SMB组件。被困有机物被微生物分解之后的活动。有机物去除与SMB可以增强混合木炭。铵氮(NH₄- n)可以吸附在土壤和沸石的交换网站,然后可以氧化为硝酸盐氮(NO₃通过硝化- n)。随后,没有₃转移到SMB - N,相对厌氧废水由于渗透,并可以减少N₂气体。在SMB有机材料,以及废水的有机组成部分,可以提供碳增强脱氮过程。铁和铝含水氧化物和铝硅酸盐粘土可以吸附磷酸盐离子;提高磷酸吸附、金属铁颗粒与SMB可以混合。

几个基础研究和应用研究实验室系统已经在日本、泰国、摩洛哥、中国、台湾和美国的基本研究运动在水系统(10,11),废水处理机制(9SMB和PL[],材料组成7,12- - - - - -14],曝气作用[13火星科学实验室)、水平流系统(15,治疗能力之间的关系,HLR,污染水平(16,17)一直在进行这些系统。更多的应用研究包括水净化河水[18),国内废水18,19],牲畜废水[20.)、纺织废水(21),从卫生垃圾填埋场渗滤液22),和橄榄油厂废水23)和使用区域资源。基于这些基础研究和应用研究的结果,一些实验室系统已经投入实际使用治疗河的水和废水从厕所在公园和小社区。

然而,一些实验工作已经完成在实验室长期污水处理性能的评价系统。Luanmanee et al。8火星科学实验室的效率评估系统治疗国内废水在第九和第十年操作;然而,这一研究也是一个个人国内污水处理半工业规模试验,和长期业绩没有在实际应用层面评价(24]。长期研究污水处理性能和系统寿命将用于创建实验室系统的设计指导方针。

本研究调查了污水处理性能的三个实验室系统操作17到20年在小农村社区。我们计算质量平衡的BOD,氮,磷和评估之间的结构差异的影响三个实验室系统废水处理效率。

2。材料和方法

2.1。实验仪器的研究和描述网站

本研究是在火星科学实验室三个国内污水处理设施进行系统安装在小型农村社区在岛根县,日本。图1显示了废水处理的流程图。首先,从这些小农村社区被废水生物接触曝气设备(BCAE)。这三个网站都使用相同的BCAE系统。BCAE包括沉淀和分离坦克1和2,接触曝气坦克1和2,另一个沉淀池,泵舱。当检测到水位检测传感器固定在泵水箱水位,液下泵启动操作,和水处理的BCAE出院到实验室系统。因此,处理过的水是断断续续的火星科学实验室将加载系统和治疗由实验室系统在不饱和垂直流条件。火星科学实验室的水处理系统是由重力流排放到河边沿着自然坡后氯消毒。

图2火星科学实验室将显示的结构和管路图系统在每个站点上。截断广场金字塔漏洞挖掘,乙烯基表布局在整个表面的孔,避免地下水污染。底部30厘米(站点1和2)或20厘米(网站3)充满了砂砾石(4到10厘米,直径)。多孔排水管(15厘米直径)是安装在底部的砂砾石层。砾石层的表面覆盖着塑料网,然后与韩剧的结构,组成三个SMB层,建立了塑料网。SMB含有火山灰土壤是富含有机质和分类作为Andisol。PL(空白空间每个土壤块和块面)之间包含一个风化花岗岩沙地土壤(新成土)和珍珠岩的比率10:1在干重的基础上。SMB是包裹在黄麻织物和放置10厘米,宽100厘米高;SMB被安排在一个砖模式包围PL。SMB的变化取决于网站的深度。尽管火星科学实验室的规模系统几乎相同的站点1和3,SMB在站点1的深度更深,在网站3。 The soil blocks at SITE 3 were divided further than those at SITE 1 (Figure2)。土壤块之间的间隔在水平和垂直方向20厘米,10厘米,分别。在火星科学实验室的上部结构,多孔入口管(直径5厘米)安装和满是砾石岩石直径约4厘米。砾石层的表面覆盖着塑料网,提高渗透率,系统是由顶部的土壤混合物风化花岗质土壤,火山灰土壤和珍珠岩比10:1:1在干重的基础上。

表1描述了三个研究地点在小农村社区从2012年7月到2013年6月。的研究中,这些设施在17到20年以来安装。网站站点1,2,3是安装在1996年,1994年和1993年,分别。管道总长度范围从425到882,在这些设施和用户与网站的数量1,2,和站点3 30,24日分别和35。设施首次安装时,相关用户的数量54岁,30岁和52岁。这些数字已经下降了20%到44%的运行时间在该地区由于人口减少。实验室系统网站的顶部区域1(198米²)是最大的,而该地区在网站2(139米²)是最小的。意味着在每个社区用水量范围从4.84到8.76米³·天⁻¹和相关实验室的HLR系统范围从0.030到0.051米³·米⁻²·天⁻¹。火星科学实验室将在站点1和站点2,系统操作从5月至10月,因为河水用于水稻种植在那些个月。处理过的水从BCAE在其他月份直接直接排入河中。火星科学实验室将在网站3,系统全年运行由于缺陷流选择阀,但它是未知的缺陷发生时。

2.2。水取样和测量质量

在这三个网站,废水和处理过的水取样一次每月从2012年7月到2013年6月。水样收集从(1)的沉降和隔油池2 BCAE废水,(2)的泵舱BCAE处理过的水,和(3)放电管从实验室系统(氯消毒前)处理过的水(图2)。这些样本的数据被称为WW,太瓦_BCAE,太瓦_{火星科学实验室},分别。现场2,样品不能收集2月8日,2013年,由于大雪,和WW样本不能收集4月15日,2013年,由于BCAE维护。采集水样进行分析如下:磷酸盐磷(PO₄使用抗坏血酸方法- p)浓度、总磷(t - p)浓度使用过硫酸钾消化和抗坏血酸的方法,酸碱度和氧化还原电位(ORP)使用电极的方法,使用溶解氧BOD(做)计,鳕鱼用重铬酸钾法,在北半球₄使用Nesslerization方法- n浓度,不₃- n和亚硝酸盐氮(NO₂- n)浓度使用离子色谱(DIONEX dx - 120),用过硫酸钾和总氮浓度(sn)消化和紫外吸收法。

3所示。结果与讨论

3.1。除磷

图3表明磷组分的变化从BCAE废水和处理过的水和实验室系统。WW网站1浓度高,全年波动,特别是形式(总-阿宝₄- p),被认为是有机的 。在台湾_BCAE从所有网站,阿宝₄- p浓度显示没有改变或增加与WW样品相比,而浓度降低。有机被分解和/或删除BCAE沉积。

磷治疗实验室系统非常有效的现场3和现场1整体比执行系统,尽管流入浓度(TW_BCAE)类似的网站和网站加载速度3大约是1.7倍,在站点1。除磷的机制是由土壤物理化学吸附组件,并消除性能很大程度上受到的效率在SMB废水和土壤之间的联系。在先前的研究中,一个实验室系统和薄窄SMB(即。,larger SMB surface area) had higher removal rates for SS, BOD, COD, and T-P because of the enhanced contact efficiency between the wastewater and the SMB [25]。这项研究的结果表明,火星科学实验室的更大的性能系统现场3是由于在SMB结构和增强部门网站1。火星科学实验室将因此增加部门,系统现场3 SMB表面积更大。

韩剧系统现场2的处理效率低于在其他网站。先前的研究已经表明,除磷是主要基于磷吸附在土壤中活性铝氢氧化物和铁氢氧化物(7]。的ORP太瓦_{火星科学实验室}从其他网站2低于这两个站点(图4),这表明一个相对厌氧条件成立内部实验室系统相比于其他网站。因此,磷吸附在铁氢氧化物与韩剧系统网站2最有可能减少,因为铁氢氧化物的存在降低了。此外,快捷流程可能发生在实验室系统由于流入管失败,导致减少废水和SMB之间的接触效率的系统。在以前的研究中,集中流入造成水流(即抱有偏见。、快捷流)对系统内部的一部分(10]。如果太瓦_BCAE出院只从流入管由于管的一部分失败,快捷流发生在实验室系统。这个快捷方式流可能导致减少有机物分解的ORP太瓦_{火星科学实验室}。

3.2。去除有机物(BOD和COD)

图5显示在WW BOD和COD浓度的变化,太瓦_BCAE,太瓦_{火星科学实验室}在每个站点。每月的BOD波动WW高,TW的浓度_BCAE根据WW浓度稍有波动。TW的_{火星科学实验室}样品显示极低和高纯度稳定浓度。治疗BCAE站点1的性能不如其他网站。TW的生化需氧量_{火星科学实验室}在站点1略高于其他网站,部分由于BOD负荷较高实验室系统。现场3 BCAE和实验室系统的处理性能都高。根据作用于化粪池在日本,一个标准的污水废水BOD值小于20 mg·L⁻¹。虽然BCAE系统无法达到这些标准,结合性能与韩剧系统实现了全年标准网站。

COD浓度的变化表现出类似的趋势BOD浓度。太瓦_{火星科学实验室}现场3还显示COD浓度最低。更好的性能在网站3的可能原因的区别是韩剧系统结构在不同的站点,如上所述。SMB现场3比现场更分裂1,废水可以更有效地渗透SMB;因此,它可能是有机物也困在SMB更有效。相反,COD的去除能力实验室系统现场2相对较低,尽管高BOD去除能力。鳕鱼慢慢包括容易可分解的有机物和可分解的有机物,而生化需氧量代表只有容易可分解的有机物质。磷处理的结果表明,快捷流等问题发生在韩剧系统网站2。这可能是COD去除效率很容易受到他们的影响,而BOD去除效率不是。

3.3。氮去除

图6表明氮组件的变化从BCAE废水和处理过的水和实验室系统。北半球₄- N占很大一部分废水中的组件,以及有机N(即。,sn -无机N)是第二大一部分污染物池。废水在站点1包含一些没有₃- n (2.7 mg·L⁻¹平均)可能是因为废水有较高的ORP(图4)和相对有氧相比于其他网站。

BCAE,去除效率不是很高,去除率仅为20%左右。组件的分布比率在不同的三个网站,网站虽然sn浓度相似。在站点1,NH的比例₄- n是高也没有₃- n很低。硝化作用活动受限;pH值高于另两个站点(图4)。相反,没有的比例₃现场- n高3。现场BCAE 3表示更高的硝化活性导致的积累₃- n,处理过的水的pH值低于废水的pH值。

在实验室系统站点1中,氮去除效率较低和其他网站相比,和北半球₄- n占据很大一部分的氮组件。实验室系统现场2,sn浓度小于10 mg·L⁻¹。无₃- n浓度极低(约0 mg·L⁻¹),而北半球₄- n占据很大一部分的氮组件。在韩剧系统现场3,平均sn浓度非常低为1.7 mg·L⁻¹。实验室系统网站的pH值1和网站2减少与BCAE相比,而韩剧系统网站3中的pH值增加的价格相比BCAE。这是最有可能的,因为韩剧系统网站3中的脱氮活性高于火星科学实验室的系统网站网站1和2,有效地消除₃从系统- n。

在这项研究中,₃火星科学实验室- n浓度处理过的水从系统在所有网站极低;因此,很可能火星科学实验室的内部系统保持相对厌氧,使脱氮活动容易发生。gravel-sized材料,如沸石和浮石,用作高速PL材料治疗和预防堵塞(18]。在这项研究中,土壤风化花岗岩和珍珠岩用于PL材料。应用土壤风化花岗岩的PL韩剧里面的含水量增加而实验室系统使用PL gravel-sized材料。火星科学实验室的内部系统,特别是在SMB,成为厌氧,延伸氮组件的停留时间。因此,脱氮活动可能发生在实验室系统在这个研究。在高速的情况下治疗,如2000 - 4000 L·m⁻²·天⁻¹河流水处理或最后一个三级污水处理、PL gravel-sized材料中的应用是需要保持透水性和防止堵塞;然而,土壤风化花岗岩的应用可能是更有效的脱氮活动HLR较低的情况下,比如在这项研究。此外,有迹象显示的比例越高₃- n处理过的水从BCAE现场3导致脱氮增加实验室系统的活动,最终消除大部分的氮处理过的水。然而,引入过多的没有₃- n实验室系统可能导致浸出的₃n,因为土壤颗粒通常有一个负电荷。增加氮化处理实验室系统的性能,有必要建立一个适当的操作管理技术BCAE根据污水流入的质量和数量。

3.4。质量平衡的BOD、COD、sn和t - p

表2显示了BOD的质量平衡、鳕鱼、sn, t - p从2012年7月到2013年6月在每个站点。质量平衡数据计算了每个参数的浓度和体积的水在每个网站消费。

BCAE在站点1中的BOD去除性能低于其他网站,并消除率为48%,而取消利率网站网站2和3分别为72%和77%,分别。期间在实验室操作停止,占总数的8%和22%从废水BOD负荷站点网站1和2,分别直接排放到河中。实验室系统中的BOD去除效率高,和移除率大于80%。特别是韩剧系统现场3 BOD去除率最高(95.3%),尽管单位面积上的总BOD负荷和BOD负荷最高,因为相关用户的数量是最高的,也没有停止期间。正如上面提到的,更大的表面积SMB韩剧系统现场3很可能相关的去除率高。完整的水处理系统现场3删除99%的废水的BOD因为韩剧系统全年工作没有直接从BCAE处理过的水的排放进河里。实验室系统的COD的去除率低于BOD去除率因为鳕鱼包括容易可分解的有机物,慢慢可分解的有机物质。韩剧系统现场3 COD去除率最高,类似于它的BOD去除率。假设与韩剧的除去率系统不受变量操作时间,治疗BCAE-treated火星科学实验室和一个水系统没有段停止删除超过90%的BOD和COD废水在每个站点上。

BCAE的sn的去除率在每个站点都差不多的17%到21%。相反,利率从韩剧系统跨站点不同,从52.2%到94.2%不等。韩剧系统现场3有一个极高的去除率。据报道,氮移除率传统的化粪池系统可能会有所不同从0%到35% (26]。移除率在一个实验室系统在常规治疗显著改善系统。此外,它提出了water-dosing方法提供了一个更加统一的污水排水场分布,增加现场污水处理系统的反硝化潜力(26]。先前的研究表明,火星科学实验室的结构系统提供有效的分散在水系统(10];因此,提高水流最有可能提高了氮的去除效率。此外,以前的研究也表明,增加中小企业的数量在系统通过减少宽度有助于提高水流的色散(10]。更大的实验室系统的脱氮性能现场3相比,在站点1最有可能是由于大量的SMB网站3系统,提高了分散的水流。虽然有限制细分SMB由于技术限制施工,预计提高脱氮性能与韩剧结构的修改。此外,重要的是要考虑最优制度建设BCAE基于控制氮组件,以及aerobic-anaerobic条件在实验室系统。

bca的t - p的去除率变化之间的三个网站,从9%到29%不等。实验室系统的t - p的去除率最高现场3,现场现场少1,最低2(分别为93.0%、80.0%和35.2%)。

Wakatsuki et al。7估计一个Andisol可以吸附1.0 g的阿宝₄每公斤- p,而风化花岗岩土壤(quartz-rich砂土)可以吸收0.1 g的阿宝₄每公斤- p在传统土壤系统。基于材料的数量(Andisol和风化花岗岩土壤体积密度分别为0.9和1.5公斤·L⁻¹)在每个站点在这项研究中,据估计,与韩剧系统网站,网站2,和站点3可以吸附49.9,34.5,和43.0公斤的阿宝₄分别- p。总磷负荷从BCAE实验室系统网站,网站2,和站点3从2012年7月到2013年6月4.67,4.01,和9.84公斤的阿宝₄分别- p。这些数量计算从t - p TW的浓度_BCAE在每个社区和体积的水消费。假设火星科学实验室系统能够清除BCAE中的总磷负荷的80%,磷净化实验室系统的寿命在站点1,网站2,和站点3计算为13.4,10.8,和5.5年。然而,这些寿命可能高估了因为相关用户的数量是大的。

尽管火星科学实验室所有三个系统本研究超过了计算寿命为磷净化,韩剧系统站点1和站点3表现出较高的除磷性能。加强废水和土壤之间的接触效率SMB韩剧结构看似增强磷的净化能力。正如上面提到的,与韩剧系统现场3表现出较高的除磷性能比现场1,这些结果表明,火星科学实验室结构极大地影响了除磷性能。此外,Luanmanee et al。13)表示,减少和筛选了铁(亚铁离子)的形式从SMB在厌氧条件下可以在有氧条件下氧化成不溶性氢氧化铁PL;由此产生的氢氧化铁能够有效地去除磷的实验室系统。这些结果表明,火星科学实验室的系统可以吸附,去除磷大于常规土壤系统,因为这些原因,寿命将会大于上述估计计算。因为除磷是一种物理化学反应,与生物反应如有机质和氮化处理,提高废水和土壤之间的接触效率与最佳SMB SMB分级和混合铁粒子与SMB重要的方法来延长系统的寿命。

在韩剧系统网站2中,去除性能很低,和土壤的吸附能力可能达到饱和;然而,磷负荷到实验室系统现场2不是大大不同于加载站点1和3。虽然厌氧条件和快捷流的发生可能影响低删除性能,正如上面提到的,可能还有其他因素,并进一步调查,如土壤分析和管道检查,需要确认。

4所示。结论

即使20年以来火星科学实验室的安装系统在这项研究中,有机物和氮的去除效率仍然发生。火星科学实验室的两个系统都表现出高水平的除磷;不过,在第三个系统中,土壤的吸附能力可能会达到饱和,并进一步调查是必要的。污水处理性能在很大程度上依赖于个别实验室系统的结构。这项研究的结果表明,综合利用现有污水处理系统(BCAE)实验室系统长期有效的防止环境污染。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢在岛根县大学生命与环境科学学院帮助出版这个报告在金融支持。

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