人工土层降解废水中氨氮的试验研究

王玉芬

(太原市环境监测中心站，山西 太原 030002)

氮在水体中过多地存在，会成为对人类有危害作用的污染因子。就土壤渗滤法去除硝酸铵水溶液中的氨氮、硝酸盐的效能与机理方面进行了初步探讨。人工土层下部填加活性炭不需要驯化过程，便可有效地降解氨氮、硝酸盐氮。下部填加豆石的土壤渗滤柱须经过驯化，才能有效地降解氨氮，但不能去除硝酸盐氮。下部填加活性炭与下部填加豆石的土壤渗滤柱，经过22 d的驯化过程之后，亚硝酸盐氮均可降至0.1 mg/L以下。

氨氮；硝酸盐氮；亚硝酸盐氮；土壤渗滤

氮是自然界广泛存在的基本元素之一，动、植物以及人类的生长和生存均离不开它。但是，氮在某一空间(如水体中)过多地存在，会成为对动、植物以及人类有危害作用的污染因子。如，可造成水体富营化，表现为藻类的过量繁殖，继而引起水质恶化；其次，氨氮的耗氧特性会使水体的溶解氧降低。此外，当水体的pH值较高时，氨对鱼类等水生生物具有毒性。因此，有效地去除废水中的氮含量已成为现代废水处理技术的一项新课题。

目前，对氮的去除可用化学沉淀法，通过投加生石灰，加热、吹脱去除废水中的氨；离子交换法也可去除废水中的氨、氮等。但一般说来，化学法所需的运行费用较高，无法利用原有的废水处理构筑物。废水生物处理技术采用生物氧化塘法，流程长、构筑物多、基建费用高。人工土层慢速渗滤处理系统利用土壤生态系统对含氮污染物具有净化功能这一原理，通过人为配制土壤的手段改变天然土壤(土内)的环境条件，达到降解氨氮、硝酸盐氮的目的。处理后的出水可用于灌溉农田、回用于卫生设施的冲洗及绿化。笔者就采用土壤渗滤法去除硝酸铵水溶液中的氨氮、硝酸盐氮的效能与机理进行了初步的探讨。

1 试验原理[1]

氮在土壤中进行硝化反应，达到对污水中氨氮降解的目的。硝化反应可分为2步：

第1步，由亚硝化单胞菌属进行的生物氧反应，见反应式(1)。

(1)

第2步，由硝化杆菌属细菌起作用，见反应式(2)。

(2)

土壤中的硝酸盐氮在缺氧的情况下可被异养菌逐步还原成气体氮，此过程即为反硝化过程，见反应式(3)。

(3)

2 试验方法

2.1 试验中采用的分析方法

氨氮(NH3-N)采用纳氏试剂光度法；硝酸盐氮(2NO3--N)采用酚二磺酸光度法；亚硝酸盐氮(NO2--N)采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法。

2.2 活性炭吸附试验

活性炭对硝酸铵水溶液中氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的静置吸附试验。

1) 试验步骤

配制不同浓度的硝酸铵水溶液各100 mL，分别放入锥形瓶中。测定初始氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的浓度。

分别加入1 g活性炭，静置10、20、60 min，测定其中不同静置时间的氨、硝酸盐氮的浓度。测定结果列于表1。

表1 不同静置时间活性炭对氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的吸附效果

2) 结果分析

根据表1对活性炭吸附氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的结果进行分析。

活性炭去除氨氮的试验表明，活性炭不能通过物理吸附去除氨氮。这是由于，氨氮本身是极性分子，在水中以阳离子形式(NH4+)存在，活性炭难以将其吸附。另外，氨氮在水中的溶解亲和与活性炭的吸附力相对抗，因而活性炭不易吸附溶解度较大的物质。

活性炭吸附硝酸盐的能力较差，原因是它们都是非吸附物质，在水中溶解度较大、极性较强。

2.3 土壤渗滤试验

配制相同浓度的硝酸铵水溶液，分别以相同的速度、相同的水量滴入柱长为1 350 mm、直径为95 mm的1号、2号土壤渗滤柱中，测定进水、出水中氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的浓度，得到探索氨氮、硝酸盐氮通过土壤渗滤柱之后的降解情况。

2.3.1 土壤渗滤柱的内部结构及工作原理

1号柱与2号柱的柱长、直径相同，但内部结构不同。1号柱的下部依次装入330 mm活性炭、70 mm豆石、900 mm砂壤土，上部装50 mm豆石；2号柱子中依次装入400 mm豆石、900 mm砂壤土，上部装50 mm豆石。2个柱子砂壤土配比都相同，即，土壤∶砂∶活性污泥的体积比为3.0∶1.5∶1.0。

砂是保证人工土层具有通透能力的基本骨架，土壤是生物活性的接种剂，活性污泥是起动和维持生物活性的接种剂及其能源和物源。上部填装豆石，目的是使布水均匀，避免边界效应。试验流程如图1所示。

图1 1号和2号土壤渗滤柱结构流程图

2.3.2 试验条件

室温：18 ℃～20 ℃。

时间：2016年5月4日至2016年6月8日。

2.3.3 试验结果

用配制相同浓度的硝酸铵水溶液，分别以相同的流量经过1号、2号渗滤柱的出水。测试结果列于表2。

表2 土壤渗滤试验测试结果

2.3.4 效果分析

2.3.4.1 对氨氮的去除效果

由表2可知，进水氨氮质量浓度为11.59 mg/L时，1号土壤渗滤柱第1次出水质量浓度为1.81 mg/L，2号柱为8.76 mg/L。经过13 d后，1号柱氨氮出水质量浓度降至0.54 mg/L，2号柱降至0.66 mg/L。2016年5月22日、6月1日进水氨氮质量浓度分别为21.26 mg/L、22.10 mg/L时，测定5次出水质量浓度，1号柱出水质量浓度平均值为0.54 mg/L，2号柱为0.90 mg/L。2016年6月3日进水质量浓度为30.31 mg/L时，测定4次出水质量浓度，1号柱质量浓度平均值为0.22 mg/L，2号柱为0.69 mg/L。

由此可见，土壤渗滤可有效地去除氨氮。原理是，氨氮在土壤中进行了硝化反应，即，土壤中的氨氮硝化可由附着在土壤微粒表面的硝化菌完成。

1号柱氨氮的降解效果好于2号柱。原因是，1号柱底部装填了一定的活性炭，2号柱底部装填的是豆石。虽然活性炭对氨氮本身无吸附作用，但活性炭颗粒比豆石颗粒具有更大的比表面积和更大的吸附能力，能有效地吸附和富集土壤溶液中的酶及其辅酶，为硝化菌的生长繁殖提供了更好的环境，在活性炭表面可生长生物膜，能更加强化硝化过程的进行。

1号柱与2号柱对氨氮的去除效果曲线见图2。

图2 氨氮去除效果曲线

2.3.4.2 硝酸盐氮的去除效果

进水硝酸盐氮的质量浓度为14.17 mg/L时，1号柱第1次出水质量浓度为7.6 mg/L，而2号柱为81.18 mg/L。后依次递减。13 d后，1号柱硝酸盐氮质量浓度为5.66 mg/L，2号柱为38.37 mg/L。2016年5月22日、6月1日进水硝酸盐氮质量浓度分别为23.93 mg/L、26.58 mg/L时，测定5次出水浓度，1号柱质量浓度平均值6.96 mg/L，2号柱为32.36 mg/L。2016年6月3日进水硝酸盐氮质量浓度为35.98 mg/L，测定4次出水浓度，1号柱质

量浓度平均值为6.78 mg/L，2号柱为47.84 mg/L。

1号柱可有效降解硝酸盐氮，2号柱未降解反而升高，说明1号柱对硝酸盐氮的去除主要是通过活性炭层中的某些脱氮菌进行脱氮过程来完成的，活性炭能有效地吸附脱氮菌。脱氮是指硝酸盐氮和亚硝酸盐氮被还原成难以用来增殖微生物的氮分子的过程。

2号柱中经硝化产生的硝酸盐氮不能通过脱氮反应去除，只得随水流出，导致出水中的硝酸盐氮含量升高。

1号柱与2号柱对硝酸盐氮的去除效果比较曲线见图3。

图3 硝酸盐氮去除效果曲线

2.3.4.3 亚硝酸盐氮的去除效果

进水中亚硝酸盐氮的质量浓度为0.00，第1次出水1号柱亚硝酸盐氮质量浓度为1.72 mg/L，而2号柱为24.93 mg/L。1号柱出水中的亚硝酸盐氮的质量浓度始终在2.00 mg/L左右，2号柱质量浓度最高达38.47 mg/L。经过13 d之后，出水质量浓度降至0.48 mg/L。经过22 d的驯化过程之后，1号柱、2号柱亚硝酸盐氮出水质量浓度依次递减到0.25 mg/L以下。

由于活性炭能有效地吸附硝化杆菌，在活性炭表面生长生物膜，1号柱中的菌属较2号柱中的菌属活跃，降解效果好于2号柱。降解亚硝酸盐氮主要是通过硝化杆菌的硝化作用实现将水中的亚硝酸盐氮进一步氧化成硝酸盐。1号柱与2号柱对亚硝酸盐氮去除效果曲线见图4。

图4 亚硝酸盐氮的去除效果曲线

3 结论

1) 活性炭本身对氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的吸附能力较差。

2) 土壤渗滤柱中生长的起硝化作用的硝化杆菌以及起硝化作用的硝酸盐还原细菌越来越活跃，出水中的氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮浓度依次递减，去除效果加强。

3) 下部填加活性炭的1号土壤渗滤柱与下部填加豆石的2号土壤渗滤柱都可有效去除氨氮。但是，1号柱不经过一定的驯化过程，第1次出水降解效果便很好；而2号柱必须经过一定的驯时间，方可达到有效的去除效果。

4) 活性炭可有效地吸附具有硝化作用的硝化杆菌属和反硝化作用的硝酸盐还原菌。因此，下部填加活性炭和土壤渗滤柱能有效地去除硝酸盐氮，下部填加豆石的土壤渗滤柱不能去除硝酸盐氮。

5) 下部填加活性炭的1号土壤渗滤柱与下部填加豆石的2号土壤渗滤柱，经过22 d的驯化过程之后，亚硝酸盐氮均可降至0.1 mg/L以下。

[1] 翁稣颖，戚蓓静，史家樑，等，环境微生物学[M].北京：科学出版社，1985.