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第３１卷第２期２０１１年５月桂林理工大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ３１Ｎｏ２Ｍａｙ ２０１１文章编号：１６７４－９０５７（２０１１）０２－０２３３－０５多孔水泥土净化生活污水试验蓝俊康，刘宝剑（桂林理工大学ａ广西环境工程与保护评价重点实验室；ｂ环境科学与工程学院，广西桂林 ５４１００４）摘 要：用复合水泥（ｗＢ＝２５％）、红粘土（ｗＢ＝７５％）和适量的蒸馏水拌合后置入ＰＶＣ管内，经插孔和养护，制成多孔的圆柱形水泥土反应节，再由多个反应节上下串联而成反应柱，以此反应装置处理从某污水处理厂采集的污水，该污水组分以生活污水为主。监测结果显示，此反应器对污水中ＢＯＤ５、ＣＯＤ的净化效果十分突出，对ＴＰ、ＴＮ、ＮＨ３Ｎ的处理也有一定的效果；３０℃条件下各个指标的去除率要明显优于１０℃的环境。综合分析后认为，水泥土对污水的净化机理与“生态型多孔混凝土”的基本相同，但是由于水泥土的制作成本更低，废弃后可破碎作耕土，不需考虑其耐久性问题，更利于环保。关键词：水泥土；净化；污水中图分类号：Ｘ５２；Ｘ７０３；ＴＵ５２８ 文献标志码：Ａ粘土矿物因具有层状结构而对污染物具有良好的吸附能力，并且由于其储量丰富、价格低廉、对污染物的吸附容量大、化学和机械稳定性高以及对环境无毒无害且容易再生等优点，在污水处理方面已被广泛地应用于化工和生活污水的净化，以去除废水中的重金属离子、ＮＨ４＋、Ｈ２ＰＯ４－、ＨＰＯ４２－、ＰＯ４３－等离子，染色物和有机污染物（如油、农药废水）等［１－４］。但与此同时，由于粘土的渗透性差，难以当作滤料来净化污水，且在处理污水过程中易变为稀泥，甚至变成胶体悬浮于污水中，造成污水后期处置困难，大大降低了粘土及改性粘土在污水处理中的应用价值和推广。而利用少量的水泥（掺入量为１０％～３０％，根据强度的要求掺加）将其粘结，使之成形，做成混凝土状的“水泥土”，并在其中间人为地制造一些大孔隙，形成“多孔水泥土”，以使污水能在其中快速地渗滤。由于这种特殊的混凝土与生态型多孔混凝土的材料和结构十分接近，也应能用于一些污水的净化。为了检验水泥土对污水的处理效果，进行下述试验。１ 试验材料与方法１１ 试验材料试验所用的水泥土为复合水泥、红粘土和蒸馏水搅拌而成，其质量比为ｍ（复合水泥）∶ｍ（红粘土）∶ｍ（蒸馏水）＝２∶６∶３。复合水泥为市售的Ｐ·Ｃ３２５型，红粘土采自桂林市郊，采集后在室温下通风晾干，过０１５ｍｍ筛。复合水泥和红粘土的化学成分见表１。 试验所用的污水采自桂林市某污水处理厂的进水口。据调查，该污水厂所收集的污水中，生活污水约占７０％，工业废水约占３０％。２次试验所采集的污水水质如表２所示。１２ 试验装置把复合水泥、红粘土和蒸馏水３种材料混合搅拌均匀后，立即放入ＰＶＣ管（直径１０ｃｍ，高１０ｃｍ）内成型并养护２４ｈ，凝结后形成高６５ｃｍ 收稿日期：２００９－１１－０３ 基金项目：广西环境工程与保护评价重点实验室研究基金项目（桂科能０７０１Ｋ００９） 作者简介：蓝俊康（１９６６—），男，博士，教授，研究方向：水污染控制。 引文格式：蓝俊康，刘宝剑．多孔水泥土净化生活污水试验［Ｊ］．桂林理工大学学报，２０１１，３１（２）：２３３－２３７．表１ 复合水泥和红粘土的化学成分Ｔａｂｌｅ１ ＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｅｍｅｎｔａｎｄｒｅｄｃｌａｙｗＢ／％氧化物复合水泥红粘土ＳｉＯ２２１４８４８３３Ｆｅ２Ｏ３２３５１０４４ＣａＯ５４９１０１６ＭｇＯ０６３０５９Ａｌ２Ｏ３７５８２５４２ＳＯ３１８００２２ＭｎＯ０９４０６２Ｌｏｓｓ９４２１２３６表２ 试验用的污水水质Ｔａｂｌｅ２ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａｏｆｗａｓｔｅｗａｔｅｒ水质指标水 温１０℃３０℃ＣＯＤＣｒ／（ｍｇ·Ｌ－１）１２４２４１４０００ＢＯＤ５／（ｍｇ·Ｌ－１）６８８３９３５６ＴＰ／（ｍｇ·Ｌ－１）８５０８１６ＴＮ／（ｍｇ·Ｌ－１）９２１６９８５２ＮＨ３Ｎ／（ｍｇ·Ｌ－１）２６６０２９１５浊度／ＮＴＵ４５００８８５０ｐＨ７６４７９８的短柱状水泥土反应节。在水泥土凝结前，用针插入水泥土中造孔，孔眼均匀分布于上下断面上并贯穿上下。每节表面造孔８０个，孔径约１ｍｍ。再把６节水泥土上下排成一排，让每节都固定在１个柱子上面。为使反应过程中能获得充氧，每节之间留有２ｃｍ间隙。污水自上而下沿水泥土中的小孔隙向下流动，用蠕动泵控制进水流量（１０ｍＬ／ｍｉｎ），试验装置如图１所示。出水后，再用泵把污水抽至反应柱上方，使其再次渗下，如此反复多次，直至处理效果达到满意为止。图１ 反应柱示意图Ｆｉｇ１ Ｃｏｌｕｍｎｆｏｒｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ本试验对生物膜的培养采用“自然挂膜法”，即将含有自然菌种的污水灌入反应器，在通水过程中污水中的自然菌种和空气中的微生物会逐渐附着在填料上，并以污水中的有机物为营养获得生长繁殖。１３ 不同温度环境下的净化试验由于微生物的生长及其对污水的净化效果都与反应温度的关系密切。为了探讨温度对污水处理效果的影响，分别在室温为１０℃和３０℃下进行试验。每次试验过程中，大约每隔２ｈ监测１次反应器的出水水质，并将结果进行比较。１４ 监测指标及其分析方法重点监测几个与水质关系较为密切的指标，分析方法见表３。表３ 各监测指标的分析方法Ｔａｂｌｅ３ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｎｄｉｃａｔｏｒｓａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｓ监测指标分析方法ＣＯＤＣｒ快速消解分光光度法ＢＯＤ５稀释与接种法ＮＨ３Ｎ纳氏试剂光度法ＴＰ钼酸铵分光光度法ＴＮ碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法水温温度计法ｐＨ值玻璃电极法浊度浊度计法２ 试验结果与讨论２１ ＣＯＤ的去除效果从图２可以看出，两种温度条件下，在第１ｈ内ＣＯＤ的降低都十分明显，但这之后ＣＯＤ的去除率升高变得缓慢。不同温度条件下，ＣＯＤ的去除效果明显不同，３０℃条件下当反应器运行至第１６ｈ时ＣＯＤ的去除率为９５％左右，而１０℃条件下第１６ｈ时ＣＯＤ的去除率约为７０％左右。２２ ＢＯＤ５的去除效果从图３可以看出，３０℃环境下ＢＯＤ５的去除效果明显优于１０℃环境。在３０℃环境下反应至第１４ｈ时ＢＯＤ５的去除率可达到９５％，而在１０℃环境下在经历同样的反应时间（１４ｈ）时，污水去除效率仅为８５％左右。２３ ＴＰ的去除效果４３２桂 林 理 工 大 学 学 报 ２０１１年图２ 不同温度条件下ＣＯＤ的去除效果Ｆｉｇ２ ＲｅｍｏｖａｌｅｆｆｅｃｔｏｆＣＯＤｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ图３ 不同温度条件下ＢＯＤ５的去除效果Ｆｉｇ３ ＲｅｍｏｖａｌｅｆｆｅｃｔｏｆＢＯＤ５ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ从图４可以看出，不同温度下ＴＰ的去除率有很大的差别。在３０℃环境下，开始运行的第１ｈ内ＴＰ急剧地降低，之后降低速度变得缓慢，最终（１６ｈ时）去除率达到８６２％。而在１０℃条件下，ＴＰ的去除效果较差，１６ｈ时其去除率仅为３６９％。２４ ＴＮ的去除效果与其他指标不同的是，ＴＮ的去除效果一直都在持续不断地增加，基本上没有特别显著降低的时段，如图５所示。１６ｈ时，３０℃和１０℃环境下ＴＮ的去除率分别为６３７％和３８９％。这表明，在３０℃环境下水泥土对ＴＮ的去除率较为明显，而在１０℃环境下对ＴＮ的去除率较小。图４ 不同温度条件下ＴＰ的去除效果Ｆｉｇ４ ＲｅｍｏｖａｌｅｆｆｅｃｔｏｆＴＰｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ２５ ＮＨ３Ｎ的去除效果图６显示在不同温度下，氨氮的去除效果相差不大。１６ｈ时，３０℃和１０℃环境下的去除率分别为５７６％和５１１％。２６ 其他水质指标的变化除以上指标外，还监测了污水中浊度和ｐＨ的变化过程，结果列于表４。浊度变化：污水在与水泥土接触反应的第１ｈ内，污水的浊度急剧变大（１０℃环境下，１ｈ时浊度值为６７００ＮＴＵ）。这可能是由于水中的微生物急剧增长所致。但随着污水与水泥土接触时间的增长，在水泥土孔隙的过滤作用下，微生物逐渐由液相转移到水泥土表面，就使得液相中的浊度越来越小（表４），污水也变得越来越清澈。图５ 不同温度条件下ＴＮ的去除效果Ｆｉｇ５ ＲｅｍｏｖａｌｅｆｆｅｃｔｏｆＴＮｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ图６ 不同温度条件下ＮＨ３Ｎ的去除效果Ｆｉｇ６ ＲｅｍｏｖａｌｅｆｆｅｃｔｏｆＮＨ３Ｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ表４ 污水中的浊度和ｐＨ值的变化Ｔａｂｌｅ４ ＣｈａｎｇｅｏｆｔｕｒｂｉｄｉｔｙａｎｄｐＨｖａｌｕｅｓｉｎｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗｉｔｈｔｉｍｅ反应历时／ｈ浊度／ＮＴＵ１０℃３０℃ｐＨ１０℃３０℃０（污水）４５００８８５０７６４７９８２６４５５６９００８５９８９７４６０７２６３５０８４１８９８６５８８８５８３０８３９９０５８５４７８５４７０８１５８７４１０５０９９５３００８１２８４８１２４８２５５０２０８０２８３８１４４６５７５０２０８０３８５９１６２０４７４９００７８９８２９５３２第２期 蓝俊康等：多孔水泥土净化生活污水试验污水ｐＨ变化：水泥土是碱性物质，它不断地向污水中释放出Ｃａ（ＯＨ）２，使污水的ｐＨ升高。但在１ｈ以后，随着水泥土表面微生物膜的附着，污水中的ｐＨ逐渐降低，最终恢复到近于中性水平。２７ 微生物的监测结果为了解在污水处理过程中微生物所起的作用，试验结束后进行了微生物的数量和种类的监测。采用ＤＢＭＡ４５０型生物数码显微镜（参数４０×／０６５，∞～／０１７）。监测结果如图７和图８所示。两图比较可见，水泥土表面附着的微生物的数量要远远多于液相中悬浮的微生物数量。正是由于水泥土表面附着有大量的微生物，构成了固体表面的生物膜系统，所以它们能够有效地去除水中有机污染物。图７ 水泥土表面微生物的照片Ｆｉｇ７ Ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｏｎｃｅｍｅｎｔｓｏｉｌｓｕｒｆａｃｅｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ图８ 污水中微生物的照片Ｆｉｇ８ Ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｉｎｗａｓｔｅｗａｔｅｒｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ经多次观察发现，这些微生物种类很多，可归纳为２类：①细菌类（以菌胶团或菌膜的形式粘附于膜片上，如硝化细菌、亚硝化细菌）；②微型动物类（包括原生动物和后生动物，如纤毛虫类、鞭毛虫类、环节动物、线形动物等）。３ 净化机理分析３１ 净化机理目前的研究［５－８］发现，“生态型多孔混凝土”对污水的净化机理主要包涵以下三方面：①物理吸附与物理化学净化作用，通过多孔混凝土的过滤、吸附和离子交换作用去除污水中的污染物；②化学净化，通过多孔混凝土释放出来的一些化学成分（如Ａｌ３＋、Ｍｇ２＋、ＯＨ－），使污水中的污染物发生沉淀而得以去除；③生化净化，即依靠混凝土表面及孔隙表面生长的微生物膜去除污水中的污染物。作为一种特殊的多孔混凝土，多孔水泥土对污水的净化机理也与多孔混凝土一样，即在反应初期，它对污水的净化主要是以物理净化和化学净化为主；在生物膜长成后，其净化机制则转变为以生化降解为主。也就是说，在反应的中后期，多孔水泥土对污水的净化作用主要是依靠水泥土表面生长的生物膜来降解污水中的有机污染物。３２ 利用多孔水泥土净化污水的优点“水泥土”这个概念早就出现在地基处理的领域中，只不过迄今为止尚未在水处理技术领域出现。“多孔水泥土”作为一种特殊的“生态型多孔混凝土”，对污水的净化具有以下优点：（１）制作成本更低。由于水泥的用量比常规混凝土更少，且ＰＶＣ管可换成竹筒，反应器的制作成本更低，更适合于农村生活污水的净化处理。因其技术含量低，农村居民经过短暂培训后即可掌握该技术并用于自家生活污水的