基于C R I系統(tǒng)的農村生活污水脫氮模擬試驗研究

龍 泉，李云禎，高平平，徐 磊，許文來

（1.四川省環(huán)境保護科學研究院，四川 成都 610041；2.西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 610031；3.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川 成都 610059）

基于C R I系統(tǒng)的農村生活污水脫氮模擬試驗研究

龍 泉1，李云禎1，高平平2，徐 磊1，許文來3

（1.四川省環(huán)境保護科學研究院，四川 成都 610041；2.西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 610031；3.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川 成都 610059）

為了探明人工快速土壤滲濾系統(tǒng)（CRI）處理農村生活污水的性能，在實驗室中構建了CRI系統(tǒng)模擬柱，采用不同布水方式對農村生活污水進行模擬處理。結果表明：不同布水方式下CRI系統(tǒng)模擬駐對污水的處理效果表現(xiàn)出一定差異，但對NH3-N、NO3-N、TN等污染物質的遷移、轉化、降解規(guī)律是一致的；CRI系統(tǒng)脫氮機理主要包括硝化與反硝化作用、揮發(fā)作用和吸附作用3個方面；可通過調整CRI系統(tǒng)的池體結構、優(yōu)化快速滲濾池的濾料組成及運行模式等途徑提升CRI系統(tǒng)對含氮污染物的去除效果。

人工快速土壤滲濾系統(tǒng)（CRI）；農村生活污水；氮污染物；降解機理

我國是傳統(tǒng)農業(yè)國家，如果沒有一個良好的農村生態(tài)環(huán)境，沒有一個可供持續(xù)利用的農業(yè)自然資源，就會影響整個社會的穩(wěn)定和進步。四川是一個農業(yè)大省，2014年四川省農村人口4 371.3萬，生活污水年產生量為92 446.8萬t，除少部分經化糞池簡單處理后滲入地下外，絕大部分都直接排入河流、溝渠、水庫和湖泊中，導致這些水體發(fā)黑發(fā)臭；加之使用污水灌溉，土壤也受到污染，最終使得農村生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，嚴重威脅城市和農村飲用水安全以及農村居民的身體健康。

目前，城市常用的生活污水處理工藝由于基建投資和運行費用高，操作復雜，單位污水處理成本高等原因，要將這些處理工藝直接照搬到農村地區(qū)是行不通的。人工快速土壤滲濾系統(tǒng)（constructed rapid in fi ltration，CRI）由于處理效果好、建設成本不高、運行費用低等原因，在處理分散型的生活污水方面得到了較好的應用。但是該方法對總氮（TN）的去除效果不理想，尚不能滿足出水水質要求[1-2]。因此，進一步系統(tǒng)地研究CRI系統(tǒng)中各種污染物質遷移、轉化和歸趨的規(guī)律非常必要，并以此來掌握污染物特別是氮污染物在CRI系統(tǒng)內的降解機理。

筆者在實驗室中構建了CRI的模擬系統(tǒng)，用以處理農村生活污水，研究CRI系統(tǒng)中氨態(tài)氮（NH3-N）、硝態(tài)氮（NO3-N）、總氮（TN）等污染物質遷移、轉化和歸趨的規(guī)律，在一定程度上掌握了一些特殊污染物特別是氮污染物在CRI系統(tǒng)內的降解機理，并對CRI系統(tǒng)中TN去除率較低的原因進行了分析，為優(yōu)化CRI系統(tǒng)的池體結構、濾料組成和運行模式提供一定依據(jù)，為進一步提高農村污水處理效率提供了依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 CRI系統(tǒng)模擬柱及供試污水

CRI系統(tǒng)的工藝流程如下：生活污水→污水沉淀池→水泵→供水箱→CRI系統(tǒng)濾池→出水。

CRI系統(tǒng)模擬柱：CRI模擬柱的主體部分是由有機玻璃構成（見圖1），CRI模擬柱高為225 cm，模擬柱的內徑是21 cm，濾料由90%天然砂土+5%的沸石砂+5%的大理石砂組成，濾料厚度為175 cm，底部有小礫石組成的10 cm厚度的承托層。并在承托層處設置出水口。在CRI系統(tǒng)頂端設置布水管，布水管均勻的分布在系統(tǒng)頂端，采集的農村生活污水由水泵抽取后進入布水管，均勻通過CRI系統(tǒng)。系統(tǒng)的進水水量通過流量計來控制，上端進水，下端出水，系統(tǒng)內水流方向垂直向下，污水由上而下經過濾料而得以凈化。

供試污水為四川某鎮(zhèn)農戶家的生活污水。

圖1 CRI系統(tǒng)模擬柱濾池示意圖

1.2 CRI系統(tǒng)模擬柱的運行和管理

試驗用模擬柱一共有2個，分別編號1，2。試驗設計的水力負荷為1 m3/d，采用2種布水方式。對于1號模擬柱采用布水方式1：每天布水4次，每次布水0.5 h，每次布水量為0.25 m3，每6 h布水一次；2號模擬柱采用布水方式2：每天布水1次，一次布水時間為2 h，每次布水量為1 m3，每24 h布水一次。

模擬試驗于2015年3月15日開始，全程實驗一共120 d。為防止濾池中濾料出現(xiàn)板結固化，在CRI系統(tǒng)運行3～5 d時就要對系統(tǒng)上部30 cm深度的濾料進行翻動。

1.3 取 樣

模擬柱1、2均以四川某鎮(zhèn)農戶家的生活污水為試驗污水。分別對兩種布水方式下的CRI系統(tǒng)進行取樣。模擬柱1：每4 d取一次樣，根據(jù)取樣次數(shù)依次編號為1～29，同時對模擬柱1進行沿程取樣，沿程取樣時對沿程取樣次數(shù)依次編號為I～V；并從上到下在模擬柱0、25、50、75、100、125、150 cm處沿程取樣。模擬柱2：每4 d取一次樣，根據(jù)取樣次數(shù)依次編號為1～10。

1.4 水質監(jiān)測項目

水質監(jiān)測項目為pH值、化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、硝酸鹽氮（NO3-N）、總氮（TN），分別采用玻璃電極法、重鉻酸鉀法、納氏試劑比色法、紫外分光光度法、堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法。

2 結果與分析

2.1 模擬CRI系統(tǒng)處理農村生活污水的實例分析

以出水COD為監(jiān)測指標，待出水COD濃度穩(wěn)定后，視為掛膜成功。此后，開始取樣測定，2種布水方式下的出水結果如表1所示。在布水方式1的條件下，CRI系統(tǒng)模擬柱1對氨氮平均去除率為81.7%，對總氮的平均去除率為31.1%，進水時硝態(tài)氮的平均濃度為2.5 mg/L，經CRI系統(tǒng)模擬柱后出水時平均濃度為12.8 mg/L；在布水方式2的條件下，CRI系統(tǒng)模擬柱2對氨氮的平均去除率為64.0%，對總氮平均去除率為22.0%，進水時硝態(tài)氮的平均濃度為2.1 mg/L，經CRI系統(tǒng)模擬柱后出水時平均濃度為8.1 mg/L。

當采用布水方式1，水力負荷周期為6 h，CRI系統(tǒng)模擬柱進水氨氮濃度具有較大的波動幅度，進水時最高濃度為34.1 mg/L，最低濃度為20.1 mg/L，但CRI系統(tǒng)出水時的氨氮濃度變化幅度較小，維持在5 mg/L左右；在布水方式2條件下與布水方式1條件下情況類似，這說明CRI系統(tǒng)對氨氮負荷沖擊具有較強的抵抗力。但是，如圖2和圖3所示，CRI系統(tǒng)出水時總氮去除率的變化幅度相對較大，造成這一現(xiàn)象的原因可能是由于硝態(tài)氮易隨水流遷移且易溶于水[3-4]。因為在CRI系統(tǒng)模擬柱中，污水流經濾料速率相對較大，所以硝態(tài)氮跟隨著水流遷移較快。另外，如圖4所示，CRI系統(tǒng)模擬柱出水的硝態(tài)氮濃度變化幅度也較大，這一現(xiàn)象也會引起在某一時段內取樣樣品測試的總氮濃度變化幅度較大。

在布水方式1的運行條件下，從表2中可知，氨氮在CRI系統(tǒng)模擬柱中0～25 cm段去除率僅為8.8%，在25～75 cm段氨氮去除率升高較快，去除率達到58.5%，在CRI系統(tǒng)的75～100 cm段，氨氮的去除率出現(xiàn)下降趨勢，去除率只有10.8%，在CRI系統(tǒng)100～150 cm段氨氮去除速率較平緩，在此段去除率只有6.2%。由此可知，在CRI系統(tǒng)模擬柱中氨氮的降解速率最大是發(fā)生在濾層25～75 cm段，而并不是在0～25 cm段，出現(xiàn)這個現(xiàn)象的原因可能是CRI系統(tǒng)模擬柱的進水中有機物濃度相對較高，可以為系統(tǒng)中的細菌提供足夠的能量，促進異氧菌的繁殖，因此抑制了CRI系統(tǒng)進水段硝化菌的生長。

表1 2種布水方式下CRI系統(tǒng)進水和出水中各種N污染物的濃度及去除率

2.2 CRI系統(tǒng)脫氮機理以及含氮污染物的遷移、轉化、降解規(guī)律

圖2 1號模擬柱中進水和出水中總氮濃度以及去除率

從CRI系統(tǒng)模擬試驗結果可以推斷，CRI系統(tǒng)在進行污水處理時，脫氮機理主要包括以下3個方面：硝化與反硝化作用、揮發(fā)作用、吸附作用。CRI系統(tǒng)的特征主要是污水從上至下流動，在這個過程中污染物就會發(fā)生一系列遷移轉化，分析認為氮在CRI系統(tǒng)內的遷移轉化歸趨主要可能存在有以下過程。

圖3 2號模擬柱中進水和出水中總氮濃度以及去除率

圖4 2種運行方式下模型柱進水和出水中硝態(tài)氮濃度

（1）CRI系統(tǒng)氮的輸入：當利用CRI系統(tǒng)處理污水時，污水中的有機氮、硝態(tài)氮和氨氮等含氮污染物進入CRI系統(tǒng)，此污水來源于村鎮(zhèn)生活污水。

（2）CRI系統(tǒng)中氮的遷移轉化和歸趨：在CRI系統(tǒng)內，氮的遷移轉化主要包括有機氮轉化成氨氮、濾料的吸附、氨氮硝化成亞硝氮和硝態(tài)氮、亞硝氮和硝態(tài)氮在反硝化反應中轉化為分子態(tài)氮（N2）或一氧化二氮、微生物的降解與同化；其中，吸附、硝化、氨化、解吸等作用只是改變了CRI系統(tǒng)中氮的存在形式，而并沒有真正地將氮從水中去除，只有反硝化作用才能將氮轉化成氮氣，從水中去除。在CRI系統(tǒng)中，從上到下沿程硝態(tài)氮的濃度呈上升趨勢，說明該系統(tǒng)沿程都處于有氧環(huán)境，而反硝化菌屬于厭氧菌，故硝態(tài)氮不易通過反硝化反應轉化為氮氣從系統(tǒng)中排出；雖然濾池深度100～150 cm段的溶解氧濃度已經降至較低水平，但因為CRI系統(tǒng)對有機物去除效果較好，有機物在系統(tǒng)上段范圍內已經基本被降解去除，所以到達該段的有機物非常少，使得濾池下段的反硝化作用缺少所需碳源，抑制了反硝化作用，硝態(tài)氮無法通過反硝化作用變成氣體從污水中去除。硝態(tài)氮帶負電荷且易溶于水，因此不會被濾料或微生物等吸附截留，而是從濾料中溶入水相中，并隨著水流排出CRI系統(tǒng)，使得系統(tǒng)出水中TN濃度較高。具體的氮素轉化如下化學式[5-6]：

（3）CRI系統(tǒng)中氮的輸出：CRI系統(tǒng)內氮的輸出主要包括反硝化作用脫氮、系統(tǒng)表面氨氮的揮發(fā)、含氮污染物質隨著系統(tǒng)出水流出等。

3 結 論

為了探明CRI系統(tǒng)處理農村生活污水時的脫氮機理，研究在實驗室中構建了CRI系統(tǒng)模擬柱，通過模擬柱對取自四川某鎮(zhèn)農戶家的生活污水進行處理。結果表明，采用不同布水方式，CRI系統(tǒng)模擬駐對污水的處理效果有一定差異，其中布水方式1（每天布水4次，每次布水0.5 h，每次布水量為0.25 m3，每6 h布水一次）對氨氮的平均去除率為81.7%，對總氮的平均去除率為31.1%，硝態(tài)氮濃度比進水時增加了4.12倍；而布水方式2（每天布水1次，一次布水時間為2 h，每次布水量為1 m3，每24 h布水一次）對氨氮的平均去除率為64.0%，對總氮平均去除率為22.0%，硝態(tài)氮濃度比進水時增加約2.86倍；CRI系統(tǒng)脫氮機理主要包括硝化與反硝化作用、揮發(fā)作用和吸附作用3個方面，不同布水方式下NH3-N、NO3-N、TN等污染物質的遷移、轉化、降解規(guī)律是一致的。

表2 運行方式1條件下模型柱沿程氨氮、硝態(tài)氮和TN濃度的變化（mg/L）

根據(jù)CRI系統(tǒng)的脫氮機理及規(guī)律，可通過調整CRI系統(tǒng)的池體結構、優(yōu)化快速滲濾池的濾料組成及運行模式等途徑提升CRI系統(tǒng)對含氮污染物的去除效果，以便進一步推動CRI技術在農村水環(huán)境保護工作中的應用。

[1] 王春燕. 人工土層快滲系統(tǒng)除污性能及氮去除機理研究[D]. 重慶：重慶大學，2009

[2] Wang L S，Hu H Y，Wang C. Effect of Ammonia nitrogen and dissolved Organic Matter fraction on the genotoxicity of waste water effluent during chlorine disinfection[J]. Environmental Science & Technology，2007，41：160-165.

[3] Jewett E B，Lopez C B，Dortch Q，et al. .National Assessment of Efforts to Predict and Respond to Harmful Algal Blooms in U. S. Waters Interim Report[R]. Washington DC：Interagency Working Group on Harmful Algal Blooms，2007.

[4] 周愛嬌. 木炭曝氣生物濾池的特性及效能研究[D]. 武漢：華中科技大學，2008.

[5] 李云禎，田慶華，高平平，等. 基于人工快滲土壤滲濾系統(tǒng)的成都市飲用水安全與健康防控研究[J]. 湖北農業(yè)科學，2015，54（16）：3911-3913.

[6] 周生賢. 中國拒絕開“寶馬”喝污水的現(xiàn)代化[N]. 人民日報，2013-07-31（002）.

（責任編輯：成 平）

Simulating Test on Nitrogen Removal for Rural Domestic Sewage Based on Constructed Rapid Infiltration (CRI) System

LONG Quan，LI Yun-zhen，GAO Ping-ping，XU Lei，XU Wen-lai
（1. Sichuan Academy of Environmental Sciences, Chengdu 610041, PRC; 2. Faculty of Geoscience and Environmental Engineering of Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, PRC; 3. College of Environment and Civil Engineering of Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, PRC）

In order to find out the performance of constructed rapid infiltration system (CRI) to treatment with the rural sewage, the CRI system was constructed in the laboratory, and the rural domestic sewage was simulated by different water distribution methods. The results showed that the effect of CRI system on the treatment of sewage was different, but the migration, transformation and degradation of NH3-N, NO3-N, TN and other pollutants were consistent. The denitri fi cation mechanism of CRI system mainly includes three aspects: nitri fi cation and denitri fi cation, volatilization and adsorption. The removal effect of CRI system on nitrogen-containing pollutants can be improved by adjusting the structure of the CRI system, optimizing the fi lter composition and the mode of operation of the rapid in fi ltration tank.

constructed rapid in fi ltration system (CRI); rural sewage; nitrogen pollutants; degradation mechanism

X703

：A

：1006-060X（2017）07-0047-05

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.007.01411213

2017-04-12

四川省科技廳公益性科研院所基本科研項目（2013038—1）；四川省留學回國人員科技活動擇優(yōu)資助項目

龍 泉（1969-），男，四川成都市人，高級工程師，主要從事環(huán)境污染防治、規(guī)劃與管理研究。

許文來