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, 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)生物濾池不斷進行改進, 開發(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)計經(jīng)驗, 且無詳細明確的工藝設(shè)計準則.生物脫氮是去除氮素的主要途徑之一.強化生物脫氮的關(guān)鍵在于調(diào)控系統(tǒng)內(nèi)部的氧化還原條件及優(yōu)化原水中有機碳源的利用, 而且系統(tǒng)的水力停留時間、反應(yīng)溫度、進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、有機物等, 極易對地表水造成富營養(yǎng)化.削減養(yǎng)殖廢水氮磷排放、開發(fā)適宜處理技術(shù)、提高水資源使用效率已成為我國發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)當(dāng)務(wù)之急.鑒于此, 作者設(shè)計了曝氣垂直流濾池(aerated vertical-flow filter, AVF)+折流式水平流濾池(baffled horizontal-flow filter, BHF)的組合系統(tǒng), 將前者的強硝化功能與后者的優(yōu)勢反硝化功能有機結(jié)合.同時, 通過設(shè)計不同的水力負荷及分流比來分別調(diào)控系統(tǒng)的反應(yīng)時間及對原水中碳源的利用, 最終達到高效脫除養(yǎng)殖廢水中氮磷、有機物的目的.本研究通過全面分析組合系統(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 試驗系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)建
試驗系統(tǒng)設(shè)計如下：配水池內(nèi)原水經(jīng)水泵抽提后通過分流閥(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充后一級濾池反硝化所需的有機碳源.所有單元構(gòu)筑材料均為有機玻璃, 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, 后者通過聚乙烯軟管與旋渦風(fēng)機相連(風(fēng)量：60 m3˙h-1; 最大風(fēng)壓：10 kPa; 品牌：亞士霸; 型號：HG-250;產(chǎn)地：浙江臺州).折流式水平流濾池(L 100 cm×W 48 cm×H 48 cm)自進水端向出水端呈3‰坡度傾斜; 同時, 折流式水平流濾池內(nèi)增設(shè)了9個等間距平行交錯的有機玻璃折流板(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), 進行微生物適宜性馴化, 待系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定后, 再進行數(shù)據(jù)采集.試驗廢水配置參考上述養(yǎng)殖場排放的高質(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.配置廢水對應(yīng)各項污染物的質(zhì)量濃度見表 1.
測試過程按設(shè)定的分流比分為3個階段, 但不同階段折流式水平流濾池的水力負荷不變(即各階段總進水量恒定).所設(shè)定的3個分流比依次為8：2、6：4和4：6.以8：2為例進行說明：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.對應(yīng)地, 曝氣垂直流濾池運行的3種水力負荷依次為(131±7)、(94±7) 和(60±2) mm˙d-1.
表 1 試驗?zāi)M配置的廢水組成1) /mg˙L-1
組合系統(tǒng)每天間歇進水一次, 即曝氣垂直流濾池水力停留時間為24 h, 折流式水平流濾池理論水力停留時間為43.7 h.曝氣垂直流濾池每天曝氣運行4 h(10:00~14:00), 對應(yīng)氣水比約為1 200：1.水樣采集點為曝氣垂直流濾池進水、底部出水, 折流式水平流濾池進水、末端出水.采樣頻率為每天1次, 每次采樣時間點固定(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)運行2周待系統(tǒng)穩(wěn)定后再進行下一輪數(shù)據(jù)采集.采用美國YSI多參數(shù)水質(zhì)分析儀(型號：Pro Plus)現(xiàn)場測定壓強(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, 按國家標(biāo)準方法測定COD、TN、NO3--N、NO2--N、NH4+-N、TP、IP等指標(biāo), 其中COD測量為錳法. COD又分為總有機物(TCOD)和溶解性有機物(DCOD). DCOD為水樣經(jīng)濾紙過濾后測定值, TCOD為直接測定值.
1.3 數(shù)據(jù)分析
本文采用百分比去除率評價濾池的凈化效能, 即百分比去除率=(進水質(zhì)量濃度-出水質(zhì)量濃度)/進水質(zhì)量濃度×100%.獨立樣本t-test用于檢驗進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)用于檢驗不同水力負荷/分流比對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)測的所有理化因子對凈化效率的影響, 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出水理化特征的關(guān)系.因為監(jiān)測的理化因子變量較多, 為了避免變量之間的自相關(guān), 在進行RDA排序之前, 先對監(jiān)測的環(huán)境變量進行主成分分析.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 生物濾池進出水理化特征比較
比較兩種不同類型的生物濾池進出水理化特征, 發(fā)現(xiàn)曝氣垂直流濾池、折流式水平流濾池進出水的壓強、溫度無顯著差異, 折流式水平流濾池進出水的氧化還原電位也無顯著差異, 其余監(jiān)測指標(biāo)差異顯著.進一步比較發(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 兩種生物濾池進出水理化參數(shù)比較
2.2 生物濾池凈化效能比較
不同運行工況(水力負荷/分流比)的調(diào)整對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, 不同水力負荷對亞硝氮的去除率無顯著影響, 對其它指標(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無機磷和亞硝氮的去除率無顯著影響, 對其它指標(biāo)相反; 針對組合系統(tǒng), 不同運行工況對總磷、氨氮及亞硝氮的去除率無顯著影響, 對其它指標(biāo)相反.除溶解性有機物和硝氮外, 兩種不同類型濾池對其它指標(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行工況下百分比去除率的協(xié)方差分析結(jié)果(P值)
進一步比較發(fā)現(xiàn), 在曝氣垂直流濾池中, 有機物的去除率隨水力負荷的降低先升高后降低, 但無論總有機物還是溶解性有機物總體平均去除率都在80%以上.磷的去除率隨水力負荷的降低呈增加趨勢.氨氮、亞硝氮、總氮及溶解性氮去除率隨水力負荷的變化趨勢與有機物類似, 而硝氮去除率隨水力負荷的變化趨勢與磷相似.總體而言(不分水力負荷變化), 曝氣垂直流濾池對有機物、氨氮及溶解性氮的平均去除率都在80%以上, 對磷、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.無機磷、的去除率隨分流比的變化趨勢與有機物類似, 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, 其余各項指標(biāo)的變化趨勢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與曝氣垂直流濾池類似.此外, 曝氣垂直流濾池對總有機物、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、無機磷的變化趨勢與此相反(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物、亞硝氮與進水影響因素間無顯著相關(guān)性; 類似地, 在折流式水平流濾池中亞硝氮與進水影響因素間無顯著相關(guān)性.除此之外, 其余指標(biāo)與兩種濾池進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給出標(biāo)準化和非標(biāo)準化系數(shù).因為本研究監(jiān)測的理化環(huán)境因子量綱不一致, 為了更加合理地評價監(jiān)測的每項環(huán)境因子對污染物去除效率的影響, 采用標(biāo)準化系數(shù)進行比較分析; ND表示未檢測到顯著線性關(guān)系
表 5 兩種生物濾池百分比去除率與進出水影響因素間的逐步回歸分析結(jié)果1)
針對進水理化特征, 在曝氣垂直流濾池中總有機物去除與溫度成正比, 可能原因是溫度越高, 越能促進微生物對有機物的氧化分解.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, 進而對磷的吸收作用越強.氨氮的去除與硝氮成反比, 這是因為氨氮的去除主要是通過硝化作用, 而進水硝氮含量越高對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), 這是因為硝化作用強弱與氧化還原電位正相關(guān).總氮的去除與總有機物正相關(guān), 可能原因反硝化脫氮需要碳源, 有機物含量越高, 越能促進反硝化強度.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物正相關(guān)進一步驗證(表 5).
針對出水理化特征, 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.總有機物的去除與溶解性氮負相關(guān), 這是因為出水溶解性氮含量越高, 反硝化作用越弱; 相應(yīng)地, 反硝化消耗的碳源也就越少.總有機物的去除與pH值負相關(guān), 這是因為反硝化作用釋放堿度, pH值升高能抑制反硝化作用.此外, 總有機物的去除與溶解氧正相關(guān), 這是因為溶解氧越高, 越能促進有機物的氧化分解.溶解性有機物的去除也有類似規(guī)律, 不過它還與鹽度、硝氮、壓強、亞硝氮等相關(guān).總磷的去除與總?cè)芙夤腆w負相關(guān), 這可能是因為磷酸鹽是總?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), 這是因為出水氨氮含量愈高, 通過硝化作用轉(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值負相關(guān), 這是因為總氮的去除主要依賴于反硝化過程, 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值負相關(guān)也是類似原因(表 5).
針對進水理化特征, 在折流式水平流濾池中有機物的去除與進水溶解性有機物正相關(guān), 說明有機物的氧化分解是濾池脫除有機物的主要途徑.這種假設(shè)被有機物的去除與氨氮的負相關(guān)進一步證實, 即進水氨氮含量愈高, 硝化作用與有機物分解競爭的溶解氧量也就愈高.總磷的去除與進水負荷正相關(guān), 這與文獻報道的, 在一定范圍內(nèi)污染物去除率隨進水負荷呈線性遞增一致.氨氮的去除與進水溶解氧正相關(guān), 說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、溶解性有機物正相關(guān), 與亞硝氮負相關(guān), 說明反硝化是硝氮去除的主要途徑.總氮的去除與進水質(zhì)量濃度、分流比正相關(guān), 與溶解性氮負相關(guān), 說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), 說明在折流式水平流濾池內(nèi)部還同時存在硝化作用.溶解性氮與分流比正相關(guān), 說明反硝化是溶解性氮去除的主要途徑(表 5).
針對出水理化特征, 在折流式水平流濾池中多項污染物的去除率與出水質(zhì)量濃度負相關(guān), 這與曝氣垂直流濾池類似.有機物的去除與溶解性氮負相關(guān), 說明異養(yǎng)反硝化是有機物脫除的主要途徑.總磷的去除與溫度、溶解性有機物正相關(guān), 可能是因為基質(zhì)微生物在磷的吸附/吸收過程中起重要作用, 而微生物又與溫度、有機物密切相關(guān).氨氮的去除與溶解性氮負相關(guān), 可能是因為出水溶解性氮含量愈高, 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程.氨氮的去除與總氮正相關(guān), 可能是因為系統(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, 愈利于氨氮的硝化過程.氨氮的去除還與溶解性有機物正相關(guān), 可能是因為出水溶解性有機物含量愈高, 愈有利于反硝化過程, 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
在進行RDA排序之前, 先對監(jiān)測的20個進出水影響因素進行主成分分析.結(jié)果除折流式水平流濾池的進水理化特征提取到4個主成分外, 其它3組都是提取到5個主成分, 且每組主成分解釋的累積方差都達到了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, 針對曝氣垂直流濾池進水理化特征, 第一主成分主要包括磷、有機物、pH值、溶解氧, 第二、三主成分主要包括溶解性鹽、溫度、壓強、水力負荷, 第四主成分主要包括溶解性氮; 針對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物、溶解氧、pH值, 第三主成分包括壓強、溫度, 第四主成分包括磷; 類似地, 針對折流式水平流濾池進水理化特征, 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、有機物; 針對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、溫度、溶解氧、pH值(表7).
| 項目 | 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行RDA排序分析, 結(jié)果如圖 2所示.據(jù)RDA統(tǒng)計結(jié)果, 監(jiān)測的污染物去除效率與兩種濾池各自進出水理化特征間均存在顯著(P<0.05) 的線性關(guān)系, 說明濾池對各種污染物的去除效率確實受控于監(jiān)測的理化環(huán)境因子變異.
圖 2 兩種濾池百分比去除率與進出水影響因素間的冗余度分析排序
進一步分析排序圖 2發(fā)現(xiàn), 提取的各主成分對污染物的去除產(chǎn)生不同的影響.針對曝氣垂直流濾池進水理化特征, 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度, 進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)有機物的氧化分解和硝化過程消耗, 進而進入?yún)捬鯛顟B(tài), 這有助于隨后的反硝化過程. pH值與溶解氧類似, 因為硝化過程耗堿, pH值愈高, 愈有利于硝化過程.磷的去除與上述因素正相關(guān), 可能是因為溶解氧、有機物含量愈高, 愈能促進微生物增殖[16], 進而增強對磷的吸附/吸收強度[圖 2(a)和表 7].
針對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相關(guān).除亞硝氮與第五主成分明顯負相關(guān)外, 其余指標(biāo)與第一至第四主成分明顯負相關(guān).亞硝氮與第五主成分明顯負相關(guān), 這可能是因為出水硝氮含量愈高, 暗示濾池內(nèi)氧化性愈強, 愈不利于反硝化過程.這是因為亞硝氮為反硝化過程中間產(chǎn)物, 極不穩(wěn)定, 很容易被氧化為硝氮.在剩余指標(biāo)中, 有機物、氨氮、溶解性氮與第二、第三主成分明顯負相關(guān), 可能是因為出水溶解氧、pH值愈高, 愈有利于硝化過程; 出水中有機物含量愈高, 有機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), 這是因為溫度愈高, 濾池內(nèi)部微生物的硝化反應(yīng)強度愈烈[圖 2(b)和表 7].
針對折流式水平流濾池進水理化特征, 無機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), 可能是因為溶解氧愈高, 伴隨進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了有機物的氧化分解, 提高了有機物的去除效率.總磷的去除與溶解氧、有機物正相關(guān)同樣歸屬于微生物代謝活動的增強[圖 2(c)和表 7].
針對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相關(guān), 磷的去除與第五主成分明顯負相關(guān), 其余指標(biāo)與第一、第二主成分明顯負相關(guān).亞硝氮的去除與溶解氧、堿度負相關(guān), 這是因為反硝化傾向于厭氧環(huán)境且釋放堿度, 溶解氧和堿度的提升都不利于反硝化過程.磷的去除與氨氮、總有機物負相關(guān), 可能是因為出水氨氮、有機物含量愈高, 濾池內(nèi)部的好氧微生物代謝活動也就愈弱, 進而對磷的吸附/吸收活動也就愈弱.總氮的去除與溶解性氮、硝氮負相關(guān), 與分流比、有機物的去除正相關(guān), 說明異養(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-反硝化強度都高于折流式水平流濾池.磷的去除主要受控于水力負荷、溫度、溶解氧、有機物等, 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度, 但是由于從原水中引入過多的氨氮, 又折流式水平流濾池的硝化能力有限, 進而導(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行工況、處理原水組成密切相關(guān), 同時還受控于運行的環(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.
來源:中國污水處理工程網(wǎng)
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