新型污水灌溉渠道的設計及除氮效果分析

李虹

摘要 針對用來灌溉的污水中氮元素含量過高的特點，通過對現有灌溉渠道的改造，設計了一種新型污水灌溉渠道。該設計利用土壤的滲透及干濕交替原理、氮元素運移與轉化規律，通過硝化與反硝化反應、沸石與土壤的吸附作用等原理來降低灌溉用污水中的氮含量。同時，為驗證新型污水灌渠的凈化效率，進行了數值模擬。結果表明：該設計渠道流量滿足灌溉需求，且對污水中氮含量的去除具有明顯效果，同時具有改造成本低、施工簡單方便的優點。

關鍵詞 污水灌溉；新型污水灌渠；除氮；干濕交替

中圖分類號 S273.5 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）04-0187-01

在我國北方干旱半干旱地區水資源日趨緊張的背景下，污水灌溉成為滿足土壤農作物對水需求的一種可行方式，隨著我國經濟社會的發展，水資源越來越緊張，污水灌溉面積也在逐年增加[1]。然而，污水灌溉現在仍然存在很多的問題。城市生活污水處理率低，而灌溉前又缺少必要的污水處理措施，污水中氮元素嚴重超標，導致長期利用污水灌溉的地區，其農田土壤及地下水環境遭到破壞，農業區地下水氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮超標和有機污染日益嚴重[2]。

我國在污水灌溉效應及技術研究方面也有一定的進展，但是研究主要側重污水灌溉對作物與土壤的影響、污水灌溉機理、重金屬處理以及有害微生物的處理方面，且都是任由含高濃度氮元素的污水進行灌溉，而對污水中氮的污染沒有引起高度重視。一方面，污水含有的過量氮元素無法全部被植物和土壤全部吸收，氮化物隨水流下滲后可直接污染地下水。另一方面，部分人片面地認為氮元素可以增加作物產量無需處理，而實際上過量氮化物被植物吸收后反而造成植物瘋長、減產甚至絕產等不利影響，同時也由此造成土壤pH值及其中微生物群落環境的失衡，嚴重不利于土壤環境的可持續發展。可見，用于灌溉的污水中過量氮元素的控制與去除已不容忽視，因此，設計了具有除氮作用的新型污水灌渠，以此來減輕污水灌溉的負面效應，從而達到保護土壤與地下水的目的。

1 污水灌渠結構設計及工作原理

1.1 結構設計

該污水灌渠斷面如圖1所示，分為進水區、反應區和出水區。其中用于分區的材料是一種特殊的生態袋無紡布[2]，其最大的特點為透水不透土的過濾功能。污水由進水區進入裝置，進水區內部放置一定量的沸石；反應區由砂土、壤土和活性污泥按比例混合均勻分布，并添加少量活性炭等吸附力強的物質，提供了微生物生存的環境條件和除污反應物；出水區，承接由反應區垂直滲出的水，輸出用于灌溉。反應區上下層各鋪設0.1 m厚的秸稈投放區，補充除污微生物的碳源。

1.2 反應原理

灌溉污水中過量的氮元素主要以大量的氨氮、少量的有機氮和硝態氮的形式存在。灌溉期污水中氨氮可以利用進水區中的沸石以及反應區中活性炭、土壤膠體的吸附作用吸附在反應區內部，待非灌溉期清洗再生沸石并對灌渠充分干燥通氣通過硝化反應生成硝態氮；灌溉期滲透反應層為飽和濕潤狀態，硝態氮的去除可以在反硝化細菌的作用下經過反硝化反應分解為氮氣[3]，反應式具體如下所示：

2NO3-+10e-+12H+→N2+6H2O+能量 （1）

NH4++2O2→NO3-+2H++H2O （2）

1.3 工作流程

平原區斗渠長度500～1 000 m，控制面積13.3～40.0 hm2，此處取L=1 000 m，控制面積40 hm2。設計灌水率此處取1.5 L/（s·hm2），即40 hm2需要流量0.06 m3/s[4]。設計灌渠中水近似垂向滲流，水力坡降i=1，第3層厚度L2=1.7 m，滲透寬度b=4 m，則有：

A有效=4×1 000=4 000 m2

Q=KiA有效=0.08 m2/s

即水在反應區中的滲流時間約為24 h，滲流流量為0.08 m2/s，滿足灌水需求。

水體中污染物的去除過程如圖2所示。

2 氮元素處理的實現

2.1 有機氮的去除

城市生活污水中含有少量的有機氮，一般情況下生活污水會在城市地下官網中流動較長時間，此時其中的有機氮大部分已被微生物所酸化。而剩余的少量有機氮會由滲透反應區活性污泥中的微生物所分解，分解后主要以氨氮的形式存在于污水中。

2.2 氨氮的去除

氨氮的去除可利用沸石和土壤的吸附作用，污水經進水區沸石吸附后僅有少量氨氮會進入反應區，由于土壤帶負電，銨根離子帶正電，土壤對銨根離子有很強的吸附性，從而這部分氨氮可在反應區由土壤吸附在內部，不易流失。待灌溉結束后將反應區土壤充分干燥通氣，由反應式（2）可以看出，銨根離子在有氧環境下發生硝化反應生成硝酸根離子，而反應生成的硝酸根離子在下次灌溉時可去除。

2.3 硝態氮的去除

由反應式（1）可知，去除硝態氮主要利用反硝化反應。污水灌渠反應區由沙土、壤土及活性污泥經一定比例混合而成，利用污泥中含有的反硝化細菌進行反硝化反應[5]。碳源主要來自作物秸稈及土壤中的其他有機物；灌溉期時反應區處于完全淹水狀態，可保證無氧環境。此外，由于上述反應進行速率較慢，所以應合理的控制水流速度使反應時間保證在24 h左右，進一步來說，即使實際操作中達不到設計反應時間，灌溉污水經植物吸收及土壤的吸附凈化作用[6-7]，氮元素含量會進一步減少，從而進一步降低污水灌溉對地下水的污染[6-7]，除污效果如圖3所示。

3 結論及展望

（1）新型污水灌渠的設計是基于已有灌渠的改造，結構簡單，施工方便，既充分利用了已有的灌溉設施，節約了土地面積，又可以進一步解決污水灌溉對土壤、農作和地下水帶來的負面影響。

（2）利用氮元素運移與轉化規律，通過硝化與反硝化反應、物理吸附作用等原理來降低灌溉用污水中的氮含量，其成本低廉且除污效果可以得到保障。

（3）我國單位耕地面積化肥、農藥使用量近世界平均水平的3倍，大量化肥和農藥通過土壤滲透和地表徑流等方式污染河流湖泊水及地下水，若此設計運用于排水渠系和灌排兩用渠道之中，將為農業面源污染的治理提供新的思路。然而，為保證一定的過水流量，需要適當調整污水的預期處理效率，這將是未來值得研究的方向。

4 參考文獻

[1] 劉潤堂，許建中.我國污水灌溉現狀、問題及其對策[J].中國水利，2002（10）：123-125.

[2] 吳昌永.A～2/O工藝脫氮除磷及其優化控制的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

[3] 楊金忠.污水灌溉系統中氮磷轉化運移的試驗研究[J].水利學，2004（4）：1-8.

[4] 陳竹君，周建斌.污水灌溉在以色列農業中的應用[J].農業環境保護，2001（6）：462-464.

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