工藝參數對CRI削減雨水徑流中氮磷污染物的影響

王沐晴，卞兆勇，張丹丹，閆燕軍，王 輝,*

(1. 北京林業大學環境科學與工程學院，北京 100083；2. 北京師范大學水科學研究院，北京 100875)

目前，降雨徑流中氮磷等污染物已經成為導致河流湖泊水體水質變差的主要原因之一，而目前國內還缺乏完善的雨水徑流凈化利用體系。常規的污水處理廠無法承接凈化大量的雨水徑流，導致部分雨水徑流在沒有被凈化的情況下直接排入天然水體，水體水質污染情況加重。因此，需要對能有效降低雨水徑流中污染物濃度的技術措施進行探究，以此提高對雨水徑流的處理水平，降低雨水徑流對天然水體造成的污染程度。

人工快速滲濾(constructed rapid infiltration，CRI)系統相較于傳統污水土地處理技術，不但具有建造費用低、出水水質好和工藝流程簡略等優勢，還被實際工程多次應用證明其效果[1-4]。CRI系統的運行條件對系統的處理能力有很大的影響，不少學者對其進行了研究和改進[5-7]。目前對CRI系統的研究中，大多應用在生活污水方面，處理初雨徑流方面的研究較少[8]。對影響CRI系統運行性能的主要運行參數進行優化，是提高系統對雨水徑流污染物去除效率的重要手段[9-11]。

因此，為了提高CRI系統對雨水中氮磷等污染物的處理能力，本文在由土壤、河沙和蛭石構成的介質層基礎上對系統的運行參數進行優化研究，通過小試試驗和中試試驗考察并驗證系統在不同運行參數下的凈化能力。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗用水

本研究對2019年北京市城區的多次降雨徑流進行采樣檢測，地表徑流形成后立即采樣并送往實驗室檢測，由于樣品會溶解空氣中的污染性氣體且地面沖刷初期雨水污染較重，檢測結果甚至會超過普通城市污水的污染情況。另外，根據近年來許多學者對北京市的徑流污染特征和濃度變化范圍的研究表明[12-15]，初期雨水徑流中的氮磷等污染物濃度均遠超地表Ⅴ類水標準，以實際監測數值和前人研究為依據，綜合考慮確定配置人工雨水的濃度。試驗采用配水模擬雨水徑流中的氮磷污染物濃度，進水由乙酸鈉、磷酸二氫鉀和氯化銨配置，考慮到雨水的波動性，在中試階段設置高、低兩種濃度的進水，具體配水濃度如表1所示。在實際應用中，CRI系統進水前會設預處理設施，因此，本文不對泥沙、SS等因素進行研究。

表1 試驗配水濃度Tab.1 Concentration of Experimental Water Samples

1.2 試驗裝置

小試試驗采用的裝置如圖1(a)所示，總高為155 cm，內徑為15 cm，滲濾介質層厚度為130 cm，沿土層方向由上到下10、40、70、100、130 cm處設置穿孔取水管，取水管貫穿土壤內部，可有效避免出水為沿壁出流產生的誤差。在介質層表面和沿土層30、50、70 cm處埋設進水管，以便進行分段進水。中試試驗設計長寬為60 cm、高為130 cm的中試裝置共2組，底部為20 cm蓄水層，上部為25 cm溢水層，在表面和沿土層30 cm處埋設布水管，在土層底部設置穿孔管進行取樣，具體試驗裝置如圖1(b)所示。介質主體為按體積比1∶1混合的土壤和河沙，以及占土和沙總體積15%和8%的蛭石和石灰石，將4種介質完全混合后作為CRI系統的介質層。系統采用的濕干比為1∶15，水力負荷周期為2 d，即每周期進水3 h，落干45 h。

圖1 試驗裝置設計圖 (a) 小試試驗； (b) 中試試驗Fig.1 Design Drawing of Experimental Device (a) Small-Scale Bench Test； (b) Pilot Scale Test

1.3 采樣及分析

1.3.1 水樣分析方法

表2 污染物分析方法Tab.2 Method of Pollutant Analysis

1.3.2 微生物分析方法

對不同深度的介質層進行取樣時，均在取樣口處取出該深度下水平方向的整層土樣，混合均勻后進行檢測，具體微生物檢測流程如圖2所示，引物設計如表3所示。

表3 引物設計Tab.3 Primer Design

圖2 微生物檢測流程Fig.2 Flow of Microbial Detection

2 結果和討論

2.1 水力負荷的影響

選取1、1.5、2 m/d這3種水力負荷進行研究，進水方式為完全表面進水。由圖3可知，在水力負荷為2 m/d時，系統對TP、COD和氨氮這3種污染物的去除效果較好，平均去除率為62.1%、75.9%和77.1%，在不同水力負荷條件下，對3種污染物的去除趨勢相近，在系統運行6～7周期時趨于平穩。其中，系統對TP的去除主要依賴于滲濾介質的吸附，不同水力負荷對TP的去除影響并不大。COD和氨氮在系統運行前期依靠介質吸附截留，系統運行4～6周期時，介質逐漸吸附飽和,但生物膜尚未形成，導致該階段系統對COD和氨氮的去除率大幅度降低。隨著系統運行，微生物繁殖生成生物膜，CRI系統內微生物對滲濾介質吸附截留的COD和氨氮進行分解，釋放出吸附位點，系統對COD和氨氮的去除率隨之開始上升并趨于穩定。土壤對有機物的吸附包括無機膠體的吸附和有機膠體的吸附[16]，無機膠體的吸附即為土壤黏土礦物的吸附作用，黏土礦物對有機污染物的吸附主要通過表面吸附和離子交換吸附兩種過程。黏土礦物具有較大的比表面積和較高的表面自由能，具有強烈的表面吸附能力，黏土礦物的離子交換吸附與黏土微粒帶電有關，當土壤中的酸性較強以及鐵鋁氧化物的含量較高時，其表面的電荷密度相對較高，對溶解性有機質的吸附能力將會增強[17]。

圖3 不同水力負荷下去除率隨時間變化 (a) TP; (b) CODCr; (c) 氨氮Fig.3 Change of Removal Rates with Time under Different Hydraulic Loads (a) TP; (b) CODCr; (c) Ammonia Nitrogen

CRI系統通過滲濾介質吸附和生物降解作用去除有機物，吸附作用與微生物降解相輔相成，密不可分[18]。較高的水力負荷意味著進入系統中的有機物總量相對較高，有利于微生物群落生長繁殖，因此，系統在2 m/d的水力負荷條件下掛膜速度快，在4～6周期時的去除率下降幅度也相對較小，總體對COD和氨氮的去除效率也較高。

2.2 介質層厚度的影響

圖4 去除率沿程變化 (a) TP; (b) CODCrFig.4 Change for Removal Rates along Process (a) TP; (b) CODCr

圖5 (a)氨氮去除率、(b)TN和出 水濃度沿程變化Fig.5 Change for (a)Ammonia Nitrogen Removal Rate, (b)TN and (c)Nitrate Effluent Concentrations along Process

綜合考慮系統對碳、氮、磷污染物的去除效率，CRI系統最適合的介質層厚度為70～100 cm。

2.3 進水方式的影響

為進一步提高CRI系統對污染物的去除能力，對進水方式進行了研究，采用由介質層表面和介質內部同時進水的分段進水方式，分別選取距介質層表面30、50、70 cm的3段距離作為分段進水的位置。表面進水和介質層下進水量為2∶1，水力負荷為2 m/d，對10～100 cm的介質層進行取樣檢測。由圖6(a)可知，3個進水位置對于TP的去除效果影響為30 cm>50 cm>70 cm，其平均去除率分別為90.1%、77.1%和73.8%。這是由于另外兩個系統分段進水的位置相對較低，能夠有效對TP進行吸附沉淀的介質層厚度降低，難以對進水中的磷進行更好的吸附截留，導致出水中濃度升高。由圖6(b)可知，3個進水位置對COD去除效果為30 cm>50 cm>70 cm，其平均去除率分別為87.7%、75.4%和55.1%。一方面，隨著分段進水位置的降低，可吸附的土層厚度降低，系統對有機污染物無法充分吸附；另一方面，由于系統底部處于缺氧環境，發生的厭氧呼吸效率不高，無法快速分解截留有機物釋放出吸附位點。

圖6 不同分段進水位置下沿程去除率變化 (a) TP; (b) CODCrFig.6 Change of Removal Rates along Process under Different Water Inlet Positions (a) TP; (b) CODCr

圖7 不同分段進水位置下(a)氨氮和(b) TN去除率以及 出水濃度沿程變化Fig.7 Changes for (a) Ammonia Nitrogen and (b)TN Removal Rate, (c)Nitrate Effluent Concentrations at Different Inlet Positions in Different Sections

綜合考慮系統對污染物的去除能力，CRI系統最適合的進水方式為沿介質層表面和距介質層表面30 cm處分段進水。

2.4 CRI系統中試運行

圖8 系統在不同進水濃度和相同條件下連續運行時污染物隨時間變化 (a)不同進水濃度；(b)連續運行Fig.8 Pollutant Change with Time during Continuous Operation under Different Influent Concentration and the Same Conditions (a)Different Influent Concentration;(b) Continuous Operation

由圖8(b)可知，系統連續運行31個周期(62 d)后一直保持著較好的污染物處理效果，運行過程中，系統對TP、氨氮、COD和TN的平均去除率分別為59.3%、85.1%、69.3%、75.7%。在運行條件保持不變的情況下，系統可以在連續運行的狀態下保持對污染物去除的穩定性。

通過中試運行，驗證了CRI系統在長期運行的情況下可以保持一定的穩定性，且在進水水質波動的情況下依舊可以保證較好的處理效果。

2.5 CRI系統中的微生物組成分析

對CRI系統沿介質層方向10、40、70、100、130 cm處的土壤取樣，進行微生物群落和多樣性檢測，根據土層深度依次命名為1、2、3、4、5號樣品。由圖9可知，CRI系統土壤中微生物群落的豐度受滲濾介質層深度變化的影響顯著，各層微生物中均以變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)為優勢菌群，其相對豐度分別為34.0%～41.1%、17.9%～33.0%。

圖9 群落豐度在門級的百分比Fig.9 Percentage of Community Abundance at Gate Level

變形菌門是參與有機物降解、脫氮除磷和去除芳香族化合物的最主要菌種，在CRI系統中，對氮、磷和有機質凈化處理方面扮演著重要的角色[21-22]。酸桿菌門(Acidobacteria)廣泛存在于土壤中，根據Zeglin等[23]的研究，酸桿菌門在干旱土壤中相對豐度較高，這與本文檢測結果相符。5號樣品中綠彎菌門(Chloroflexi)在系統末端的豐度明顯低于1～4號樣品，酸桿菌門豐度降低，含量僅為3.8%，說明系統底部水位變化并不頻繁，長期處于濕潤的狀態[24]。另外，5號樣品中厚壁菌門(Firmicutes)的含量大幅度提升至15.2%，很多研究表明厚壁菌門多出現在污染的環境中[25]，因此，厚壁菌門的增加從側面驗證了該系統底部污染物累積嚴重。

節桿菌屬(Arthrobacter)是土壤中最為常見的細菌之一，其與氮單胞菌屬(Azohydromonas)均屬于好氧細菌，由圖10可知，這兩種細菌在5號樣品中含量降低，另外，該樣品中胚芽孢桿菌屬(Phaselicystis)含量的升高也證明了系統底部處于濕潤厭氧的狀態。該段不動桿菌屬(Acinetobacter)占比升高至10.3%，不動桿菌屬作為除磷過程的優勢菌種，在末端的厭氧環境中向外界釋放磷，導致系統末端磷濃度上升。且由于系統末端的厭氧環境，使包括氮單胞菌屬在內的大量好氧細菌無法生長，導致了該段污染物累積嚴重，這與該段出水中有機物、氮磷等污染物濃度增加一致。

圖10 群落豐度在屬級的百分比Fig.10 Percentage of Community Abundance at Genus Level

3 結論

(1)通過對工藝參數優化的試驗研究得出，當水力負荷為2 m/d、介質層厚度為70～100 cm時，在介質層表面和距表面30 cm處以2∶1同時進行分段進水，CRI系統對雨水徑流中的氮磷等污染物總體的處理效果最好。最佳運行條件下，系統對COD、TP、氨氮和TN的去除率分別為87.7%、90.1%、89.5%和40.5%。

(2)中試運行驗證了CRI系統連續運行31個周期時保持較好的穩定性，其對COD、氨氮、TP和TN的去除率分別為69.3%、85.1%、59.3%和75.7%，在進水水質波動的情況下可以保證較好的處理效果。

(3)對不同土層深度的微生物檢測結果表明，變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)為CRI系統內優勢菌群。系統底部酸桿菌門(Acidobacteria)和綠彎菌門(Chloroflexi)豐度的降低以及厚壁菌門(Firmicutes)豐度的增加說明系統底部長期處于濕潤厭氧狀態，導致該段對氮磷等污染物去除效果較差。