人工土層降解廢水中氨氮的試驗研究

王玉芬

(太原市環(huán)境監(jiān)測中心站，山西 太原 030002)

氮在水體中過多地存在，會成為對人類有危害作用的污染因子。就土壤滲濾法去除硝酸銨水溶液中的氨氮、硝酸鹽的效能與機理方面進(jìn)行了初步探討。人工土層下部填加活性炭不需要馴化過程，便可有效地降解氨氮、硝酸鹽氮。下部填加豆石的土壤滲濾柱須經(jīng)過馴化，才能有效地降解氨氮，但不能去除硝酸鹽氮。下部填加活性炭與下部填加豆石的土壤滲濾柱，經(jīng)過22 d的馴化過程之后，亞硝酸鹽氮均可降至0.1 mg/L以下。

氨氮；硝酸鹽氮；亞硝酸鹽氮；土壤滲濾

氮是自然界廣泛存在的基本元素之一，動、植物以及人類的生長和生存均離不開它。但是，氮在某一空間(如水體中)過多地存在，會成為對動、植物以及人類有危害作用的污染因子。如，可造成水體富營化，表現(xiàn)為藻類的過量繁殖，繼而引起水質(zhì)惡化；其次，氨氮的耗氧特性會使水體的溶解氧降低。此外，當(dāng)水體的pH值較高時，氨對魚類等水生生物具有毒性。因此，有效地去除廢水中的氮含量已成為現(xiàn)代廢水處理技術(shù)的一項新課題。

目前，對氮的去除可用化學(xué)沉淀法，通過投加生石灰，加熱、吹脫去除廢水中的氨；離子交換法也可去除廢水中的氨、氮等。但一般說來，化學(xué)法所需的運行費用較高，無法利用原有的廢水處理構(gòu)筑物。廢水生物處理技術(shù)采用生物氧化塘法，流程長、構(gòu)筑物多、基建費用高。人工土層慢速滲濾處理系統(tǒng)利用土壤生態(tài)系統(tǒng)對含氮污染物具有凈化功能這一原理，通過人為配制土壤的手段改變天然土壤(土內(nèi))的環(huán)境條件，達(dá)到降解氨氮、硝酸鹽氮的目的。處理后的出水可用于灌溉農(nóng)田、回用于衛(wèi)生設(shè)施的沖洗及綠化。筆者就采用土壤滲濾法去除硝酸銨水溶液中的氨氮、硝酸鹽氮的效能與機理進(jìn)行了初步的探討。

1 試驗原理[1]

氮在土壤中進(jìn)行硝化反應(yīng)，達(dá)到對污水中氨氮降解的目的。硝化反應(yīng)可分為2步：

第1步，由亞硝化單胞菌屬進(jìn)行的生物氧反應(yīng)，見反應(yīng)式(1)。

(1)

第2步，由硝化桿菌屬細(xì)菌起作用，見反應(yīng)式(2)。

(2)

土壤中的硝酸鹽氮在缺氧的情況下可被異養(yǎng)菌逐步還原成氣體氮，此過程即為反硝化過程，見反應(yīng)式(3)。

(3)

2 試驗方法

2.1 試驗中采用的分析方法

氨氮(NH3-N)采用納氏試劑光度法；硝酸鹽氮(2NO3--N)采用酚二磺酸光度法；亞硝酸鹽氮(NO2--N)采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法。

2.2 活性炭吸附試驗

活性炭對硝酸銨水溶液中氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的靜置吸附試驗。

1) 試驗步驟

配制不同濃度的硝酸銨水溶液各100 mL，分別放入錐形瓶中。測定初始氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的濃度。

分別加入1 g活性炭，靜置10、20、60 min，測定其中不同靜置時間的氨、硝酸鹽氮的濃度。測定結(jié)果列于表1。

表1 不同靜置時間活性炭對氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的吸附效果

2) 結(jié)果分析

根據(jù)表1對活性炭吸附氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的結(jié)果進(jìn)行分析。

活性炭去除氨氮的試驗表明，活性炭不能通過物理吸附去除氨氮。這是由于，氨氮本身是極性分子，在水中以陽離子形式(NH4+)存在，活性炭難以將其吸附。另外，氨氮在水中的溶解親和與活性炭的吸附力相對抗，因而活性炭不易吸附溶解度較大的物質(zhì)。

活性炭吸附硝酸鹽的能力較差，原因是它們都是非吸附物質(zhì)，在水中溶解度較大、極性較強。

2.3 土壤滲濾試驗

配制相同濃度的硝酸銨水溶液，分別以相同的速度、相同的水量滴入柱長為1 350 mm、直徑為95 mm的1號、2號土壤滲濾柱中，測定進(jìn)水、出水中氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的濃度，得到探索氨氮、硝酸鹽氮通過土壤滲濾柱之后的降解情況。

2.3.1 土壤滲濾柱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

1號柱與2號柱的柱長、直徑相同，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同。1號柱的下部依次裝入330 mm活性炭、70 mm豆石、900 mm砂壤土，上部裝50 mm豆石；2號柱子中依次裝入400 mm豆石、900 mm砂壤土，上部裝50 mm豆石。2個柱子砂壤土配比都相同，即，土壤∶砂∶活性污泥的體積比為3.0∶1.5∶1.0。

砂是保證人工土層具有通透能力的基本骨架，土壤是生物活性的接種劑，活性污泥是起動和維持生物活性的接種劑及其能源和物源。上部填裝豆石，目的是使布水均勻，避免邊界效應(yīng)。試驗流程如圖1所示。

圖1 1號和2號土壤滲濾柱結(jié)構(gòu)流程圖

2.3.2 試驗條件

室溫：18 ℃～20 ℃。

時間：2016年5月4日至2016年6月8日。

2.3.3 試驗結(jié)果

用配制相同濃度的硝酸銨水溶液，分別以相同的流量經(jīng)過1號、2號滲濾柱的出水。測試結(jié)果列于表2。

表2 土壤滲濾試驗測試結(jié)果

2.3.4 效果分析

2.3.4.1 對氨氮的去除效果

由表2可知，進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為11.59 mg/L時，1號土壤滲濾柱第1次出水質(zhì)量濃度為1.81 mg/L，2號柱為8.76 mg/L。經(jīng)過13 d后，1號柱氨氮出水質(zhì)量濃度降至0.54 mg/L，2號柱降至0.66 mg/L。2016年5月22日、6月1日進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度分別為21.26 mg/L、22.10 mg/L時，測定5次出水質(zhì)量濃度，1號柱出水質(zhì)量濃度平均值為0.54 mg/L，2號柱為0.90 mg/L。2016年6月3日進(jìn)水質(zhì)量濃度為30.31 mg/L時，測定4次出水質(zhì)量濃度，1號柱質(zhì)量濃度平均值為0.22 mg/L，2號柱為0.69 mg/L。

由此可見，土壤滲濾可有效地去除氨氮。原理是，氨氮在土壤中進(jìn)行了硝化反應(yīng)，即，土壤中的氨氮硝化可由附著在土壤微粒表面的硝化菌完成。

1號柱氨氮的降解效果好于2號柱。原因是，1號柱底部裝填了一定的活性炭，2號柱底部裝填的是豆石。雖然活性炭對氨氮本身無吸附作用，但活性炭顆粒比豆石顆粒具有更大的比表面積和更大的吸附能力，能有效地吸附和富集土壤溶液中的酶及其輔酶，為硝化菌的生長繁殖提供了更好的環(huán)境，在活性炭表面可生長生物膜，能更加強化硝化過程的進(jìn)行。

1號柱與2號柱對氨氮的去除效果曲線見圖2。

圖2 氨氮去除效果曲線

2.3.4.2 硝酸鹽氮的去除效果

進(jìn)水硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度為14.17 mg/L時，1號柱第1次出水質(zhì)量濃度為7.6 mg/L，而2號柱為81.18 mg/L。后依次遞減。13 d后，1號柱硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為5.66 mg/L，2號柱為38.37 mg/L。2016年5月22日、6月1日進(jìn)水硝酸鹽氮質(zhì)量濃度分別為23.93 mg/L、26.58 mg/L時，測定5次出水濃度，1號柱質(zhì)量濃度平均值6.96 mg/L，2號柱為32.36 mg/L。2016年6月3日進(jìn)水硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為35.98 mg/L，測定4次出水濃度，1號柱質(zhì)

量濃度平均值為6.78 mg/L，2號柱為47.84 mg/L。

1號柱可有效降解硝酸鹽氮，2號柱未降解反而升高，說明1號柱對硝酸鹽氮的去除主要是通過活性炭層中的某些脫氮菌進(jìn)行脫氮過程來完成的，活性炭能有效地吸附脫氮菌。脫氮是指硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮被還原成難以用來增殖微生物的氮分子的過程。

2號柱中經(jīng)硝化產(chǎn)生的硝酸鹽氮不能通過脫氮反應(yīng)去除，只得隨水流出，導(dǎo)致出水中的硝酸鹽氮含量升高。

1號柱與2號柱對硝酸鹽氮的去除效果比較曲線見圖3。

圖3 硝酸鹽氮去除效果曲線

2.3.4.3 亞硝酸鹽氮的去除效果

進(jìn)水中亞硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度為0.00，第1次出水1號柱亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為1.72 mg/L，而2號柱為24.93 mg/L。1號柱出水中的亞硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度始終在2.00 mg/L左右，2號柱質(zhì)量濃度最高達(dá)38.47 mg/L。經(jīng)過13 d之后，出水質(zhì)量濃度降至0.48 mg/L。經(jīng)過22 d的馴化過程之后，1號柱、2號柱亞硝酸鹽氮出水質(zhì)量濃度依次遞減到0.25 mg/L以下。

由于活性炭能有效地吸附硝化桿菌，在活性炭表面生長生物膜，1號柱中的菌屬較2號柱中的菌屬活躍，降解效果好于2號柱。降解亞硝酸鹽氮主要是通過硝化桿菌的硝化作用實現(xiàn)將水中的亞硝酸鹽氮進(jìn)一步氧化成硝酸鹽。1號柱與2號柱對亞硝酸鹽氮去除效果曲線見圖4。

圖4 亞硝酸鹽氮的去除效果曲線

3 結(jié)論

1) 活性炭本身對氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的吸附能力較差。

2) 土壤滲濾柱中生長的起硝化作用的硝化桿菌以及起硝化作用的硝酸鹽還原細(xì)菌越來越活躍，出水中的氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮濃度依次遞減，去除效果加強。

3) 下部填加活性炭的1號土壤滲濾柱與下部填加豆石的2號土壤滲濾柱都可有效去除氨氮。但是，1號柱不經(jīng)過一定的馴化過程，第1次出水降解效果便很好；而2號柱必須經(jīng)過一定的馴時間，方可達(dá)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桿菌屬和反硝化作用的硝酸鹽還原菌。因此，下部填加活性炭和土壤滲濾柱能有效地去除硝酸鹽氮，下部填加豆石的土壤滲濾柱不能去除硝酸鹽氮。

5) 下部填加活性炭的1號土壤滲濾柱與下部填加豆石的2號土壤滲濾柱，經(jīng)過22 d的馴化過程之后，亞硝酸鹽氮均可降至0.1 mg/L以下。

[1] 翁穌穎，戚蓓靜，史家樑，等，環(huán)境微生物學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1985.