人工快速渗滤系统脱氮机理试验研究

摘 要： 为了探寻人工快速渗滤系统脱氮的机理， 采用人工试验土柱模拟人工快速渗滤系统， 通过监测不同高度出
水中的氨氮、 硝态氮和总氮的浓度， 得到了其随高度的变化规律。试验结果表明： 人工试验土柱中填料层 0～1 200 mm段氨氮的去除率很高， 约占总去除率 95%， 深度越浅氨氮降解效率越高， 深度越大氨氮降解效率越低； 填料层中 900 mm 处， L-1， 硝态氮达到最大值 14.08～15.06 mg · 在兼氧段 （900～1 200 mm）和厌氧段 （1200～1 500 mm）硝态 L-1， 出水总氮浓度 16.50～21.85 mg · 去除率为 28.35%～29.78%。 氮浓度下降仅 10%左右；
0.038 m2。 试验进水：试验用水取自西南交通大学新校区 附近的农户的生活污水， 沉淀 1～2 h 后使用。距土 柱顶端 300 mm 处设置一环形布水管，布水管前安 装一个转子流量计，污水由上至下通过渗滤介质而 得到净化处理。 人工试验土柱进水流程为：进水桶→循环泵→ 流量计→人工试验土柱→出水。 渗滤介质： 选用不同粒径范围的河流冲积砂、 大 理石砂和碎石。人工试验土柱的内部渗滤介质情况 见表 1。
人工试验土柱填料层 0～900 mm 段， 落干期通 过自然复氧， 溶解氧较为充分， 属于好氧段， 硝化反
应进行充分， 因此氨氮的去除率很高， 约占总去除率
85%。人工试验土柱填料层 900～1 200 mm 段的溶 解氧浓度逐渐降低， 属于兼氧段， 硝化反应弱化， 从 硝化反应为主逐渐过渡到反硝化反应为主，这时氨 氮浓度继续下降， 但是下降的幅度减少， 而硝态氮的
氮总去除率都在 85%以上， 氨氮浓度满足国家标准 （GB18918-2002）中一级 A 标。 在人工试验土柱中填料层 0～900 mm 段， 属于 好氧段， 硝化反应持续进行， 硝态氮浓度持续升高， 在人工快速渗滤系统填料层 900 mm 处，硝态氮达 到最大值， 14.08～15.06 mg · L-1，较进水硝态氮浓度 的增量约为 14.0 mg · L-1；在兼氧段 （900 ～1 200 mm）和厌氧段（1 200 ～1 500 mm）硝态氮浓度虽 然有所下降，但是下降幅度很小，只占最大值的 10%左右，这表明人工试验土柱中硝态氮只有 10%
表 1 人工试验土柱的内部渗滤介质 Table 1 Infiltration media in the simulated soil column
滤层 深度 /mm 填料类型 粒径范围 /mm 第一层 第二层 第三层 200 碎石 4～40 600 700 细砂 +5%大理石砂 粗砂 +5%大理石砂 0.1～0.5 0.25～2
定量布水的目的。 试验监测项目与方法： 监测项目包括氨氮 （纳氏 试剂比色法）， 亚硝酸盐氮 （N（1- 萘基）- 乙二胺光 度法）， 硝酸盐氮 （紫外分光光度法）和总氮 （碱性过 硫酸钾消解， 紫外分光光度法） 。每周一 氨氮转化规律 从图 1 可以看出， 人工试验土柱出水氨氮浓度优于 国家标准 （GB18918-2002） 中一级 A 标 （≤5 mg · L-1 ） ， 对氨氮的去除率均在 85%以上。当系统稳定后， 进水氨
关键词：人工快速渗滤系统； 脱氮； 硝化； 反硝化 中图分类号： X703.1 文献标识码： A 文章编号： 1000-3700(2009)02-032-03
人工快速渗滤系统 （Constructed rapid infiltration system， 简称 CRI 系统）， 在对各种类型土地处 理系统研究总结的基础上，针对传统污水土地处理 系统普遍存在的水力负荷低、单位面积处理能力小 等问题，借鉴了污水快速渗滤土地处理系统和人工 构造湿地系统的优点， 取长补短， 逐步发展起来的一 种具有自身特色的新型污水处理技术[1-2]。由于其兼 具了污水快速渗滤土地处理系统和人工构造湿地系 统的优点， 而越来越受到青睐[3-5]。 CRI 系统对 COD、 NH3-N、 SS 和 LAS 等均具有 良好的去除效果，尤其是对于氨氮的去处率高达 85%以上，但是，对于 TN 的去除率却只有 10%～ 30%，致使 CRI 系统出水总氮浓度高于城镇污水处 理厂污染物排放标准 （GB18918-2002）中一级 A 标 的要求 （TN （以 N 计）≤15 mg · L-1）[6-8]。 本研究在室 内相同运行条件下， 以人工试验土柱模拟 CRI 系统， 通过监测人工试验土柱不同高度出水的氨氮、硝态 氮和总氮的浓度， 分析其随高度的变化规律， 以期揭 示 CRI 系统脱氮的机理。
陈俊敏等， 人工快速渗滤系统脱氮机理试验研究 指标判断系统的稳定性， 每天监测一次进出水水质。 3 水力负荷： 水力负荷为 1.0 m· m-2 · d-1， 每天布水 4 次， 每隔 6 h 投配一次， 每次布水时间 1.5 h， 布水水量 9.5 L； 采用时间继电器控制水泵的起停， 以达到定时和
氮大幅度变化时，出水氨氮浓度变化幅度不大，说明 CRI 系统具有较强的抗负荷冲击能力。
50 40 30 20 10 100 80 60 40 20 0
图 1 人工试验土柱不同深度处出水氨氮的浓度及去除率 Fig.1 NH3-N concentration and its removal rate of the simulated soil column effluent form the different outlets
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水处理技术
40 35 30 25 20 15 10 5
第 35 卷 第 2 期
在人工试验土柱中填料层 0～1 200 mm 段， 氨 氮的去除率很高， 约占总去除率 95%。由于填料层 中深度越浅， 复氧效率越高， 硝化反应效率越高， 因 此氨氮降解效率越高， 反之亦然。 CRI 系统出水中氨
收稿日期： 2008-06-13 基金项目： “十一五” 国家科技支撑计划重点项目 （2006BAD01B 08-03）； 四川省科技攻关计划课题项目 （2006Z10-009） 作者简介： 陈俊敏 （1976-）， 男， 讲师， 博士， 主要从事水污染控制研究； E-mail： wastewater_2000@。
在 CRI 系统中氨化作用和硝化作用只是改变
氮的形态，只是将进水中的有机氮和氨氮通过硝化 作用转化成了硝态氮， 而反硝化反应进行很不充分， 因此无法有效将硝酸盐氮和亚硝酸盐氮转化成气态 氮， 永久性的从系统中去除， 这就是 CRI 系统中氨 氮去除率很高可达 85% 以上，而总氮去除率仅有 28.35%～29.78%的原因。 决定反硝化反应程度的主要因素为溶解氧浓 度、 C/N 比、 厌氧段的停留时间。在采用的人工试验 土柱中厌氧段的长度只有 300 mm， 按水力负荷 1.0
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第 35 卷 第 2 期 2009 年 2 月
水处理技术 TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT
Vol.35 No.2 Feb.,2009
人工快速渗滤系统脱氮机理试验研究
陈俊敏 1， 刘 方 1， 付永胜 1， 杨继富 2
（1.西南交通大学环境学院， 四川 成都 610031； 2.中国水利水电科学研究院， 北京 100044）
CRI 系统中氨氮的来源主要包括进水中的氨 氮、 进水中的有机氮氨化产生的氨氮、 生物细胞有机 氮氨化产生的氨氮和渗滤介质上解析出的氨氮； CRI 系统中氨氮的转化或迁移途径包括：渗滤介质
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33 的吸附、 生物细胞合成变成有机氮、 硝化作用和被出 水带走。 过滤截留和吸附作用在 CRI 系统脱氮过程 中主要起调节作用， 主要发生在淹水期， 氨氮的真 正去除主要还是依靠亚硝化菌和硝化菌的硝化作 用， 主要发生在落干期。 落干期人工试验土柱中 0～ 900 mm 段 为 好 氧 区 ， 900 ～1 200 mm 为 兼 氧 区 ， 1200～1 500 mm 为厌氧区。 好氧段是氨化和硝化反 应的主要发生段，因此好氧段中氨氮的去除率约占 总去除率的 85% ， 污水进入兼氧段， 随着溶解氧的 逐渐降低，硝化反应逐渐削弱，反硝化反应逐渐增 强，兼氧段的对氨氮的去除率约占总去除率的 10%， 污水进入厌氧段， 硝化反应基本停止， 氨氮浓 度在厌氧段变化不明显。 2.2 硝态氮转化规律 从试验数据中可以看出，进水中硝态氮的含量 很低， 仅 0.16 ～ 0.19 mg · L-1， 出水中含量较高， 高达 -1 13.15 ～ 13.58 mg · L， 占总氮含量的 80% 左右， 进出 -1 · L。 水硝态氮的增加量约为 13 mg 在图 2 中， 硝态氮的浓度随着填料高度的增加， 先上升后下降，在人工试验土柱中填料层 0 ～ 900 mm 段硝态氮持续升高， 约在填料层 900 mm 处， 硝 态氮达到最大值， 14.08～15.06 mg · L-1，在人工试验 土柱中填料层 900～1 500 mm 段硝态氮浓度逐渐下 降， 但是下降幅度较小， 只占最大值的 10%左右， 这 也就是说， 人工试验土柱中硝态氮只有 10%左右参 加了反硝化反应。
16 14 12 10
0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 mm
mg L
%
mg L
8 6 4 2 0
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
mm
Fig.2
图 2 人工试验土柱不同深度出水硝态氮浓度 Nitrate concentration of the simulated soil column effluent form the different outlets
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浓度也出现拐点，在填料层 900 mm 处硝态氮浓度 出现峰值， 而后逐渐下降， 但是下降的幅度也很小， 只占最大值的 10%左右，这主要是因为人工试验土 柱中的兼氧段 （900～1 200 mm）和厌氧段 （1 200～ 1 500 mm）反硝化反应进行不充分。 2.3 总氮转化规律 从图 3 可以看出，人工试验土柱出水总氮浓度 16.50～21.85 mg · L-1， 不能满足国家标准 （GB18918-1 2002）中一级 A 标 （≤15 mg · L ）的要求， 对总氮的 去除率只有 28.35%～29.78%。