低溫條件下生活污水就地處理系統的運行效果分析
簡介
在實地處理系統的化糞池和瀝濾場之間安裝1 個二次廢水處理器將帶來許多好處。當1個系統不具備合適的場地條件來容納1個常規大小的能將化糞池污水擴散的瀝濾場時，二次廢水的實地處理是十分必要的。在瀝濾場效果不好的情況下，一些人可能會在化糞池和糞便接收這2個過程之間安裝二次處理系統，以保證改良后的瀝濾場能夠發揮作用。二次廢水處理系統提供了良好的通風環境，促進碳化合物的減少，因此，抑制了糞便中生物的形成。再循環使得這個系統列入高級二次處理的類別。污水中的硝酸鹽尤其令人擔憂，因為，它的可溶性使得它一旦接觸到水便能擴散到相當大的范圍。井水中的硝酸鹽是實地污水處理失敗最主要的問題之一。
低溫試驗 人們普遍認為溫度是影響廢水處理系統效率的重要因素。低溫減緩反應速率，減慢細菌生長和活性，因此會影響廢水的處理效果。特別是硝化細菌，當溫度降至5℃以下時，幾乎喪失了活性。低溫同樣會影響物理過程，例如，沉降特性和氣體交換速率。許多研究表明，水流溫度對于BOD5而言，在正常范圍內幾乎沒有什么影響。反硝化過程已經被證明在冬天的溫度條件下會受到抑制。相反的，McCarthy和Urynowicz發現，在水溫高低情況下，硝酸鹽和總氮的流出濃度基本沒有區別，雖然在低溫情況下，銨的含量要比高溫情況下高的多。
系統安裝實踐是通過隔絕和糞便污水覆蓋，以保持廢水處理過程中的周圍環境溫度。還有許多種有機和無機的化學制劑會對硝化細菌的生長和新陳代謝產生抑制作用。這項研究的目的是評估在低溫環境中一些待檢測技術的長期效應，研究這些高級處理系統是否能夠達到預期的基于其他實地試驗結果的處理效果，并且在冬季滿足阿拉斯加州安克雷奇市政府的排放許可要求。
阿拉斯加州安克雷奇市自1971~2000年以來， 10月至次年4月的平均溫度為-4.2℃（24.5℉），而2007~2008年這些月份的平均溫度為 -3.6℃ （25.6℉）。在阿拉斯加州冰凍期延長的區域中做過的實地試驗為數不多。這個項目試圖來擴大這個信息庫。
項目描述 這個項目包括對安克雷奇市1份具有代表性的生活污水處理系統的二次處理樣品的收集和分析。能夠提供除了傳統的化糞池和瀝濾場功能以外的污水處理系統都被稱為高級處理系統（ATSs）。
ATSs可選的種類是指那些經安克雷奇市政府認可的，具體如下：
（1）間歇砂濾床（ISF）；（2）循環式生物濾池（RTF），按不同媒介分為開孔泡沫介質、懸掛格柵介質以及矩形或“息票式”格柵；（3）懸浮生長曝氣池。
間歇砂濾床將糞便污水分散在砂床的表面，并且使得水流能夠通過。室內空氣，通過管道被抽往曝氣池，管道在砂礫中被埋沒。研究分析認為，這個系統是基于1層不可滲透層，過濾后的水流在此收集、排出或泵往瀝濾場。圖表1（略）為間歇砂濾床運作的示意圖。
循環式生物濾池的介質是被附在1個矩形或圓柱形的塑料容器中。化糞池的污水被分配在介質表面，污水流向收集管道，80%的瀝濾液回流進化糞池。這個過程提供了碳源，使得反硝化作用得以在厭氧環境中運行。大約20%的瀝濾液被收集在拱頂上，定期抽往瀝濾場。圖表2（略）為循環式生物濾池系統運作的示意圖。
懸浮生長曝氣池無需化糞池就能運行，它擁有4個隔間。第1個隔間提供了主要的沉淀功能；第2個隔間的潛管使得空氣能在其中被抽送；第3個隔間提供了進一步的沉淀，即所謂的澄清；第4個隔間則是1個收集端口，以等候水流流往瀝濾場。在懸浮生長曝氣池中沒有污泥的循環利用。這項技術在面對急流、非均勻水力以及增壓器故障等方面還存在一些問題，雖然常規的監控和維護已經盡可能將這些問題最小化。
方法
選址 所有樣品都來自于阿拉斯加州安克雷奇市的家庭污水實地處理系統，處理好的樣品由3~5個經安克雷奇市政府認可的ATSs系統收集并分析。每個場地有4~10個收集器。處理系統的年限為8個月至14年。
取樣程序 所有收集程序都是通過簡單取樣。間歇砂濾床和2種循環式生物濾池系統都有收集樣品的端口。懸浮生長系統的取樣是在第4個隔間處浸出而獲得，在水流釋放之前獲取澄清后的水樣。懸掛格柵介質取樣包括將覆蓋物從排放池上移走，當它倒出后捕獲過濾水。程序根據安克雷奇市政府發行的標準方法進行了調整。
一些樣品還測量了當時的pH、溶解氧和溫度指標。
取樣的目的是為了收集每次ATS的入水，但是間歇砂濾床是這項研究中唯一1種可以評估化糞池出水的ATS。曝氣池系統沒有可行的評估方式，濾池系統含有各種不同比例的化糞池回流水。
實驗室程序 實驗室分析指標包括BOD5、總懸浮顆粒物、總氮、硝酸鹽。BOD5和總懸浮顆粒物根據標準辦法來分析。BOD的其他信息來自設備Hack Technical Booklet No.7。硝酸鹽和總氮是用Hach DR 2800分光光度計測量的。雖然沒有得到EPA的批準，但是總氮的分析程序比測量總凱氏氮的方法更加簡單、快速、安全，Hach公司已經充分測試過其準確度。
數據分析 數據分析包括平均值、中間值、幾何平均數、標準差、最大（小）值、標準誤差、變異系數等。相關系數是根據水溫以及樣品的BOD5和總氮計算的。方差和標準差是根據一類系統的樣品和不同類別系統樣品的平均值計算的。
為了尋找相似點以及效果與規模之間的關系，家庭規模的大小被分為如下幾類：1~2人，3人及以上。方差分析是為了研究相同規模家庭中不同系統類型之間的平均值的比較。
結果與討論
筆者測試了現有的各種廢水處理系統，來對阿拉斯加州安克雷奇市的低溫天氣條件數據進行比較。各種系統處理能力的比較結果將直接應用于安克雷奇市政府的相關許可要求。相關經驗如下：
利用土工格柵的人造介質滴濾器是1種過時的技術。它能被選中是因為它有1個樣品端口利于出水評估，其中一些還有前樣數據，因此，它們可能會告訴我們人造介質滴濾器的大致使用壽命。盡管對其得出的結論仍有疑慮，但是還是能夠得到些有趣的信息。BOD5、總懸浮顆粒物和總氮的平均值與許多先進處理系統的結果相近。整個結果表明這項技術對比成功，可以應用。
利用開孔泡沫介質的循環式生物濾池系統的測試結果，則是之前安克雷奇市實地試驗服務部門證明這項技術合格的數據的1次擴展。此前幾乎所有的樣品都是在2008年1月收集而來的。
一些系統在取樣期間一直為維護人員所監控，而其余系統則沒有經過工作人員的預處理就直接進行取樣。所有的出水樣品都測量了BOD5和總懸浮顆粒物指標。結果表明，2種循環式生物濾池系統的BOD5平均值要遠遠高于其他系統的結果。出水的總懸浮顆粒物還較為接近。間歇砂濾床、開孔泡沫介質的循環式生物濾池和懸浮生長曝氣池的出水的BOD5和總懸浮顆粒物平均值與阿拉斯加及其他地方早期試驗以及之前收集的許可證數據相似。
各種循環式生物濾池和曝氣池的出水總氮含量的范圍以及平均值相近。開孔泡沫介質的循環式生物濾池系統看起來能夠很好使氨硝化，導致硝酸鹽含量很高。間歇砂濾床不像循環式生物濾池那樣能夠讓污水得到循環處理，所以它們也不能轉化硝酸鹽或是還原氮氣。間歇砂濾床的測試結果與其他場地試驗的數據基本一致。
當pH讀數為7~8之間時，出水的總氮有降低趨勢；當pH低于6時，總氮趨于增加，但也并非總是如此。當溶解氧在2.0mg/L，pH在7.4~8.4的時候，氮氣的還原得到加強。懸浮生長曝氣池的pH平均值最高，為7.3，它能與足夠的氧氣結合，這很可能就是氮氣去除率高的原因。
人們預計，溫度在廢水處理時具有負面影響。數據分析表明，如果說BOD5和溫度之間有什么關系的話，那應該是正面的。僅在溫度和出水
氮氣含量之間存在著一點負面關系。
研究通過計算相關系數來測量溶解氧和BOD5之間的關系。一些結果表明這二者之間是負相關的。
去除率 為了了解系統去除效果而對二次處理系統中的化糞池的出水取樣，被證明存在很多問題。通過對幾份與安克雷奇市政府的信息以及其他公開數據非常匹配的進水樣品進行平均計算，計算得出去除率。進水數值如下：BOD為200mg/L，總懸浮顆粒物為300mg/L，總氮為62mg/L。
結論
ATSs的各種不一致的結果難以歸咎于任何一種因素。Groves等人對此進行了很好的表述，“在任何一種實地處理系統的操作和維護過程中，有太多的內在可變因素”。外界的溫度對于實地處理系統的有效性看起來影響并不是很大。家庭居住的人數是1個重要因素，雖然效果最差的懸掛格柵介質系統在對應于3~4間臥室規模的系統中只有2人居住其中。有許多可能的因素還未列入調查，它們可能使得目前的調查結果不堪一擊。基于那些使用含氯漂白劑的家庭處理效果來看，含氯漂白劑并沒有對系統產生直接的影響。由于這些補充看起來有些零亂，影響效果的分析還需要更多頻繁的系統取樣，通過采訪和水質測量手段。維護對于污水處理系統來說至關重要。當然，許多系統優秀的測試數據應該應用到常規維護和監測中去。通過阿拉斯加州的安克雷奇市所認可的ATSs，家庭正在擴大糞便吸收的區域，減少排污留在土地上的痕跡，保證蓄水層的質量。考慮到冬季到春季的取樣時間，出水中的總氮平均值看起來能夠讓人接受。
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