低温条件下生活污水就地处理系统的运行效果分析
简介
在实地处理系统的化粪池和沥滤场之间安装1 个二次废水处理器将带来许多好处。当1个系统不具备合适的场地条件来容纳1个常规大小的能将化粪池污水扩散的沥滤场时，二次废水的实地处理是十分必要的。在沥滤场效果不好的情况下，一些人可能会在化粪池和粪便接收这2个过程之间安装二次处理系统，以保证改良后的沥滤场能够发挥作用。二次废水处理系统提供了良好的通风环境，促进碳化合物的减少，因此，抑制了粪便中生物的形成。再循环使得这个系统列入高级二次处理的类别。污水中的硝酸盐尤其令人担忧，因为，它的可溶性使得它一旦接触到水便能扩散到相当大的范围。井水中的硝酸盐是实地污水处理失败最主要的问题之一。
低温试验 人们普遍认为温度是影响废水处理系统效率的重要因素。低温减缓反应速率，减慢细菌生长和活性，因此会影响废水的处理效果。特别是硝化细菌，当温度降至5℃以下时，几乎丧失了活性。低温同样会影响物理过程，例如，沉降特性和气体交换速率。许多研究表明，水流温度对于BOD5而言，在正常范围内几乎没有什么影响。反硝化过程已经被证明在冬天的温度条件下会受到抑制。相反的，McCarthy和Urynowicz发现，在水温高低情况下，硝酸盐和总氮的流出浓度基本没有区别，虽然在低温情况下，铵的含量要比高温情况下高的多。
系统安装实践是通过隔绝和粪便污水覆盖，以保持废水处理过程中的周围环境温度。还有许多种有机和无机的化学制剂会对硝化细菌的生长和新陈代谢产生抑制作用。这项研究的目的是评估在低温环境中一些待检测技术的长期效应，研究这些高级处理系统是否能够达到预期的基于其他实地试验结果的处理效果，并且在冬季满足阿拉斯加州安克雷奇市政府的排放许可要求。
阿拉斯加州安克雷奇市自1971~2000年以来， 10月至次年4月的平均温度为-4.2℃（24.5℉），而2007~2008年这些月份的平均温度为 -3.6℃ （25.6℉）。在阿拉斯加州冰冻期延长的区域中做过的实地试验为数不多。这个项目试图来扩大这个信息库。
项目描述 这个项目包括对安克雷奇市1份具有代表性的生活污水处理系统的二次处理样品的收集和分析。能够提供除了传统的化粪池和沥滤场功能以外的污水处理系统都被称为高级处理系统（ATSs）。
ATSs可选的种类是指那些经安克雷奇市政府认可的，具体如下：
（1）间歇砂滤床（ISF）；（2）循环式生物滤池（RTF），按不同媒介分为开孔泡沫介质、悬挂格栅介质以及矩形或“息票式”格栅；（3）悬浮生长曝气池。
间歇砂滤床将粪便污水分散在砂床的表面，并且使得水流能够通过。室内空气，通过管道被抽往曝气池，管道在砂砾中被埋没。研究分析认为，这个系统是基于1层不可渗透层，过滤后的水流在此收集、排出或泵往沥滤场。图表1（略）为间歇砂滤床运作的示意图。
循环式生物滤池的介质是被附在1个矩形或圆柱形的塑料容器中。化粪池的污水被分配在介质表面，污水流向收集管道，80%的沥滤液回流进化粪池。这个过程提供了碳源，使得反硝化作用得以在厌氧环境中运行。大约20%的沥滤液被收集在拱顶上，定期抽往沥滤场。图表2（略）为循环式生物滤池系统运作的示意图。
悬浮生长曝气池无需化粪池就能运行，它拥有4个隔间。第1个隔间提供了主要的沉淀功能；第2个隔间的潜管使得空气能在其中被抽送；第3个隔间提供了进一步的沉淀，即所谓的澄清；第4个隔间则是1个收集端口，以等候水流流往沥滤场。在悬浮生长曝气池中没有污泥的循环利用。这项技术在面对急流、非均匀水力以及增压器故障等方面还存在一些问题，虽然常规的监控和维护已经尽可能将这些问题最小化。
方法
选址 所有样品都来自于阿拉斯加州安克雷奇市的家庭污水实地处理系统，处理好的样品由3~5个经安克雷奇市政府认可的ATSs系统收集并分析。每个场地有4~10个收集器。处理系统的年限为8个月至14年。
取样程序 所有收集程序都是通过简单取样。间歇砂滤床和2种循环式生物滤池系统都有收集样品的端口。悬浮生长系统的取样是在第4个隔间处浸出而获得，在水流释放之前获取澄清后的水样。悬挂格栅介质取样包括将覆盖物从排放池上移走，当它倒出后捕获过滤水。程序根据安克雷奇市政府发行的标准方法进行了调整。
一些样品还测量了当时的pH、溶解氧和温度指标。
取样的目的是为了收集每次ATS的入水，但是间歇砂滤床是这项研究中唯一1种可以评估化粪池出水的ATS。曝气池系统没有可行的评估方式，滤池系统含有各种不同比例的化粪池回流水。
实验室程序 实验室分析指标包括BOD5、总悬浮颗粒物、总氮、硝酸盐。BOD5和总悬浮颗粒物根据标准办法来分析。BOD的其他信息来自设备Hack Technical Booklet No.7。硝酸盐和总氮是用Hach DR 2800分光光度计测量的。虽然没有得到EPA的批准，但是总氮的分析程序比测量总凯氏氮的方法更加简单、快速、安全，Hach公司已经充分测试过其准确度。
数据分析 数据分析包括平均值、中间值、几何平均数、标准差、最大（小）值、标准误差、变异系数等。相关系数是根据水温以及样品的BOD5和总氮计算的。方差和标准差是根据一类系统的样品和不同类别系统样品的平均值计算的。
为了寻找相似点以及效果与规模之间的关系，家庭规模的大小被分为如下几类：1~2人，3人及以上。方差分析是为了研究相同规模家庭中不同系统类型之间的平均值的比较。
结果与讨论
笔者测试了现有的各种废水处理系统，来对阿拉斯加州安克雷奇市的低温天气条件数据进行比较。各种系统处理能力的比较结果将直接应用于安克雷奇市政府的相关许可要求。相关经验如下：
利用土工格栅的人造介质滴滤器是1种过时的技术。它能被选中是因为它有1个样品端口利于出水评估，其中一些还有前样数据，因此，它们可能会告诉我们人造介质滴滤器的大致使用寿命。尽管对其得出的结论仍有疑虑，但是还是能够得到些有趣的信息。BOD5、总悬浮颗粒物和总氮的平均值与许多先进处理系统的结果相近。整个结果表明这项技术对比成功，可以应用。
利用开孔泡沫介质的循环式生物滤池系统的测试结果，则是之前安克雷奇市实地试验服务部门证明这项技术合格的数据的1次扩展。此前几乎所有的样品都是在2008年1月收集而来的。
一些系统在取样期间一直为维护人员所监控，而其余系统则没有经过工作人员的预处理就直接进行取样。所有的出水样品都测量了BOD5和总悬浮颗粒物指标。结果表明，2种循环式生物滤池系统的BOD5平均值要远远高于其他系统的结果。出水的总悬浮颗粒物还较为接近。间歇砂滤床、开孔泡沫介质的循环式生物滤池和悬浮生长曝气池的出水的BOD5和总悬浮颗粒物平均值与阿拉斯加及其他地方早期试验以及之前收集的许可证数据相似。
各种循环式生物滤池和曝气池的出水总氮含量的范围以及平均值相近。开孔泡沫介质的循环式生物滤池系统看起来能够很好使氨硝化，导致硝酸盐含量很高。间歇砂滤床不像循环式生物滤池那样能够让污水得到循环处理，所以它们也不能转化硝酸盐或是还原氮气。间歇砂滤床的测试结果与其他场地试验的数据基本一致。
当pH读数为7~8之间时，出水的总氮有降低趋势；当pH低于6时，总氮趋于增加，但也并非总是如此。当溶解氧在2.0mg/L，pH在7.4~8.4的时候，氮气的还原得到加强。悬浮生长曝气池的pH平均值最高，为7.3，它能与足够的氧气结合，这很可能就是氮气去除率高的原因。
人们预计，温度在废水处理时具有负面影响。数据分析表明，如果说BOD5和温度之间有什么关系的话，那应该是正面的。仅在温度和出水
氮气含量之间存在着一点负面关系。
研究通过计算相关系数来测量溶解氧和BOD5之间的关系。一些结果表明这二者之间是负相关的。
去除率 为了了解系统去除效果而对二次处理系统中的化粪池的出水取样，被证明存在很多问题。通过对几份与安克雷奇市政府的信息以及其他公开数据非常匹配的进水样品进行平均计算，计算得出去除率。进水数值如下：BOD为200mg/L，总悬浮颗粒物为300mg/L，总氮为62mg/L。
结论
ATSs的各种不一致的结果难以归咎于任何一种因素。Groves等人对此进行了很好的表述，“在任何一种实地处理系统的操作和维护过程中，有太多的内在可变因素”。外界的温度对于实地处理系统的有效性看起来影响并不是很大。家庭居住的人数是1个重要因素，虽然效果最差的悬挂格栅介质系统在对应于3~4间卧室规模的系统中只有2人居住其中。有许多可能的因素还未列入调查，它们可能使得目前的调查结果不堪一击。基于那些使用含氯漂白剂的家庭处理效果来看，含氯漂白剂并没有对系统产生直接的影响。由于这些补充看起来有些零乱，影响效果的分析还需要更多频繁的系统取样，通过采访和水质测量手段。维护对于污水处理系统来说至关重要。当然，许多系统优秀的测试数据应该应用到常规维护和监测中去。通过阿拉斯加州的安克雷奇市所认可的ATSs，家庭正在扩大粪便吸收的区域，减少排污留在土地上的痕迹，保证蓄水层的质量。考虑到冬季到春季的取样时间，出水中的总氮平均值看起来能够让人接受。
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