改良土地快滤系统强化除氮研究

2021-11-14孙宁静

保山学院学报 2021年5期

张南孙宁静

（保山学院资源环境学院，云南保山 678000）

随着国民经济的迅猛发展、乡村的振兴，如何科学地认识并有效控制面源污染已成为一个紧迫的研究课题[1-2]。面源污染多发生在土地资源相对丰富、廉价的村镇和城郊地区[3]。这样，占地面积稍大但处理效果好、投资运行费用低的污水土地处理系统便成为治理污水面源污染的理想之选。然而，典型土地快滤系统虽对好氧有机污染物有较好的去除效果，但对能引起水体富营养化的污水中氮的去除效果却并不理想[4]。

氮的去除通常需要硝化（好氧）和反硝化（厌氧）过程共同作用完成。在土地快速渗滤床中间加铺卵石层，改善土地介质通气状况，在污水纵向渗滤过程中生成好氧—厌氧交替环境，可以提高其总氮的去除率。这样做，还可以避免分别单独设置硝化和反硝化设施，有助于进一步优化土地快滤系统，促进其更广泛的应用。

1 材料和方法

1.1 实验设计

在典型土地快滤系统的基础上，通过改变滤料层的结构，即在滤床中间加铺一层或两层卵石通气层，使污水纵向渗滤经历好养-厌氧交替过程，从而加强土地快滤系统对氮的去除。设一个对照模拟箱，配水时间8 h、配水周期48 h，湿干比1∶5。运行期间定期测定进出水水质状况，以确定优选的滤床结构。

1.2 实验装置

土壤介质为农田耕层土过12目筛后，与粗砂（细度模数3.7-3.1，平均粒径0.5 mm以上）按视体积比9∶1混合后使用。卵石通气层，所用卵石粒径分三个级配：小0.5～1.5 cm，中3～4 cm，大6～8 cm；铺设时，从下到上由大到小，按视体积比2∶5∶13，每层铺至总厚度为20 cm。

土地快滤箱由5 mm厚，灰色工程塑料板制成，长5 m，宽0.15 m，高1.3 m。外部以三角铁焊接成的框架固定；内部滤床层总厚度为120 cm。实验箱共三个，其中土层和卵石通气层的分布如图1所示：

图1 土地快滤模拟箱内部结构示意图（单位：cm）

滤床最底部为20 cm厚汇水卵石层，中部为通气卵石层，未铺卵石层的土地快滤箱为对照，即典型土地快滤结构。

1.3 土地快滤箱配水与驯化

土地快滤箱配水由液位自动控制器控制水泵自动完成。以鸡粪配制污水，进水COD浓度约为240～300 mg/L。

滤床滤料填好后，先以清水灌注数次，使填料充分浸透，以稳定滤层渗透系数、含水率等特性。之后，逐步增加进水COD浓度，使滤床中的微生物体系在污染物负荷逐步增加的过程中驯化适应。本研究的具体做法为：经4 d的清水灌注后，按湿干比1∶5的设计运行周期运行。第一日配水，COD浓度设为150 mg/L左右；第二日配水，COD浓度设为200 mg/L左右；第三日配水，COD浓度与第二日相同；第四日配水时，将COD浓度升为260 mg/L左右。至此，结束驯化期。正常实验过程中，进水COD浓度控制在240 mg/L左右（土地滤床最佳进水COD浓度为200～300 mg/L[5]），湿干比1∶5持续运行，并进行各项水质指标测定。

1.4 采样和测定项目

采样频率：8 h配水期间，每隔两小时对进出水采样一次，共4次。初始0时刻不采样，待两小时后滤床进出水和运行状况已稳定时，进行第一次采样。

COD测定采用重铬酸钾法；铵氮测定采用水杨酸-次氯酸盐光度法；硝态氮测定采用紫外分光光度法；总氮测定采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；总磷测定采用钼锑抗分光光度法；溶解氧测定采用碘量法[6]。

2 结果与分析

2.1 改良的土地快滤系统的除氮效果

由图2可见，加铺卵石通气层后，土地污水处理系统的除氮能力得到了提高。加铺卵石通气层的两个土地快滤箱的总氮去除率，都明显高于未铺卵石通气层的对照箱：单层的总氮去除率为对照的1.76倍；双层的为对照的2.4倍。卵石通气层数量的不同，对总氮的去除率有明显影响，加铺了双层卵石通气层的土地快滤箱的总氮去除率为单层的1.37倍。

图2 土地快滤模拟箱总氮去除效果

分析其原因，通过加设卵石通气层，改善了滤床的通气状况，使滤床中出现了好氧-厌氧交替环境，促进了硝化与反硝化的交替进行。氮在硝化和反硝化作用下，得以更好地去除。而对照滤床中不具备这样的好厌氧交替环境，故不能使污水中的氮充分反硝化，总氮去除能力弱。铺有双层卵石通气层的土地快滤箱能为流过滤层的污水提供更多一次的好厌氧交替过程，使反硝化作用更为充分，故铺有双层卵石通气层的土地快滤箱有更高的总氮去除率。接下来，重点对铺有卵石通气层的两个土地快滤箱的氮去除情况进行研究和讨论。

2.2 改良土地快滤系统中氮的变化

通过对两个结构不同的土地快滤箱的进出水水质进行定期测定，得到表1中结果。

表1 土地快滤箱进出水中各形态氮含量及去除率

2.2.1 铵态氮

分析表1中进出水铵态氮含量可以看到，两种结构的土地快滤箱对铵态氮均有很好的去除效果，接近100%。卵石通气层为土地滤床中提供了充足的空气，使铵态氮得以充分的氧化转化为其它形态氮。卵石通气层层数的不同，并未对铵氮的去除产生明显的影响。究其原因，一是两种滤层结构的渗透系数相差不大（铺单层卵石的为0.462 cm/min，双层的为0.468 cm/min），它们对污染物的截留吸附效果基本相当；二是污水流过两滤床时皆可获得充足的氧，硝化作用效果相当。此外，比较测得的典型土地快滤箱的渗透系数0.334 cm/min，两种经过改良的土地快滤结构，在保持了高铵氮去除率的同时，大幅度提升了水力负荷、污染负荷。

2.2.2 硝态氮

所用污水由鸡粪配制，其中的氮以铵态氮和有机态氮等还原态氮为主，故进水中的硝态氮含量并不高。从测定结果可以看到，出水中的硝态氮急剧升高，这部分硝态氮主要由微生物的硝化作用产生，其含量大约是进水铵氮的40～60%。由于出水中基本已无铵态氮存在，则有大约一半的铵态氮已经通过硝化-反硝化作用而彻底去除。这也佐证了，土壤滤层中加铺卵石通气层，使滤床中出现了好厌氧的交替过程，促进了硝化-反硝化过程的发生。

2.2.3 总氮

进出水中总氮含量的变化是最能反映滤床除氮效果的指标。加铺卵石通气层的土地快滤箱对总氮的去除率，单层的在28%～45%之间、双层的达44%～64%，明显高于典型土地快滤床的总氮去除率23.5%。由此可见，在土地滤床中加铺卵石层，可使土地滤床的总氮去除能力得以提高，但出水中的总氮浓度仍较高。而实际村镇城郊污水通常不会有如此高的总氮浓度，碳氮比也将高于实验用污水，从而将更有利于反硝化作用的进行。将此种改良的土地快滤结构应用于实际，其除氮效果有望更好。

2.3 改良土地快滤箱进出水的COD和总磷去除效果

表2 中数据显示，铺有单层卵石通气层的土地快滤箱的COD去除率，略高于铺有双层卵石通气层的土地快滤箱。究其原因，土地快滤中滤层截留是污水COD去除的重要途径，它可去除50%的COD[7]。铺有单层卵石通气层的土地快滤箱中由于少了一层卵石，比表面积大的土壤含量略高于铺有双层卵石通气层的土地快滤箱，能截流吸附进水中更多的COD，故其COD去除率略高。两种通气方式土地快滤箱的COD去除率均接近或超过80%，与典型土地快滤系统的去除率相当[4]。实验中所用两个土地快滤箱的水力利负荷高于典型土地快滤系统，因此在相同运行时间下，通气土地滤床会有更高的有机污染物处理总量。这意味着，在同样的污水处理量下，改良土地快滤污水处理系统的占地面积可相应减小，能一定程度上改善土地快滤污水处理系统占地面积较大的缺点。