扰动土壤提高乳制品废水氮去除效果的研究

王石，史锟(大连交通大学环境与化学工程学院，辽宁大连116028)*

扰动土壤提高乳制品废水氮去除效果的研究

王石，史锟
(大连交通大学环境与化学工程学院，辽宁大连116028)*

研究了扰动土和原状土对乳制品废水总氮的去除情况.结果表明，9和10月2次试验中，乳制品废水经扰动土处理后，总氮平均浓度从122.85 mg/L减少到13.48 mg/L，平均去除率为89.03%;经原状土处理后，从122.85 mg/L减少到21.81 mg/L，平均去除率为82.25%.扰动土壤显著增加了总氮的去除率.处理前扰动土和原状土平均含氮量都为1.037 g/kg，处理后变为0.820和0.915 g/kg，分别减少了0.217 和0.122 g/kg.本研究过程中，氮素主要转化成氮气排放到大气中或以硝态氮的形式存在于深层土壤中，扰动土处理和原状土处理氮素平均转化量分别为0.326和0.223 g/kg，平均流失率分别为27%和20%.由以上数据可得，土壤对乳制品废水中总氮去除作用比较明显，其中扰动土的去除率高于原状土，扰动土壤能提高对乳制品废水总氮的去除率.利用土壤处理乳制品废水，相比传统方法对总氮的去除率高，而且投资少，操作简单，维护方便，是一种处理乳制品废水的有效方法.

扰动土;原状土;乳制品废水;脱氮

0 引言

近年来，我国乳制品行业发展迅速，加上国家积极倡导人们消费乳制品，使其成为继粮食、肉类、水产品之后必不可少的营养食品［1］.虽然该行业是一个有很大发展潜力的食品行业，但在乳制品生产的过程中会产生大量有机废水.该废水主要特点是有机物含量高，可生化性好［2］.针对其特点，目前大多采用生化法进行处理，但由于乳制品废水含氮量较高，生物处理过程中易产生恶臭，滋生蚊蝇，还存在占地面积大、投资费用高和处理效果不稳定等问题，因此需探求更好的方法来处理乳制品废水.

污水土地处理技术是一种污水处理的生态工程技术，它利用土壤矿物质、有机质和微生物的作用，经过一系列物理、化学及生物化学反应过程，将污染物质去除.有资料表明，土壤对有机污染物有很强的降解能力，除氮效果好.虽然该技术已经非常成熟，但对扰动土和原状土处理效果是否有区别的报道还比较少.本文利用扰动土和原状土分别处理乳制品废水，研究了它们对废水中总氮的去除效果，并进行了比较.

1 材料与方法

1.1试验设计

试验包括两部分，分别为扰动土试验和原状土试验，地点为大连交通大学南区废弃土地.9和10月各做1次，时间间隔约为30d，用10月份试验验证9月份试验结果.

( 1)扰动土试验

选取有代表性的试验区域，称取8.7 kg土壤装进尺寸为40 cm×15 cm×20 cm的玻璃缸中，将表面铺平，加入3 L乳制品废水(取自大连市某乳业公司)，达到饱和状态，静置4 h后收集出水，做3次平行试验.

( 2)原状土试验

在试验区域挖底面圆直径20 cm，高10 cm的圆柱，将其上底面边缘垫高，缓慢加入3 L乳制品废水，在圆柱四周插4个塑料管，用于收集出水，做3次平行试验.

1.2样品采集与处理

土样:取对照土及处理后的扰动土和原状土各约200 g.带回试验室，称量鲜重，风干后放入烘箱，先用120℃烘30 min进行杀青，然后用105℃烘8 h以上至恒重.将烘好的土样研磨，过100目筛，装袋备用.

水样:将乳制品废水和收集到的出水分别装瓶保存，备用.

用凯氏定氮法对样品进行测定，得到土壤全氮和水中总氮含量(由于乳制品废水中硝态氮含量极少，可用凯氏氮近似表征总氮［3］)，每个样品做2次平行试验.

2 结果与讨论

2.1土壤含氮量分析

从图1可以看出，9和10月2次试验后，扰动土和原状土含氮量相比对照土都有所减少，原因可能是:首先，加入大量乳制品废水后，土壤处于饱和状态，废水中的有机氮在多种土壤微生物作用下经氨化过程转变成铵态氮，其中一部分被土壤吸附和微生物固持，另一部分经硝化作用转化成硝态氮.4 h后，土壤中导水孔隙被水分填充，其中的空气被排出，形成氧气浓度过低甚至缺氧的环境，此时反硝化作用加强，占主导地位，土壤中部分硝态氮被还原成氮气或氧化亚氮排放到空气中.其次，加入乳制品废水后，由于土壤水分的大量增加，在入渗水流的作用下，硝态氮随土壤溶液迁移的速度加快，原来不易迁移的铵态氮也有部分发生了迁移.通过以上两种原因损失的氮大于土壤从乳制品废水中吸附和固定的氮，因此，虽然添加乳制品废水增加了氮输入，但土壤含氮量反而减少了.

图1 土壤含氮量

比较处理后扰动土和原状土的含氮量，发现二者之间有显著差异，且前者小于后者，9和10 月2次试验结果一致.9月份处理前扰动土和原状土含氮量都为1.093 g/kg，处理后变为0.866 和0.979 g/kg，分别减少了0.227和0.114 g/kg，扰动土比原状土多转化0.113 g/kg氮素.10月份处理前扰动土和原状土含氮量都为0.981 g/kg，处理后变为0.774和0.851 g/kg，分别减少了0. 207和0.130 g/kg，扰动土比原状土多转化0. 077 g/kg氮素.这是因为扰动土孔隙大，有较大的比表面积，与乳制品废水接触面积大，对废水中有机氮的分解、氨化、硝化、反硝化等一系列作用要比原状土强烈，因此处理过程中排放到空气中的氮气或氧化亚氮较多.此外，由于孔隙大且多，氮素随土壤溶液迁移的量也较多，这两种因素导致扰动土氮素损失量大于原状土.

2.2出水总氮浓度分析

土壤对污水中总氮的去除机理比较复杂，主要靠微生物的硝化和反硝化作用.由于污水水质、微生物种类、气候、土壤组成及周围环境等因素的影响，不同污水土地处理系统对总氮的去除率有较大差异，根据国内外不同研究者的研究结果，去除率多在10%～80%之间.

Avinas等［4］用红土构建土壤渗滤系统，处理进水TN浓度为( 10.8±6.4) mg/L的废水，出水浓度为( 7.0±6.3) mg/L，平均去除率为34.8%.严群等［5］研究认为添加碳源可明显提高地下渗滤系统对TN的去除效果，在此条件下进水TN浓度为31.2 mg/L，出水为14.7 mg/L，去除率为52. 88%.董文杰等［6］引入包埋硝化菌流化床来提高土壤渗滤系统的脱氮性能，对进水TN浓度为30.11 mg/L的生活污水进行处理，出水浓度为12.32 mg/L，去除率为59.08%.侯国华等［7］采用土壤柱试验研究了土壤渗滤对再生水中有机微污染物的去除性能，其中进水TN浓度为25.2 mg/L，出水浓度为3.5 mg/L，去除率达到了86%.

就本文研究来说，总氮去除率可达70%以上.究其原因，首先，乳制品废水COD和BOD含量比较高［8］，碳源丰富，C/N比较高，有利于总氮的去除［9］;其次，试验过程中，土壤处于饱和状态，在其内部形成厌氧环境，有利于反硝化作用的进行.这是影响土壤脱氮效果的两个主要因素.

由图2可以看出，原状土试验出水总氮浓度大于扰动土试验，且二者之间有显著差异.9和10 月2次试验中，乳制品废水经扰动土处理后，总氮浓度分别从157.50和88.20 mg/L减少到10.16 和16.80 mg/L，去除率分别为93.55%和80. 95%，平均去除率为89.03%;经原状土处理后，分别减少到18.98和24.64 mg/L，去除率为87.95%和72.06%，平均去除率为82.25%.经方差分析可得，扰动土和原状土对总氮的去除率有显著差异.不同月份扰动土去除率都大于原状土，说明扰动土处理效果较好，扰动土壤能提高乳制品废水总氮的去除率.

图2 出水总氮浓度

2.3氮素转化与流失分析

土壤中的氮素在转化过程中主要通过氨挥发、反硝化作用、淋溶作用等途径流失，一部分以NH3、N2和N2O的形式排放到大气中，另一部分以NO3

－、NO2－和NH4

+的形式淋洗到深层土壤或地下水中.

本研究中，氮素来源为乳制品废水和土壤，去向为出水、土壤存留、大气、深层土壤.其平衡关系如下:

乳制品废水氮素+处理前土壤氮素=出水氮素+处理后土壤氮素+排放到大气中氮素+迁移到深层土壤氮素，则氮素流失量=乳制品废水氮素+处理前土壤氮素－出水氮素－处理后土壤氮素.

根据表1中数据，结合上述氮素平衡关系式可得: 9和10月扰动土处理氮素从1.251和1. 069 g/kg减少到0.876和0.791 g/kg，流失量分别为0.375和0.278 g/kg，相应流失率分别为30%和24%，平均为27%;原状土处理氮素从1. 251和1.069 g/kg减少到0.998和0.876 g/kg，流失量分别为0.253和0.193 g/kg，相应流失率分别为22%和18%，平均为20%.本研究中氮素流失率为18%～30%，这与韩晓增等［10］有关氮素损失率的研究结果基本相当.

表1 各样品含氮量 g/kg

2.4温度对总氮去除的影响

9和10月试验期间平均温度分别为22和14℃，而扰动土和原状土对总氮的去除率9月比10月分别高12.6%和15.89%，可见温度是影响乳制品废水中总氮去除的一个重要因素，低温不利于总氮的去除.研究发现，在温度为5～35℃范围内，有机氮转化为无机氮的速率与温度呈正相关［11］，即在此范围内，随温度升高，氮素转化速度加快，总氮去除量增加，故9月去除率高于10月.

3 结论

本文用实地试验研究的方法，分析了扰动土和原状土在处理乳制品废水前后土样及水样含氮量的变化情况，通过对试验数据的处理与分析，得出以下主要结论:

( 1)利用土壤处理乳制品废水过程中，由于土壤和土壤微生物的过滤、沉淀、吸附、降解、硝化、反硝化等一系列作用，对废水中总氮的去除比较明显，就本文研究结果来看，去除率能达到70%以上;

( 2)比较扰动土和原状土对总氮的去除情况可得，扰动土的去除率大于原状土，且有显著差异，说明扰动土壤能显著提高乳制品废水总氮的去除率;

( 3) 9、10月试验期间平均温度分别为22℃、14℃，对比两次试验数据，发现无论扰动土还是原状土，9月份去除率都要高于10月份，可见乳制品废水中总氮的去除跟温度有关，低温不利于总氮的去除.

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Improvement on Removing Nitrogen Concentration from Dairy Wastewater with Disturbed Soil

WANG Shi，SHI Kun
( School of Environmental and Chemical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

The removal efficiency of TN ( total nitrogen) from dairy wastewater was studied with disturbed and undisturbed soils.The results show that in September and October，the average TN concentration in wastewater is decreased from 122.85 mg/L to 13.48 mg/L after treatment with disturbed soil，and the removal efficiency is 89.03%.After treatment with undisturbed soil，and the removal efficiency is 82.25%.The TN removal efficiency has a significant difference between disturbed and undisturbed soils.The average nitrogen content of soil is 1.037 g/kg before treatment，and that of disturbed and undisturbed soils are 0.820 and 0.915 g/kg after treatment，decreased by 0.217 and 0.122 g/kg.During the experiment，the fate of nitrogen are atmosphere and deep layer soil or groundwater，so the average loss of nitrogen in disturbed and undisturbed soils are 0.326 and 0.223 g/kg，and the loss rates are 27% and 20% respectively.It can be concluded from the data above that the disturbed and undisturbed soils have different TN removal efficiencies.Soil treating system has a higher TN removal efficiency than traditional methods with less investment，simple operation，and easy maintenance.

disturbed soil; undisturbed soil; dairy wastewater; nitrogen removal

A

1673-9590( 2016) 01-0074-04

2015-03-18

王石( 1988－)，男，硕士研究生;

史锟( 1958－)，男，教授，博士，主要从事环境科学和土壤生态的研究

E-mail: skshikun07@ aliyun.com.