碳氮比對污水滲濾系統(tǒng)脫氮及N2O釋放的影響

宋承武， 李英華， 肖斯瑤， 李海波， 張宏力， 高 薇

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽 110004； 2.鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧鞍山 114021)

N2O是一種強溫室氣體，1 mol N2O的增溫效果是CO2的150～200倍，是CH4的4～21倍[1]。N2O在空氣中的平均壽命為150年，存留時間較長[2]?？諝庵?0%以上的N2O來自地球表面的生物源，其中土壤是大氣中N2O的重要來源[3]。

污水地下滲濾系統(tǒng)(subsurface wastewater infiltration system，SWIS)是一種基于生態(tài)學(xué)原理的分散污水土壤處理技術(shù)，具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、管理簡單、運行費用低、裝置位于地下不破壞景觀、無臭味等優(yōu)點，近年來已成為國內(nèi)外的研究熱點[4-9]。目前，關(guān)于SWIS釋放N2O的機理還沒有定論。N2O主要在以下2種生物化學(xué)過程中產(chǎn)生[10]：(1)硝化過程：N作為電子受體，由NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2-、NO3-的過程，N2O作為反應(yīng)副產(chǎn)物產(chǎn)生；(2)反硝化過程：NO3--N轉(zhuǎn)化為N2的過程，N2O作為中間產(chǎn)物產(chǎn)生。因此，N2O的釋放是SWIS在硝化與反硝化過程協(xié)同作用下完成的，其排放速率等于硝化和反硝化反應(yīng)過程中N2O排放速率之和。N2O產(chǎn)生機理如圖1所示[11-12]。

Kong等對比了中國和日本的污水水質(zhì)條件下SWIS釋放N2O規(guī)律的差異，并通過原位試驗研究了氧化還原電位對N2O產(chǎn)生的影響，研究結(jié)果表明：在日本，N2O的釋放量為 8.2～12.2 g/m3，而在中國該值為3.3～5.0 g/m3；氧化還原電位在+200 mV以上時，好氧狀態(tài)下N2O的釋放量比厭氧情況下減少50%以上[13]。進水碳氮比(carbon-nitrogen ratio，CNR)是影響SWIS脫氮效果的重要因素，一方面生物反硝化過程需要有機碳源提供電子供體，另一方面，隨著碳氮比的增加，生物質(zhì)以及碳水化合物含量都相應(yīng)增加，導(dǎo)致土壤的導(dǎo)水率下降，進而抑制硝化作用的進行。Kong等研究表明，提高進水CNR，將有利于SWIS反硝化作用進行，促進N2O的釋放[13]。相反，Wu等發(fā)現(xiàn)：在濕地系統(tǒng)中，當(dāng)CNR為5時，N2O釋放量最低[14]。可見，CNR與N2O釋放規(guī)律的相關(guān)性還沒有明確的結(jié)論。本研究以SWIS模擬試驗為主要研究手段，結(jié)合進出水水質(zhì)情況，探明CNR對N2O釋放量和轉(zhuǎn)化率的影響規(guī)律，旨在為進一步優(yōu)化SWIS運行參數(shù)提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置采用4組完全相同的地下滲濾系統(tǒng)模擬裝置，每組裝置由3部分組成，分別是采氣系統(tǒng)、散水系統(tǒng)、集水系統(tǒng)。裝置主體為內(nèi)徑29 cm、高130 cm的有機玻璃柱，由上、中、下3部分組成(圖2)。采氣系統(tǒng)由集氣罩和水封裝置組成，集氣罩為內(nèi)徑略大于裝置主體直徑的有機玻璃圓柱，集氣罩一旁設(shè)有采氣孔，水封裝置位于裝置主體頂端，形狀為一個環(huán)形槽，槽內(nèi)裝有自來水。

模擬系統(tǒng)所用基質(zhì)為碎石、細(xì)沙、爐渣、污泥(取自污水處理廠)、農(nóng)田土?；|(zhì)經(jīng)過預(yù)處理，將細(xì)沙、爐渣、農(nóng)田土中的大塊石子去除?；|(zhì)填充從下往上依次為碎石、細(xì)沙、混合基質(zhì)層、生物基質(zhì)層、農(nóng)田土層。最底層碎石與細(xì)沙厚度為 5 cm；混合基質(zhì)層為細(xì)沙，爐渣與農(nóng)田土按照1 ∶2 ∶7比例混合而成，鋪設(shè)厚度為45 cm；生物基質(zhì)層為生物污泥、爐渣，農(nóng)田土按照1 ∶2 ∶7的比例混合而成，鋪設(shè)厚度為15 cm；農(nóng)田土鋪設(shè)厚度為20 cm。布水管位于表層土下35 cm處。模擬系統(tǒng)進水為人工配制不同CNR污水。

1.2 方法

1.2.1 進水水質(zhì) 由葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀、亞硝酸鈉、硝酸鉀按一定比例配制成CNR為4、6、8、10的生活污水。人工配制的污水中，保持葡萄糖、磷酸二氫鉀、亞硝酸鈉、硝酸鉀的濃度不變，改變氯化銨的濃度。主要進水水質(zhì)指標(biāo)分別為：COD(282±10.7)mg/L，氨氮含量(30.8±0.3)～(74.3±0.9)mg/L，硝氮含量(2.7±0.3)mg/L，亞硝氮含量(0.5±0.1)mg/L，總磷含量(3.0±0.4)mg/L。

1.2.2 試驗方法 干濕交替運行SWIS，控制落干與布水時間為12 h ∶12 h，即控制干濕比為1 ∶1，保持水力負(fù)荷為 0.100 m3/(m2·d)。分別在09：00、10：00、13：00、14：00、16：00、17：00、20：00、21：00共8個時間點進行取樣。其中10：00—13：00、14：00—16：00、17：00—20：00為復(fù)氧階段，便于SWIS與大氣進行氣體交換，09：00—10：00、13：00—14：00、16：00—17：00、20：00—21：00各時間點N2O濃度之差與時間的比值作為10：00、14：00、17：00、21：00這4個時間點的瞬時N2O產(chǎn)率。氣體樣品采集使用帶針頭的注射器、三通閥、軟管與氣袋，利用注射器從裝置的集氣系統(tǒng)采氣孔中取出氣體，轉(zhuǎn)移到真空的氣袋中，整個取氣過程嚴(yán)格密封。

1.3 分析方法

試驗期間，7 d為1個采樣周期。在改變CNR之前落干2 d，然后以干濕比1 ∶1運行4 d，第7天采集氣體樣品，采集氣體過程中同時檢測出水水質(zhì)，采用國標(biāo)方法[15]檢測水質(zhì)指標(biāo)；采用美國Agilent7890B氣相色譜儀分析測定N2O濃度。

1.4 計算方法

N2O產(chǎn)率(單位時間單位面積N2O的產(chǎn)生量)計算方法：

(1)

(2)

式中：C表示氣體樣品中N2O的濃度，mg/m3；T表示氣體樣品溫度，℃；CV表示氣體樣品中N2O的體積分?jǐn)?shù)，μL/L；V表示集氣系統(tǒng)的體積，m3；Δt表示集氣系統(tǒng)密閉時間，h；ΔC表示Δt時間內(nèi)及其系統(tǒng)中N2O濃度變化，mg/m3；A表示集氣系統(tǒng)的占地面積，m2；H表示集氣系統(tǒng)的高度，m；C1、C2分別表示采氣裝置密封前后N2O濃度。

N2O氣體轉(zhuǎn)化率(N2O產(chǎn)生量占進水TN的比例)計算方法如下：

(3)

式中：ω表示N2O轉(zhuǎn)化率，%；m1表示1 h內(nèi)N2O產(chǎn)生量，mg；m2表示集氣1 h內(nèi)進水中總氮的量，mg。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳氮比對SWIS脫氮效果的影響

SWIS在不同CNR條件下對NH4+-N的去除率如圖3所示。

NH4+-N的去除主要是通過硝化作用將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N以及土壤的吸附作用[16-17]。由于土壤顆粒帶有負(fù)電荷，NH4+-N很容易被吸附，土壤微生物通過硝化作用，將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N。由圖3可見，SWIS對 NH4+-N 的去除率非常高(>92.14%)。SWIS對NH4+-N去除過程中，進水初期與落干初期(≤1 h)去除率相對較低，可能是由于水力負(fù)荷的突然改變，打破了系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)對NH4+-N的去除率下降。但隨著進水與落干的進行(>1 h)，系統(tǒng)對NH4+-N的去除率有所提高。當(dāng)CNR=4時，NH4+-N的去除效果最好，此時進水中氮源充足，系統(tǒng)中硝化作用進行的比較充分，對NH4+-N的去除率較高。總體趨勢是隨著CNR的增加，NH4+-N去除率降低，可能是由于隨著進水中含碳有機物的增多，促進了異養(yǎng)菌的生長，同時自養(yǎng)型硝化菌的生長受到抑制，使得氨氮的去除率略有下降[18]。陳慶昌等研究發(fā)現(xiàn)，碳氮比越大，人工濕地系統(tǒng)對NH4+-N的去除效果越差[19]，本研究結(jié)論與之基本一致。

TN的去除主要通過氨化、硝化及反硝化反應(yīng)。SWIS對TN的去除效果如圖4所示。

從圖4可以看出，SWIS對污水的TN去除效果明顯，最高去除率出現(xiàn)在CNR=4時(99.25%)；而當(dāng)CNR=10時，SWIS對TN的去除率最低。當(dāng)系統(tǒng)由落干期過渡到進水期時，由于原水中90%～95%的TN組成為銨態(tài)氮形式，因此TN的脫除規(guī)律與NH4+-N的脫除規(guī)律一致，總體趨勢是隨著CNR的增加，SWIS對TN的去除率下降，但仍保持較高的去除率。

SWIS具有較強的抗負(fù)荷沖擊能力。即使NH4+-N和TN的去除率隨CNR有所波動，但出水濃度均低于GB/T 18921—2002《城市污水再生利用-景觀環(huán)境用水水質(zhì)》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 出水中NH4+-N與TN濃度

2.2 碳氮比對N2O產(chǎn)率的影響

在檢測進出水水質(zhì)同時采集氣體，分析N2O濃度，利用公式(1)、公式(2)計算N2O產(chǎn)率，結(jié)果如圖5所示。

當(dāng)CNR=6時，N2O的產(chǎn)率遠(yuǎn)大于其他3個組。此時，系統(tǒng)脫除總氮的效果也較好，進一步驗證了N2O的產(chǎn)生是硝化與反硝化同時作用的結(jié)論。當(dāng)CNR>6時，隨著CNR的提高，N2O的產(chǎn)率呈下降趨勢。研究表明，當(dāng)進水氨氮負(fù)荷較高，系統(tǒng)CNR較小時，將增加系統(tǒng)中N2O的釋放速率[17]。但CNR過低則會影響反硝化率，導(dǎo)致反硝化不充分，影響N2O的釋放。從圖6可以看出，在N2O產(chǎn)率最高時(CNR=6)，SWIS從進水期過渡到落干期時，N2O產(chǎn)生速率明顯加快。當(dāng)系統(tǒng)處于進水期時，隨著系統(tǒng)的運行，下層土壤逐漸處于飽和狀態(tài)，土壤中的氧氣含量逐漸減少，N2成為反硝化作用的主要產(chǎn)物，因此抑制了中間產(chǎn)物N2O的排放；當(dāng)系統(tǒng)處于落干期時，土壤大部分處于好氧狀態(tài)，有利于硝化作用的發(fā)生，釋放出最終氣體產(chǎn)物N2O，所以N2O的產(chǎn)率明顯提高。

2.3 CNR對N2O轉(zhuǎn)化率的影響

本研究中，裝置密閉采氣時間間隔為1 h，因此以進水期1 h內(nèi)產(chǎn)生的N2O量來計算氣體的轉(zhuǎn)化率(圖6)。

從圖6可以看出，N2O的產(chǎn)率與轉(zhuǎn)化率隨著CNR的變化基本呈相同的變化趨勢。在系統(tǒng)進水期，CNR=8時，N2O的產(chǎn)率最高，但N2O轉(zhuǎn)化率低于CNR為10時的轉(zhuǎn)化率。這是因為在CNR=8時，系統(tǒng)對總氮的去除效果較好，導(dǎo)致氣體轉(zhuǎn)化率較低。最低的氣體轉(zhuǎn)化率出現(xiàn)在CNR=4時，可能是碳源相對不足，抑制了N2O的生成，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率較低。在進水初期(<4 h)，氣體轉(zhuǎn)化率比較高，但隨著系統(tǒng)的運行，轉(zhuǎn)化率降低，可能是由于土壤中氧氣含量減少，抑制了N2O的生成。總體而言，隨著CNR的增加，N2O轉(zhuǎn)化率呈上升趨勢，最高達(dá)(0.41±0.08)%。綜合考慮系統(tǒng)脫氮效果與N2O產(chǎn)率與轉(zhuǎn)化率，建議SWIS進水CNR區(qū)間為4～6。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，CNR影響SWIS對NH4+-N和TN的去除率。隨著CNR的增加，NH4+-N及TN的去除率分別從(98.45±1.45)%、(97.84±1.45)%下降到(95.46±1.03)%、(92.48±1.13)%，出水NH4+-N及TN濃度均滿足城市污水再生利用-景觀環(huán)境用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。隨著CNR的增加，N2O產(chǎn)生量呈下降趨勢。當(dāng)CNR為6時，落干期的產(chǎn)率明顯提高，達(dá)到(2.89±0.30)mg/(m2·h)。

隨著CNR的增加，N2O轉(zhuǎn)化率呈上升趨勢。當(dāng)CNR從4增加到10時，轉(zhuǎn)化率從(0.14±0.04)%增加到(0.41±0.08)%。同時，進水初期(<4 h)N2O轉(zhuǎn)化率大于進水后期(>4 h)。

綜合考慮SWIS的脫氮效果及N2O的產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率，建議在工程應(yīng)用中，SWIS的進水CNR區(qū)間為4～6。

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