Vu Kiem Thuy, Kai He, Shinya Echigo, Yasuhiro Asada, Sadahiko Itoh. Impact of biological clogging and pretreatments on the operation of soil aquifer treatments for wastewater reclamation, Water Cycle, Volume 3, 2022, Pages 35-43, ISSN 2666-4453.

日本京都大学越后信哉教授团队研究分析了造成土壤含水层处理工艺（SAT）堵塞的因素。以往的研究很少关注再生水对SAT运行性能的影响，尤其是经活性污泥处理和过滤处理后的污水对SAT生物堵塞的研究。该实验装置为16个丙烯酸砂填充柱，采用湿式填充技术可以在横截面方向上产生均匀的颗粒分布。生物堵塞实验采用A2O工艺出水过滤水（A2O过滤水），另外采用A2O工艺出水（A2O水）、A2O工艺出水臭氧处理水（A2O + O₃水）、传统活性污泥工艺出水（AS水）和含有0.05%NaN₃的 A2O过滤水（A2O过滤 + NaN₃水）作为对照。图1是实验装置的组成结构，表1是各种进水类型的水质，表2是实验操作的具体参数和对应标签。

图1 实验装置结构

表1 实验用水水质

表2 不同操作条件下SAT柱实验

图2显示了柱子的渗透速率，可分为3个阶段：(1)0-10d，A2O过滤水柱（A2、A4、A6和A8柱）和A2O过滤 + NaN₃水柱（E柱）的渗透速率迅速下降，主要由于填料的迁移和重新排列导致。(2)10-50d，A2O过滤水柱月平均渗透速率下降为1.3-1.5 cm/h。E柱中由于NaN₃抑制了生物活性，月平均渗透速率下降为0.1 cm/h。(3)50-240d，A2O过滤水柱渗透速率缓慢下降，月平均渗透速率为0.3 cm/h；E柱月平均渗透速率下降为0.01 cm/h，这主要是微生物产生的胞外聚合物导致。A2O过滤水柱和E柱中渗透速率的不同变化，表明柱中生物量的积累程度不同。

图2 生物堵塞实验柱的渗透速率

备注：A2、A4、A6和A8柱采用A2O过滤水，运行时间分别为2、4、6和8个月。E柱采用A2O过滤 + NaN₃水。

图3（a）和（b）分别显示了A8柱和E柱水力传导系数的变化情况。0-50d内，渗透速率降低最快，A8柱顶层的水力传导系数降低最显著，达1.3-1.5 cm/h。随着试验时间的延长，生物堵塞减缓，A8柱顶层渗透速率每月减少0.3 cm/h，水力传导系数每月减少0.2 cm/h。图4显示了A8柱和E柱中异养菌、多糖、FDA和DHA的分布情况，表明微生物积累是造成水力传导系数下降的原因。实验60d后，顶层中异养菌、多糖、FDA和DHA的数值约为初始值的6个（A8柱）和3个（E柱）数量级。这表明即使水中的大颗粒被过滤，生物作用也可能导致堵塞。

图3 (a)A8柱和(b)E柱在不同层深的水力传导系数

图4 A2O过滤水柱和A2O过滤 + NaN₃水柱中(a)异养细菌、(b)多糖、(c)荧光素二乙酸酯、和(d)脱氢酶活性分布

图5讨论了不同进水对 SAT 堵塞的影响。第一阶段（0-9 d），所有水柱的渗透速率都显著降低，从20-25 cm/h降至9 cm/h，由柱中填料的迁移和重新排列导致。第二阶段，进水水质对堵塞的影响显著，在 SS 浓度为2.47-6.83 mg/L 的 AS水柱中，渗透速率的降幅最大，且80d 后迅速堵塞，渗透速率平均降幅达4 cm/h每月。在 SS 浓度为1.0-2.5 mg/L 的 A2O水柱中，渗透速率由前3个月的每月2.3 cm/h 逐渐降至6个月后的每月0.3 cm/h，降幅大于A2O过滤水柱。SS 浓度对前三个月渗透速率下降的贡献率为43.5% ，生物因素在初期起重要作用，6个月后 SS 浓度降低了66.7%的渗透速率 ，是导致后期堵塞的主要因素。

图5 A2O水、A2O + O₃水、 AS水、 A2O过滤水、A2O过滤 + NaN₃水柱的渗透速率

不同层深的水力传导系数(图6)表明，AS水和 A2O水中的 SS 浓度较高，大部分 SS 滞留在顶层，20-30 d 后在柱表层形成状沉积层，导致渗透速率显著降低。相比于A2O水柱和AS水柱，A2O + O³水柱顶层生物量、多糖浓度和异养菌浓度水平均较低，说明臭氧的消毒效果使得细菌失活。经过预臭氧处理后，顶层异养细菌的去除率大大提升，与 A2O过滤 + NaN₃水柱实验相似，A2O + O³水柱的生物量和酶活性比 A2O水柱低3-4倍，并且生物堵塞过程有所减缓，表明初始进水中较低的微生物浓度可以抑制 SAT 柱中细菌的生长活性，避免水力传导系数下降。因此，预臭氧处理有助于抑制柱中的细菌生长。

由于微生物向深层的迁移受到限制，深层水力传导系数在实验过程中变化不大。A2O水柱顶层的实测渗透速率和水力传导系数逐渐降低，与 A2O过滤水柱的趋势相似（图5），但A2O水柱表层的水力传导系数低于 A2O过滤水柱，且顶层的多糖和异养细菌浓度较高，这表明附着微生物及代谢产物在孔隙中的积累，是有效孔隙度和水力传导系数减少的主要原因。通过过滤去除 A2O 水中的 SS 有助于减少大约25% 的多糖和异养细菌，而 A2O 水的预臭氧处理有助于减少 A2O + O₃水柱表层大约70% 的生物量。

图6 (a) A2O、(b) A2O + O₃和(c) AS进水对不同层段水力传导系数的影响

A2O水柱堵塞的主要原因是生物量增加，而不是SS累积等物理原因。随着实验时间增长，生物堵塞逐渐减缓；生物堵塞仅出现在浅层，但生物量会向深层缓慢迁移；去除A2O 出水中的SS，可减少大约25% 的生物量；对A2O 出水进行预臭氧处理，可减少 A2O + O₃柱表层中约70% 的生物量。A2O 出水的预臭氧处理可有效缓解生物堵塞情况。