不同補(bǔ)水方式下砂壤土滲濾系統(tǒng)對(duì)硝態(tài)氮去除效果

潘維艷，黃權(quán)中※，張子元，普薇如，黃冠華

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不同補(bǔ)水方式下砂壤土滲濾系統(tǒng)對(duì)硝態(tài)氮去除效果

潘維艷1,2，黃權(quán)中1,2※，張子元2，普薇如2，黃冠華1,2

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)農(nóng)業(yè)水問題研究中心，北京 100083；2. 中國(guó)-以色列國(guó)際農(nóng)業(yè)研究培訓(xùn)中心，北京100083）

在水資源短缺的北京地區(qū)利用再生水回補(bǔ)城市河湖，一方面對(duì)于水資源的可持續(xù)利用有著十分重要的作用，另一方面也可能帶來地下水環(huán)境的潛在污染風(fēng)險(xiǎn)。該文采用100 cm砂壤土柱模擬（河湖岸底）土地滲濾系統(tǒng)，設(shè)置定水頭淹水、交替淹水落干、定流速補(bǔ)水和側(cè)向補(bǔ)水4種不同再生水回補(bǔ)方式，研究再生水中硝態(tài)氮（NO3-N）在土地滲濾系統(tǒng)中的去除效果和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)水力負(fù)荷在0.25～2.65 cm/d范圍內(nèi)時(shí)，滲濾系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除率隨著水力負(fù)荷的增大而減?。粋?cè)向補(bǔ)水方式下滲濾系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除效果最優(yōu)，平均去除率高達(dá)96.1%。在定水頭淹水和側(cè)向補(bǔ)水方式下，系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除主要發(fā)生在土柱的上部，而交替淹水落干和定流速補(bǔ)水條件下，土柱中下部對(duì)NO3-N也有一定的去除作用。滲濾系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除主要取決于系統(tǒng)內(nèi)部微生物的分布情況，土層中的反硝化細(xì)菌數(shù)量越大，該土層對(duì)NO3-N的去除率就越高。當(dāng)水溫在15～32 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)，定水頭淹水和交替淹水落干補(bǔ)水方式下，系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除率與溫度分別呈指數(shù)和冪函數(shù)關(guān)系。該研究表明土地滲濾系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)再生水的進(jìn)一步凈化處理，可為再生水安全回補(bǔ)河湖提供參考。

溫度；反硝化；水力；再生水；砂壤土；滲濾系統(tǒng)； NO3-N；反硝化細(xì)菌

0 引 言

由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng)，水資源供需矛盾日益突出，再生水回用已成為中國(guó)北方諸多大中城市解決水資源短缺的手段之一。補(bǔ)充干涸河湖，保證河道生態(tài)環(huán)境，改善河湖景觀已成為城市再生水回用的重要方面[1-2]。與淡水資源相比，再生水中氮、磷、鹽和有機(jī)物等濃度較高，因此再生水回用對(duì)地表與地下水環(huán)境仍存在潛在污染風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。再生水回補(bǔ)河湖后，河湖岸底的土層可作為一個(gè)有效的土地滲濾系統(tǒng)，對(duì)再生水起到進(jìn)一步凈化的作用[5]。再生水中的污染物在土地滲濾系統(tǒng)中可發(fā)生多種物理、化學(xué)和生物反應(yīng)，從而得到部分去除。土地滲濾系統(tǒng)的處理效率受諸多因素影響，包括氧化還原條件、水力條件、溫度、水質(zhì)等[6-8]。其中，非飽和帶中的氧氣對(duì)改善好氧生物降解過程至關(guān)重要[9]，如Bertelkamp等[10]研究發(fā)現(xiàn)氧化還原條件對(duì)有機(jī)物的降解過程和去除效果具有顯著影響。而飽和帶由于長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)，溶解氧濃度低，反硝化作用增強(qiáng)，因而硝態(tài)氮的去除效率較高[11-12]。水力負(fù)荷是指通過單位面積土壤基質(zhì)污水的流量，是影響滲濾系統(tǒng)出水效果的重要因素之一。一般情況下，水力負(fù)荷越小，水分停留時(shí)間越長(zhǎng)，污染物的去除效果越好[13-14]。滲濾系統(tǒng)中氮素的去除主要有物理吸附、生物轉(zhuǎn)化和化學(xué)反應(yīng)等，而反硝化作用主要是由反硝化菌將氮最終轉(zhuǎn)化為N2和N2O而散失，因此滲濾系統(tǒng)內(nèi)部微生物的數(shù)量和活性是影響氮素去除的關(guān)鍵[15-16]。滲濾系統(tǒng)表層或飽和非飽和界面處有機(jī)物和溶解氧豐富，是微生物菌群集中的區(qū)域[17]，而滲濾系統(tǒng)內(nèi)部微生物群落的分布則會(huì)隨著系統(tǒng)進(jìn)水所攜帶的溶解氧、NO3-、有機(jī)質(zhì)等電子受體和供體濃度的改變而變化[18]。此外，土壤質(zhì)地也是影響滲濾系統(tǒng)凈化效率的因素之一，粘性土不易透水而砂土滲透性雖強(qiáng)但對(duì)污染物去除效果差，因此滲濾系統(tǒng)多選用砂壤土、壤砂土、細(xì)砂等作為滲濾介質(zhì)[8]。

盡管國(guó)內(nèi)外在土地滲濾系統(tǒng)對(duì)再生水中污染物的去除效果和機(jī)制方面已開展大量研究，但對(duì)于不同補(bǔ)水方式下滲濾系統(tǒng)對(duì)污染物去除的研究還不多見，對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的滲濾系統(tǒng)中污染物去除效果的研究也較少。因此，本文采用室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，探討不同的補(bǔ)水方式下（河湖岸底）土地滲濾系統(tǒng)對(duì)硝態(tài)氮的去除效果及其影響因素。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與材料

試驗(yàn)裝置如圖1所示，包括供水系統(tǒng)和滲濾系統(tǒng)2部分，供水系統(tǒng)由儲(chǔ)水桶、蠕動(dòng)泵和馬氏瓶組成，滲濾系統(tǒng)由土柱、取樣孔和集水瓶組成。土柱采用直徑20 cm，高120 cm的有機(jī)玻璃柱。沿土柱高設(shè)置分層取樣孔（分別在距土體表面以下20、40、50、60、70、90、100 cm處），并連接集水瓶采集水樣。試驗(yàn)土柱采用自上而下的供水方式。首先利用蠕動(dòng)泵將儲(chǔ)水桶中的再生水補(bǔ)充到馬氏瓶中，然后通過馬氏瓶設(shè)置不同的補(bǔ)水方式對(duì)土柱進(jìn)行供水。試驗(yàn)設(shè)置4組處理，分別記為C1、C2、C3和C4，各處理的補(bǔ)水方式見表1。試驗(yàn)期間，室溫變化范圍為15～32 ℃。為避免光降解作用，抑制藍(lán)藻生長(zhǎng)，供水系統(tǒng)和滲濾系統(tǒng)進(jìn)行遮光處理。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

表1 補(bǔ)水方式設(shè)置

1.2 供試水樣及土樣

試驗(yàn)所選用的再生水取自北京市清河再生水處理廠，水質(zhì)分析指標(biāo)包括NO3-N、NH4-N、TN、溶解氧、BOD5和COD，平均質(zhì)量濃度分別為15.3、0.4、17.9、7.2、4.7和25.9 mg/L，再生水pH值為7.9。其中NO3-N質(zhì)量含量占總氮（TN）質(zhì)量分?jǐn)?shù)的79%～91%，NH4-N質(zhì)量含量只占TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1.5%～2.5%。TN中其他組分主要為NO2-N和有機(jī)氮，占TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5%～18%。由于NO3-N在再生水中質(zhì)量含量較高，且是地下水潛在污染風(fēng)險(xiǎn)的主要目標(biāo)污染物質(zhì)，因此本文后面的研究中主要討論滲濾系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除效果。

試驗(yàn)土壤取自野外試驗(yàn)田，將從野外取回的土壤樣品進(jìn)行風(fēng)干，粉碎，過2 mm篩備用。土壤為砂壤土，干容重為1.55 g/cm3，土樣中總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.77、0.64、0.02和6.17 g/kg。

1.3 土柱填裝

將過2 mm篩的風(fēng)干土壤樣品進(jìn)行潤(rùn)濕，使水分重新分布，以獲得均勻的初始含水率。然后將土壤按干容重1.55 g/cm3分層填裝土柱，每2 cm填裝一層，層間打毛，并夯實(shí)，填裝深度為100 cm。在土柱上部留出淹水水頭空間，在土柱底部裝以2 cm厚的礫石層，以便于排水。在填裝過程中特別注意要將土柱壁邊緣的土壤壓實(shí)，盡量避免邊緣效應(yīng)的產(chǎn)生。

1.4 試驗(yàn)過程

土柱填裝完后，首先進(jìn)行土柱的排氣和清洗工作，具體操作為：將馬氏瓶裝滿蒸餾水，與土柱底部相連，自下而上供水，并緩慢抬高馬氏瓶，直至土柱上部有水溢出，排氣完成。然后將馬氏瓶與土柱頂部相連，改為自上而下供水，對(duì)土柱進(jìn)行清洗，土柱底層出水中NO3-N和NH4-N濃度3周后達(dá)到檢測(cè)下限，此時(shí)完成清洗。

隨后將馬氏瓶?jī)?nèi)蒸餾水換為再生水，各土柱按表1的補(bǔ)水方式正式開始試驗(yàn)。試驗(yàn)起止時(shí)間為2011-09-02— 2014-07-25，每1～2周采集1次水樣。試驗(yàn)過程中，對(duì)水溫和各土柱的滲透速率進(jìn)行了測(cè)定。其中，4組土柱的水力負(fù)荷分別為2.65（C1）、0.74（C2）、0.41（C3）和0.25 cm/d（C4）。水樣中NO3-N采用酚二磺酸分光光度法（GB7480- 1987）[19]測(cè)定。試驗(yàn)?zāi)┢诓杉林煌疃忍幍耐翗樱捎米畲罂赡軘?shù)法[20]測(cè)定土壤中的反硝化細(xì)菌數(shù)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS18.0軟件進(jìn)行差異性分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 底層出水NO3-N質(zhì)量濃度與NO3-N去除率

4種不同補(bǔ)水方式下，滲濾系統(tǒng)底層出水中NO3-N質(zhì)量濃度以及系統(tǒng)對(duì)NO3-N去除率隨時(shí)間的變化如圖2所示。由圖2a知，試驗(yàn)期間，進(jìn)水中的NO3-N質(zhì)量濃度變化范圍為13.0～16.8 mg/L。在相同的進(jìn)水水質(zhì)，不同的補(bǔ)水方式下，各滲濾系統(tǒng)底層出水中的NO3-N質(zhì)量濃度隨時(shí)間呈不同的變化趨勢(shì)。定水頭淹水（C1）方式下，底層出水中的NO3-N質(zhì)量濃度和去除率均呈明顯的周期性波動(dòng)（圖2a和圖2b），試驗(yàn)期間底層出水中NO3-N質(zhì)量濃度的變化范圍為0.5～15.0 mg/L，滲濾系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除率為5%～99%。NO3-N質(zhì)量濃度變化具有明顯的年內(nèi)變化特征，最低值出現(xiàn)在試驗(yàn)的第316~375 和 677~751 天（即2012、2013年的6月到9月），該時(shí)段內(nèi)NO3-N去除率均在60%以上。在交替淹水落干（C2）方式下，底層出水中的NO3-N質(zhì)量濃度變化范圍為0.14～9.1 mg/L，系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除率為41%～99%。C2底層出水中NO3-N濃度的變化規(guī)律與C1相似，但其濃度值要顯著低于C1底層出水（<0.05）。在定流速補(bǔ)水（C3）和側(cè)向補(bǔ)水（C4）方式下，底層出水中的NO3-N質(zhì)量濃度一直保持較低水平，變化范圍分別為0～3.6和0～2.7 mg/L，且隨時(shí)間沒有明顯波動(dòng)；系統(tǒng)對(duì)NO3-N的平均去除率分別為94.1%和96.1%。可見，不同補(bǔ)水方式下各系統(tǒng)底層出水NO3-N質(zhì)量濃度差異明顯。其中，C2、C3和C4系統(tǒng)底層出水NO3-N質(zhì)量濃度值均小于10 mg/L，滿足中國(guó)飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

不同補(bǔ)水條件下，各滲濾系統(tǒng)的水力負(fù)荷不同。根據(jù)不同水力負(fù)荷下各系統(tǒng)中NO3-N的平均去除率情況可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水力負(fù)荷從2.65下降到0.25 cm/d時(shí)，系統(tǒng)對(duì)NO3-N的平均去除率從53.4%增加到96.1%。而且當(dāng)水力負(fù)荷小于0.8 cm/d時(shí)，滲濾系統(tǒng)對(duì)NO3-N的平均去除率均高達(dá)75%以上。

2.2 不同溫度下NO3-N的去除效果

在定流速補(bǔ)水和側(cè)向補(bǔ)水條件下，系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除率均在90%～99%之間，水溫與NO3-N去除率之間無明顯相關(guān)關(guān)系（=0.1，=0.23），表明2組滲濾系統(tǒng)中NO3-N的去除受溫度影響不明顯。

為探討溫度對(duì)定水頭淹水和交替淹水落干系統(tǒng)中NO3-N去除效果的影響，把試驗(yàn)期間的水溫劃分為6個(gè)溫度區(qū)間，即16～18、19～21、22～24、25～27，28～30和31～32 ℃。分別對(duì)2組滲濾系統(tǒng)各溫度區(qū)間的NO3-N去除率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到系統(tǒng)對(duì)NO3-N去除率統(tǒng)計(jì)值與相應(yīng)溫度值（17、20、23、26、29和31 ℃）之間的相關(guān)關(guān)系（圖3）。本研究結(jié)果表明，在定水頭淹水和交替淹水落干補(bǔ)水方式下，NO3-N去除率受溫度的影響達(dá)到極顯著水平（<0.01）。由圖3可知，在定水頭淹水條件下，NO3-N的去除率由17 ℃時(shí)的20%增加到31 ℃時(shí)的94%，去除率與溫度呈指數(shù)正相關(guān)。交替淹水落干條件下，NO3-N去除率由17 ℃時(shí)的51%增加到31 ℃時(shí)的98%，NO3-N去除率與溫度呈冪函數(shù)關(guān)系。在交替淹水落干系統(tǒng)中，當(dāng)水溫在17～26 ℃范圍內(nèi)時(shí)，溫度變化對(duì)NO3-N去除率影響明顯，當(dāng)水溫大于26 ℃時(shí)，溫度變化對(duì)NO3-N去除率影響則較小。

圖2 各土柱進(jìn)水和底層出水NO3-N質(zhì)量濃度以及NO3-N去除率隨時(shí)間的變化（2011-09-02—2014-07-25）

（2011-09-02—2014-07-25）

2.3 不同深度處NO3-N質(zhì)量濃度與去除率

圖4和圖5分別為2011—2014年各土柱不同深度處的NO3-N質(zhì)量濃度和相應(yīng)土層對(duì)NO3-N的去除率。其中，不同補(bǔ)水方式下，不同年份（2011—2014）間的NO3-N濃度都有隨土柱深度增加而降低的趨勢(shì)（圖4）。但不同處理年際間的變化規(guī)律又有所不同。在C1土柱中，經(jīng)過0～20 cm土層的滲濾作用后，NO3-N質(zhì)量濃度下降迅速，從進(jìn)水中的15.3 mg/L下降到20 cm處的10.6 mg/L（圖4a），該土層對(duì)NO3-N的去除率（30.7%）占整個(gè)土柱（0～100 cm）對(duì)NO3-N去除率（54.4%）的55.6%（圖5a）；在20 cm以下土層，NO3-N質(zhì)量濃度隨土層深度增加而下降緩慢。這表明定水頭淹水條件下，NO3-N的去除主要發(fā)生在0～20 cm范圍內(nèi)。在C2土柱中，隨著土柱深度增大，NO3-N質(zhì)量濃度逐漸下降，土柱對(duì)NO3-N的去除率隨土層深度增加而逐漸增大（圖5b），0~20cm土層對(duì)NO3-N的去除率達(dá)23.2%，整個(gè)土柱對(duì)NO3-N的去除率為76.2%（圖5b）。在C3土柱中，NO3-N質(zhì)量濃度隨土層深度增加而逐漸減?。▓D4c），系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除率從20 cm處的20.8%增大到100 cm處94.1%（圖5c）。在C4土柱中，NO3-N質(zhì)量濃度在40～60 cm范圍內(nèi)沿土層深度增加而明顯減小，其中40～60 cm土層對(duì)NO3-N的去除率（71.9%）占整個(gè)土柱（40～100 cm）對(duì)NO3-N去除率（96.1%）的74.8%，土柱進(jìn)水端的前20 cm（40～60 cm）范圍是NO3-N去除的主要部位。分析表明，在不同補(bǔ)水方式下，滲濾系統(tǒng)中NO3-N質(zhì)量濃度沿土層深度呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，而且各系統(tǒng)對(duì)NO3-N去除的主要發(fā)生部位也不同。一般情況下，表層土壤的微生物活性較高，是NO3-N去除的主要作用部位，但是本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在交替淹水落干和定流速補(bǔ)水方式下，隨著土層深度增大，系統(tǒng)對(duì)NO3-N仍保持較好的去除能力。

圖4 2011—2014年各土柱不同深度處的NO3-N質(zhì)量濃度

圖5 2011—2014年各土柱不同深度處NO3-N去除率

表2是各土柱不同深度處的反硝化細(xì)菌數(shù)量情況。由表2可知，C1和C2土柱表層中的反硝化細(xì)菌數(shù)量比C3土柱表層反硝化細(xì)菌數(shù)量高1個(gè)數(shù)量級(jí)，比C4進(jìn)水端的反硝化細(xì)菌數(shù)量高2個(gè)數(shù)量級(jí)，這是由于C3和C4土柱中相對(duì)較低的水力負(fù)荷導(dǎo)致反硝化細(xì)菌生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足，從而不利于反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖[21-23]。對(duì)同一土柱而言，其內(nèi)部的反硝化細(xì)菌數(shù)量越大，相應(yīng)土層對(duì)NO3-N的去除率就越高；而不同的土柱之間，反硝化細(xì)菌數(shù)量不同，系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除效果各異。

表2 各土柱中的反硝化細(xì)菌數(shù)量

注：nd表示未檢測(cè)。反硝化細(xì)菌數(shù)量以每克干土所含反硝化細(xì)菌個(gè)數(shù)計(jì)。

Note: nd indicates no observation. The number of denitrifying bacteria is determined by the number of denitrifying bacteria of per gram dry soil.

3 討 論

3.1 不同水力條件對(duì)NO3-N去除的影響

研究表明，在4種不同補(bǔ)水條件下，滲濾系統(tǒng)對(duì)再生水中的NO3-N均具有一定的去除作用。而且在長(zhǎng)期運(yùn)行條件下，滲濾系統(tǒng)對(duì)NO3-N的凈化性能穩(wěn)定，能長(zhǎng)期保持較好的去除效果。在滲濾系統(tǒng)中，再生水中NO3-N的去除主要是通過反硝化作用實(shí)現(xiàn)的，而水力負(fù)荷是影響反硝化作用的重要參數(shù)[8,24]，水力負(fù)荷越小，再生水中的NO3-N在滲濾系統(tǒng)中的水力停留時(shí)間越長(zhǎng)，反硝化作用進(jìn)行的越充分[8]，滲濾系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除效果就越好。本研究表明，低水力負(fù)荷條件下的定流速補(bǔ)水和側(cè)向補(bǔ)水系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除效果明顯好于定水頭淹水和淹水落干交替補(bǔ)水系統(tǒng)，這與Lin等[25]利用濕地滲濾系統(tǒng)研究NO3-N去除的試驗(yàn)結(jié)果類似。

3.2 不同溫度對(duì)NO3-N去除的影響

溫度是影響微生物活性的重要因子，是影響反硝化作用的重要因素之一。反硝化作用的最適溫度一般在20～40 ℃之間，溫度升高可以提高滲濾系統(tǒng)內(nèi)部微生物的活性，促進(jìn)反硝化作用，進(jìn)而增強(qiáng)滲濾系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度變化范圍為17～30 ℃時(shí)，定水頭淹水和交替淹水落干補(bǔ)水系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除率隨溫度的升高呈增大趨勢(shì)。其中，定水頭淹水系統(tǒng)中，溫度為17 ℃時(shí)系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除率是31 ℃時(shí)NO3-N去除率的21%；交替淹水落干系統(tǒng)中，溫度為17 ℃時(shí)系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除率是31 ℃時(shí)NO3-N去除率的52%。Shen等[26]研究也發(fā)現(xiàn)，溫度為15 ℃時(shí)生物反應(yīng)器對(duì)NO3-N的去除率僅是25 ℃時(shí)的50%左右。而與前2組系統(tǒng)相比，C3和C4系統(tǒng)的水力負(fù)荷降低，使得NO3-N在系統(tǒng)中的停留時(shí)間增大，反硝化作用進(jìn)行的更加徹底、充分，兩系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除率長(zhǎng)期維持在90%以上，此時(shí)溫度不是NO3-N反硝化的主要影響因素，對(duì)其去除率的影響不明顯。

3.3 微生物分布對(duì)NO3-N去除的影響

從表2中可以看出，在C1、C2和C3土柱中，反硝化細(xì)菌主要分布在土柱表層，在C4土柱中，反硝化細(xì)菌主要分布在進(jìn)水端，這是因?yàn)殡S著再生水的持續(xù)輸入，再生水中攜帶的有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)物和氧氣等首先聚集在土柱表層，為表層微生物活動(dòng)提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)，進(jìn)而促進(jìn)系統(tǒng)表層微生物的生長(zhǎng)和繁殖[27]。隨著土層深度增大，由于大部分的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等被土柱上部的微生物利用，導(dǎo)致下部土層中微生物可用營(yíng)養(yǎng)物減少，所以反硝化細(xì)菌數(shù)量下降。這一結(jié)果與Lian等[28]在土柱試驗(yàn)中觀測(cè)到的細(xì)菌數(shù)量隨土層深度自上而下減少的規(guī)律相似。NO3-N濃度的變化主要取決于反硝化作用，因此土柱系統(tǒng)內(nèi)部反硝化細(xì)菌的分布對(duì)NO3-N的遷移去除發(fā)揮重要作用[27]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土層中的反硝化細(xì)菌數(shù)量越大，該土層對(duì)NO3-N的去除率就越高。

von Rohr等[29]研究表明土柱系統(tǒng)中的溫度、水力條件以及溶解氧濃度等因素可以影響微生物的活性，從而影響系統(tǒng)對(duì)污染物的凈化效果。由圖2知，C1和C2中的反硝化細(xì)菌數(shù)量高于C3和C4，但C3和C4滲濾系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除率卻明顯大于C1和C2，這可能是因?yàn)椴煌a(bǔ)水條件下，滲濾系統(tǒng)內(nèi)部的氧化還原環(huán)境不同，進(jìn)而導(dǎo)致微生物活性不同，從而影響NO3-N的去除效率[30]。結(jié)果表明，在進(jìn)水水質(zhì)相同的情況下，不同的補(bǔ)水方式可導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部的氧化還原環(huán)境和微生物分布不同，從而影響反硝化作用強(qiáng)度，產(chǎn)生不同的NO3-N遷移規(guī)律和去除效果。

4 結(jié) 論

本文利用土柱模擬（河湖岸底）土地滲濾系統(tǒng)，研究4種不同補(bǔ)水方式下的滲濾系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行條件下對(duì)再生水中硝態(tài)氮的去除效果及其影響因素。得到主要結(jié)論如下：

1）水力負(fù)荷對(duì)土地滲濾系統(tǒng)去除NO3-N的效果影響明顯，不同補(bǔ)水方式可導(dǎo)致水力負(fù)荷不同，水力負(fù)荷由2.65減小到0.25 cm/d時(shí)，系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除率由53.4%增至96.1%。低水力負(fù)荷條件下長(zhǎng)期運(yùn)行的定流速補(bǔ)水和側(cè)向補(bǔ)水滲濾系統(tǒng)對(duì)NO3-N的平均去除率可達(dá)到90%以上。

2）土地滲濾系統(tǒng)中，溫度對(duì)再生水中NO3-N的去除影響較大，在定水頭淹水和交替淹水落干補(bǔ)水方式下，當(dāng)水溫在15～32 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)，NO3-N去除率與溫度具有較好的正相關(guān)關(guān)系，NO3-N去除率隨溫度的增大呈指數(shù)或冪函數(shù)關(guān)系增大。而低水力負(fù)荷條件下的定流速補(bǔ)水和側(cè)向補(bǔ)水滲濾系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除率本身就很高，溫度對(duì)其影響則并不十分明顯。

3）土地滲濾系統(tǒng)對(duì)NO3-N的去除與反硝化細(xì)菌數(shù)量及活性有關(guān)，反硝化細(xì)菌數(shù)量越高，NO3-N的去除效果越明顯。

由于受室內(nèi)試驗(yàn)條件的限制，本研究的有關(guān)結(jié)論尚需在野外條件下進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Removal effect of nitrate nitrogen for sandy loam filtration system under different water supply conditions

Pan Weiyan1,2, Huang Quanzhong1,2※, Zhang Ziyuan2, Pu Weiru2, Huang Guanhua1,2

(1.100083,; 2.100083,)

Reclaimed water has been widely used to restore rivers and lakes in water scarce areas as well as in Beijing City, China. However, refilling the rivers and lakes with reclaimed water may result in groundwater pollution. Purification is necessary prior to utilization in order to minimize the pollution and human-health risk. To study the long-term NO3-N removal efficiency during land filtration system under different water supply conditions, a long-term filtration system was built using soil columns supplied with reclaimed water from reclaimed wastewater treatment plant.NO3-NNO3-NNO3-N reached higher than 90% in theNO3-N was obtained in the column recharged with lateral injection, with an average removal efficiency of 96.1%. NO-N concentrations in the effluents in the alternating wetting/drying, constant flow rate and lateral injection columns were all lower than the drinkable water standard (<10 mg/L). The transport and removal of NO3-N varied with soil depth. The variation trend of NO-N removal along soil depth was different under different water supply conditions. For the continuous wetting and lateral injection condition, NO3-NNO3-N removalNO3-NNO3-NNO3-NNO3-NNO3-N℃NO3-NNO3-N removal under low hydraulic loading rate condition, i.e., constant flow rate and lateral injection condition. The results confirmed that the NO-N removal performance under constant flow rate and lateral injection condition c

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.027

X52

A

1002-6819(2017)-08-0197-07

2016-12-04

2017-04-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51079149, 51639009）

潘維艷，女，主要從事水環(huán)境治理與保護(hù)方面研究。北京 中國(guó)-以色列國(guó)際農(nóng)業(yè)研究培訓(xùn)中心，100083。Email：weiyanpan@126.com

黃權(quán)中，男，副教授，主要從事溶質(zhì)運(yùn)移模型及污染遷移轉(zhuǎn)化模型究。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)農(nóng)業(yè)水問題研究中心，100083。 Email：huangqzh@cau.edu.cn

潘維艷，黃權(quán)中，張子元，普薇如，黃冠華.不同補(bǔ)水方式下砂壤土滲濾系統(tǒng)對(duì)硝態(tài)氮去除效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(8)：197－203. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.027 http://www.tcsae.org

Pan Weiyan, Huang Quanzhong, Zhang Ziyuan, Pu Weiru, Huang Guanhua. Removal effect of nitrate nitrogen for sandy loam filtration system under different water supply conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 197－203. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.027 http://www.tcsae.org