工艺参数对CRI削减雨水径流中氮磷污染物的影响

王沐晴，卞兆勇，张丹丹，闫燕军，王 辉,*

(1. 北京林业大学环境科学与工程学院，北京 100083；2. 北京师范大学水科学研究院，北京 100875)

目前，降雨径流中氮磷等污染物已经成为导致河流湖泊水体水质变差的主要原因之一，而目前国内还缺乏完善的雨水径流净化利用体系。常规的污水处理厂无法承接净化大量的雨水径流，导致部分雨水径流在没有被净化的情况下直接排入天然水体，水体水质污染情况加重。因此，需要对能有效降低雨水径流中污染物浓度的技术措施进行探究，以此提高对雨水径流的处理水平，降低雨水径流对天然水体造成的污染程度。

人工快速渗滤(constructed rapid infiltration，CRI)系统相较于传统污水土地处理技术，不但具有建造费用低、出水水质好和工艺流程简略等优势，还被实际工程多次应用证明其效果[1-4]。CRI系统的运行条件对系统的处理能力有很大的影响，不少学者对其进行了研究和改进[5-7]。目前对CRI系统的研究中，大多应用在生活污水方面，处理初雨径流方面的研究较少[8]。对影响CRI系统运行性能的主要运行参数进行优化，是提高系统对雨水径流污染物去除效率的重要手段[9-11]。

因此，为了提高CRI系统对雨水中氮磷等污染物的处理能力，本文在由土壤、河沙和蛭石构成的介质层基础上对系统的运行参数进行优化研究，通过小试试验和中试试验考察并验证系统在不同运行参数下的净化能力。

1 试验材料和方法

1.1 试验用水

本研究对2019年北京市城区的多次降雨径流进行采样检测，地表径流形成后立即采样并送往实验室检测，由于样品会溶解空气中的污染性气体且地面冲刷初期雨水污染较重，检测结果甚至会超过普通城市污水的污染情况。另外，根据近年来许多学者对北京市的径流污染特征和浓度变化范围的研究表明[12-15]，初期雨水径流中的氮磷等污染物浓度均远超地表Ⅴ类水标准，以实际监测数值和前人研究为依据，综合考虑确定配置人工雨水的浓度。试验采用配水模拟雨水径流中的氮磷污染物浓度，进水由乙酸钠、磷酸二氢钾和氯化铵配置，考虑到雨水的波动性，在中试阶段设置高、低两种浓度的进水，具体配水浓度如表1所示。在实际应用中，CRI系统进水前会设预处理设施，因此，本文不对泥沙、SS等因素进行研究。

表1 试验配水浓度Tab.1 Concentration of Experimental Water Samples

1.2 试验装置

小试试验采用的装置如图1(a)所示，总高为155 cm，内径为15 cm，渗滤介质层厚度为130 cm，沿土层方向由上到下10、40、70、100、130 cm处设置穿孔取水管，取水管贯穿土壤内部，可有效避免出水为沿壁出流产生的误差。在介质层表面和沿土层30、50、70 cm处埋设进水管，以便进行分段进水。中试试验设计长宽为60 cm、高为130 cm的中试装置共2组，底部为20 cm蓄水层，上部为25 cm溢水层，在表面和沿土层30 cm处埋设布水管，在土层底部设置穿孔管进行取样，具体试验装置如图1(b)所示。介质主体为按体积比1∶1混合的土壤和河沙，以及占土和沙总体积15%和8%的蛭石和石灰石，将4种介质完全混合后作为CRI系统的介质层。系统采用的湿干比为1∶15，水力负荷周期为2 d，即每周期进水3 h，落干45 h。

图1 试验装置设计图 (a) 小试试验； (b) 中试试验Fig.1 Design Drawing of Experimental Device (a) Small-Scale Bench Test； (b) Pilot Scale Test

1.3 采样及分析

1.3.1 水样分析方法

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

对不同深度的介质层进行取样时，均在取样口处取出该深度下水平方向的整层土样，混合均匀后进行检测，具体微生物检测流程如图2所示，引物设计如表3所示。

表3 引物设计Tab.3 Primer Design

图2 微生物检测流程Fig.2 Flow of Microbial Detection

2 结果和讨论

2.1 水力负荷的影响

选取1、1.5、2 m/d这3种水力负荷进行研究，进水方式为完全表面进水。由图3可知，在水力负荷为2 m/d时，系统对TP、COD和氨氮这3种污染物的去除效果较好，平均去除率为62.1%、75.9%和77.1%，在不同水力负荷条件下，对3种污染物的去除趋势相近，在系统运行6～7周期时趋于平稳。其中，系统对TP的去除主要依赖于渗滤介质的吸附，不同水力负荷对TP的去除影响并不大。COD和氨氮在系统运行前期依靠介质吸附截留，系统运行4～6周期时，介质逐渐吸附饱和,但生物膜尚未形成，导致该阶段系统对COD和氨氮的去除率大幅度降低。随着系统运行，微生物繁殖生成生物膜，CRI系统内微生物对渗滤介质吸附截留的COD和氨氮进行分解，释放出吸附位点，系统对COD和氨氮的去除率随之开始上升并趋于稳定。土壤对有机物的吸附包括无机胶体的吸附和有机胶体的吸附[16]，无机胶体的吸附即为土壤黏土矿物的吸附作用，黏土矿物对有机污染物的吸附主要通过表面吸附和离子交换吸附两种过程。黏土矿物具有较大的比表面积和较高的表面自由能，具有强烈的表面吸附能力，黏土矿物的离子交换吸附与黏土微粒带电有关，当土壤中的酸性较强以及铁铝氧化物的含量较高时，其表面的电荷密度相对较高，对溶解性有机质的吸附能力将会增强[17]。

图3 不同水力负荷下去除率随时间变化 (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系统通过渗滤介质吸附和生物降解作用去除有机物，吸附作用与微生物降解相辅相成，密不可分[18]。较高的水力负荷意味着进入系统中的有机物总量相对较高，有利于微生物群落生长繁殖，因此，系统在2 m/d的水力负荷条件下挂膜速度快，在4～6周期时的去除率下降幅度也相对较小，总体对COD和氨氮的去除效率也较高。

2.2 介质层厚度的影响

图4 去除率沿程变化 (a) TP; (b) CODCrFig.4 Change for Removal Rates along Process (a) TP; (b) CODCr

图5 (a)氨氮去除率、(b)TN和出 水浓度沿程变化Fig.5 Change for (a)Ammonia Nitrogen Removal Rate, (b)TN and (c)Nitrate Effluent Concentrations along Process

综合考虑系统对碳、氮、磷污染物的去除效率，CRI系统最适合的介质层厚度为70～100 cm。

2.3 进水方式的影响

为进一步提高CRI系统对污染物的去除能力，对进水方式进行了研究，采用由介质层表面和介质内部同时进水的分段进水方式，分别选取距介质层表面30、50、70 cm的3段距离作为分段进水的位置。表面进水和介质层下进水量为2∶1，水力负荷为2 m/d，对10～100 cm的介质层进行取样检测。由图6(a)可知，3个进水位置对于TP的去除效果影响为30 cm>50 cm>70 cm，其平均去除率分别为90.1%、77.1%和73.8%。这是由于另外两个系统分段进水的位置相对较低，能够有效对TP进行吸附沉淀的介质层厚度降低，难以对进水中的磷进行更好的吸附截留，导致出水中浓度升高。由图6(b)可知，3个进水位置对COD去除效果为30 cm>50 cm>70 cm，其平均去除率分别为87.7%、75.4%和55.1%。一方面，随着分段进水位置的降低，可吸附的土层厚度降低，系统对有机污染物无法充分吸附；另一方面，由于系统底部处于缺氧环境，发生的厌氧呼吸效率不高，无法快速分解截留有机物释放出吸附位点。

图6 不同分段进水位置下沿程去除率变化 (a) TP; (b) CODCrFig.6 Change of Removal Rates along Process under Different Water Inlet Positions (a) TP; (b) CODCr

图7 不同分段进水位置下(a)氨氮和(b) TN去除率以及 出水浓度沿程变化Fig.7 Changes for (a) Ammonia Nitrogen and (b)TN Removal Rate, (c)Nitrate Effluent Concentrations at Different Inlet Positions in Different Sections

综合考虑系统对污染物的去除能力，CRI系统最适合的进水方式为沿介质层表面和距介质层表面30 cm处分段进水。

2.4 CRI系统中试运行

图8 系统在不同进水浓度和相同条件下连续运行时污染物随时间变化 (a)不同进水浓度；(b)连续运行Fig.8 Pollutant Change with Time during Continuous Operation under Different Influent Concentration and the Same Conditions (a)Different Influent Concentration;(b) Continuous Operation

由图8(b)可知，系统连续运行31个周期(62 d)后一直保持着较好的污染物处理效果，运行过程中，系统对TP、氨氮、COD和TN的平均去除率分别为59.3%、85.1%、69.3%、75.7%。在运行条件保持不变的情况下，系统可以在连续运行的状态下保持对污染物去除的稳定性。

通过中试运行，验证了CRI系统在长期运行的情况下可以保持一定的稳定性，且在进水水质波动的情况下依旧可以保证较好的处理效果。

2.5 CRI系统中的微生物组成分析

对CRI系统沿介质层方向10、40、70、100、130 cm处的土壤取样，进行微生物群落和多样性检测，根据土层深度依次命名为1、2、3、4、5号样品。由图9可知，CRI系统土壤中微生物群落的丰度受渗滤介质层深度变化的影响显著，各层微生物中均以变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)为优势菌群，其相对丰度分别为34.0%～41.1%、17.9%～33.0%。

图9 群落丰度在门级的百分比Fig.9 Percentage of Community Abundance at Gate Level

变形菌门是参与有机物降解、脱氮除磷和去除芳香族化合物的最主要菌种，在CRI系统中，对氮、磷和有机质净化处理方面扮演着重要的角色[21-22]。酸杆菌门(Acidobacteria)广泛存在于土壤中，根据Zeglin等[23]的研究，酸杆菌门在干旱土壤中相对丰度较高，这与本文检测结果相符。5号样品中绿弯菌门(Chloroflexi)在系统末端的丰度明显低于1～4号样品，酸杆菌门丰度降低，含量仅为3.8%，说明系统底部水位变化并不频繁，长期处于湿润的状态[24]。另外，5号样品中厚壁菌门(Firmicutes)的含量大幅度提升至15.2%，很多研究表明厚壁菌门多出现在污染的环境中[25]，因此，厚壁菌门的增加从侧面验证了该系统底部污染物累积严重。

节杆菌属(Arthrobacter)是土壤中最为常见的细菌之一，其与氮单胞菌属(Azohydromonas)均属于好氧细菌，由图10可知，这两种细菌在5号样品中含量降低，另外，该样品中胚芽孢杆菌属(Phaselicystis)含量的升高也证明了系统底部处于湿润厌氧的状态。该段不动杆菌属(Acinetobacter)占比升高至10.3%，不动杆菌属作为除磷过程的优势菌种，在末端的厌氧环境中向外界释放磷，导致系统末端磷浓度上升。且由于系统末端的厌氧环境，使包括氮单胞菌属在内的大量好氧细菌无法生长，导致了该段污染物累积严重，这与该段出水中有机物、氮磷等污染物浓度增加一致。

图10 群落丰度在属级的百分比Fig.10 Percentage of Community Abundance at Genus Level

3 结论

(1)通过对工艺参数优化的试验研究得出，当水力负荷为2 m/d、介质层厚度为70～100 cm时，在介质层表面和距表面30 cm处以2∶1同时进行分段进水，CRI系统对雨水径流中的氮磷等污染物总体的处理效果最好。最佳运行条件下，系统对COD、TP、氨氮和TN的去除率分别为87.7%、90.1%、89.5%和40.5%。

(2)中试运行验证了CRI系统连续运行31个周期时保持较好的稳定性，其对COD、氨氮、TP和TN的去除率分别为69.3%、85.1%、59.3%和75.7%，在进水水质波动的情况下可以保证较好的处理效果。

(3)对不同土层深度的微生物检测结果表明，变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)为CRI系统内优势菌群。系统底部酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)丰度的降低以及厚壁菌门(Firmicutes)丰度的增加说明系统底部长期处于湿润厌氧状态，导致该段对氮磷等污染物去除效果较差。