改良土地快濾系統強化除氮研究

張 南 孫寧靜

（保山學院 資源環境學院，云南 保山 678000）

隨著國民經濟的迅猛發展、鄉村的振興，如何科學地認識并有效控制面源污染已成為一個緊迫的研究課題[1-2]。面源污染多發生在土地資源相對豐富、廉價的村鎮和城郊地區[3]。這樣，占地面積稍大但處理效果好、投資運行費用低的污水土地處理系統便成為治理污水面源污染的理想之選。然而，典型土地快濾系統雖對好氧有機污染物有較好的去除效果，但對能引起水體富營養化的污水中氮的去除效果卻并不理想[4]。

氮的去除通常需要硝化（好氧）和反硝化（厭氧）過程共同作用完成。在土地快速滲濾床中間加鋪卵石層，改善土地介質通氣狀況，在污水縱向滲濾過程中生成好氧—厭氧交替環境，可以提高其總氮的去除率。這樣做，還可以避免分別單獨設置硝化和反硝化設施，有助于進一步優化土地快濾系統，促進其更廣泛的應用。

1 材料和方法

1.1 實驗設計

在典型土地快濾系統的基礎上，通過改變濾料層的結構，即在濾床中間加鋪一層或兩層卵石通氣層，使污水縱向滲濾經歷好養-厭氧交替過程，從而加強土地快濾系統對氮的去除。設一個對照模擬箱，配水時間8 h、配水周期48 h，濕干比1∶5。運行期間定期測定進出水水質狀況，以確定優選的濾床結構。

1.2 實驗裝置

土壤介質為農田耕層土過12目篩后，與粗砂（細度模數3.7-3.1，平均粒徑0.5 mm以上）按視體積比9∶1混合后使用。卵石通氣層，所用卵石粒徑分三個級配：小0.5～1.5 cm，中3～4 cm，大6～8 cm；鋪設時，從下到上由大到小，按視體積比2∶5∶13，每層鋪至總厚度為20 cm。

土地快濾箱由5 mm厚，灰色工程塑料板制成，長5 m，寬0.15 m，高1.3 m。外部以三角鐵焊接成的框架固定；內部濾床層總厚度為120 cm。實驗箱共三個，其中土層和卵石通氣層的分布如圖1所示：

圖1 土地快濾模擬箱內部結構示意圖（單位：cm）

濾床最底部為20 cm厚匯水卵石層，中部為通氣卵石層，未鋪卵石層的土地快濾箱為對照，即典型土地快濾結構。

1.3 土地快濾箱配水與馴化

土地快濾箱配水由液位自動控制器控制水泵自動完成。以雞糞配制污水，進水COD濃度約為240～300 mg/L。

濾床濾料填好后，先以清水灌注數次，使填料充分浸透，以穩定濾層滲透系數、含水率等特性。之后，逐步增加進水COD濃度，使濾床中的微生物體系在污染物負荷逐步增加的過程中馴化適應。本研究的具體做法為：經4 d的清水灌注后，按濕干比1∶5的設計運行周期運行。第一日配水，COD濃度設為150 mg/L左右；第二日配水，COD濃度設為200 mg/L左右；第三日配水，COD濃度與第二日相同；第四日配水時，將COD濃度升為260 mg/L左右。至此，結束馴化期。正常實驗過程中，進水COD濃度控制在240 mg/L左右（土地濾床最佳進水COD濃度為200～300 mg/L[5]），濕干比1∶5持續運行，并進行各項水質指標測定。

1.4 采樣和測定項目

采樣頻率：8 h配水期間，每隔兩小時對進出水采樣一次，共4次。初始0時刻不采樣，待兩小時后濾床進出水和運行狀況已穩定時，進行第一次采樣。

COD測定采用重鉻酸鉀法；銨氮測定采用水楊酸-次氯酸鹽光度法；硝態氮測定采用紫外分光光度法；總氮測定采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；總磷測定采用鉬銻抗分光光度法；溶解氧測定采用碘量法[6]。

2 結果與分析

2.1 改良的土地快濾系統的除氮效果

由圖2可見，加鋪卵石通氣層后，土地污水處理系統的除氮能力得到了提高。加鋪卵石通氣層的兩個土地快濾箱的總氮去除率，都明顯高于未鋪卵石通氣層的對照箱：單層的總氮去除率為對照的1.76倍；雙層的為對照的2.4倍。卵石通氣層數量的不同，對總氮的去除率有明顯影響，加鋪了雙層卵石通氣層的土地快濾箱的總氮去除率為單層的1.37倍。

圖2 土地快濾模擬箱總氮去除效果

分析其原因，通過加設卵石通氣層，改善了濾床的通氣狀況，使濾床中出現了好氧-厭氧交替環境，促進了硝化與反硝化的交替進行。氮在硝化和反硝化作用下，得以更好地去除。而對照濾床中不具備這樣的好厭氧交替環境，故不能使污水中的氮充分反硝化，總氮去除能力弱。鋪有雙層卵石通氣層的土地快濾箱能為流過濾層的污水提供更多一次的好厭氧交替過程，使反硝化作用更為充分，故鋪有雙層卵石通氣層的土地快濾箱有更高的總氮去除率。接下來，重點對鋪有卵石通氣層的兩個土地快濾箱的氮去除情況進行研究和討論。

2.2 改良土地快濾系統中氮的變化

通過對兩個結構不同的土地快濾箱的進出水水質進行定期測定，得到表1中結果。

表1 土地快濾箱進出水中各形態氮含量及去除率

2.2.1 銨態氮

分析表1中進出水銨態氮含量可以看到，兩種結構的土地快濾箱對銨態氮均有很好的去除效果，接近100%。卵石通氣層為土地濾床中提供了充足的空氣，使銨態氮得以充分的氧化轉化為其它形態氮。卵石通氣層層數的不同，并未對銨氮的去除產生明顯的影響。究其原因，一是兩種濾層結構的滲透系數相差不大（鋪單層卵石的為0.462 cm/min，雙層的為0.468 cm/min），它們對污染物的截留吸附效果基本相當；二是污水流過兩濾床時皆可獲得充足的氧，硝化作用效果相當。此外，比較測得的典型土地快濾箱的滲透系數0.334 cm/min，兩種經過改良的土地快濾結構，在保持了高銨氮去除率的同時，大幅度提升了水力負荷、污染負荷。

2.2.2 硝態氮

所用污水由雞糞配制，其中的氮以銨態氮和有機態氮等還原態氮為主，故進水中的硝態氮含量并不高。從測定結果可以看到，出水中的硝態氮急劇升高，這部分硝態氮主要由微生物的硝化作用產生，其含量大約是進水銨氮的40～60%。由于出水中基本已無銨態氮存在，則有大約一半的銨態氮已經通過硝化-反硝化作用而徹底去除。這也佐證了，土壤濾層中加鋪卵石通氣層，使濾床中出現了好厭氧的交替過程，促進了硝化-反硝化過程的發生。

2.2.3 總氮

進出水中總氮含量的變化是最能反映濾床除氮效果的指標。加鋪卵石通氣層的土地快濾箱對總氮的去除率，單層的在28%～45%之間、雙層的達44%～64%，明顯高于典型土地快濾床的總氮去除率23.5%。由此可見，在土地濾床中加鋪卵石層，可使土地濾床的總氮去除能力得以提高，但出水中的總氮濃度仍較高。而實際村鎮城郊污水通常不會有如此高的總氮濃度，碳氮比也將高于實驗用污水，從而將更有利于反硝化作用的進行。將此種改良的土地快濾結構應用于實際，其除氮效果有望更好。

2.3 改良土地快濾箱進出水的COD和總磷去除效果

表2 中數據顯示，鋪有單層卵石通氣層的土地快濾箱的COD去除率，略高于鋪有雙層卵石通氣層的土地快濾箱。究其原因，土地快濾中濾層截留是污水COD去除的重要途徑，它可去除50%的COD[7]。鋪有單層卵石通氣層的土地快濾箱中由于少了一層卵石，比表面積大的土壤含量略高于鋪有雙層卵石通氣層的土地快濾箱，能截流吸附進水中更多的COD，故其COD去除率略高。兩種通氣方式土地快濾箱的COD去除率均接近或超過80%，與典型土地快濾系統的去除率相當[4]。實驗中所用兩個土地快濾箱的水力利負荷高于典型土地快濾系統，因此在相同運行時間下，通氣土地濾床會有更高的有機污染物處理總量。這意味著，在同樣的污水處理量下，改良土地快濾污水處理系統的占地面積可相應減小，能一定程度上改善土地快濾污水處理系統占地面積較大的缺點。

表2 土地快濾箱進出水中COD和總磷含量及去除率

實驗中各土地快濾箱對總磷的去除率均達到或超過99%。這好于常見的進行過強化脫磷改造的污水土地處理系統[8]。但實驗中所得到的總磷高去除率，也可能在于所用土地快濾系統屬新建成，土地層對磷的吸附還未達到飽和，土地層始終能高效地吸附磷。

3 結論

加鋪卵石通氣層后，土地污水處理系統的除氮能力到了明顯提高。卵石通氣層數量的不同對總氮的去除率亦有明顯影響，雙層的總氮去除率高于單層。

兩種通氣結構的土地快濾床對污水中銨氮都有很好的去除效果，卵石通氣層數的不同對銨氮的去除差異不明顯。

出水中的硝態氮約為進水銨態氮的一半，佐證了改良土地快濾系統中反硝化作用的活躍發生。

加鋪卵石通氣層的土地快濾系統對總氮的去除率明顯高于典型土地快濾系統。鋪有雙層卵石通氣層的土地快濾箱的總氮去除率明顯高于單層的。

鋪有卵石通氣層的土地快濾箱的COD去除效能，不遜于典型土地快濾箱。

改良土地快濾系統中磷去除率很高，優于常見的強化脫磷污水土地處理系統。但其是否會出現濾床穿透的情況及如何應對，尚待后續研究。