新型污水灌溉渠道的设计及除氮效果分析

李虹

摘要 针对用来灌溉的污水中氮元素含量过高的特点，通过对现有灌溉渠道的改造，设计了一种新型污水灌溉渠道。该设计利用土壤的渗透及干湿交替原理、氮元素运移与转化规律，通过硝化与反硝化反应、沸石与土壤的吸附作用等原理来降低灌溉用污水中的氮含量。同时，为验证新型污水灌渠的净化效率，进行了数值模拟。结果表明：该设计渠道流量满足灌溉需求，且对污水中氮含量的去除具有明显效果，同时具有改造成本低、施工简单方便的优点。

关键词 污水灌溉；新型污水灌渠；除氮；干湿交替

中图分类号 S273.5 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）04-0187-01

在我国北方干旱半干旱地区水资源日趋紧张的背景下，污水灌溉成为满足土壤农作物对水需求的一种可行方式，随着我国经济社会的发展，水资源越来越緊张，污水灌溉面积也在逐年增加[1]。然而，污水灌溉现在仍然存在很多的问题。城市生活污水处理率低，而灌溉前又缺少必要的污水处理措施，污水中氮元素严重超标，导致长期利用污水灌溉的地区，其农田土壤及地下水环境遭到破坏，农业区地下水氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮超标和有机污染日益严重[2]。

我国在污水灌溉效应及技术研究方面也有一定的进展，但是研究主要侧重污水灌溉对作物与土壤的影响、污水灌溉机理、重金属处理以及有害微生物的处理方面，且都是任由含高浓度氮元素的污水进行灌溉，而对污水中氮的污染没有引起高度重视。一方面，污水含有的过量氮元素无法全部被植物和土壤全部吸收，氮化物随水流下渗后可直接污染地下水。另一方面，部分人片面地认为氮元素可以增加作物产量无需处理，而实际上过量氮化物被植物吸收后反而造成植物疯长、减产甚至绝产等不利影响，同时也由此造成土壤pH值及其中微生物群落环境的失衡，严重不利于土壤环境的可持续发展。可见，用于灌溉的污水中过量氮元素的控制与去除已不容忽视，因此，设计了具有除氮作用的新型污水灌渠，以此来减轻污水灌溉的负面效应，从而达到保护土壤与地下水的目的。

1 污水灌渠结构设计及工作原理

1.1 结构设计

该污水灌渠断面如图1所示，分为进水区、反应区和出水区。其中用于分区的材料是一种特殊的生态袋无纺布[2]，其最大的特点为透水不透土的过滤功能。污水由进水区进入装置，进水区内部放置一定量的沸石；反应区由砂土、壤土和活性污泥按比例混合均匀分布，并添加少量活性炭等吸附力强的物质，提供了微生物生存的环境条件和除污反应物；出水区，承接由反应区垂直渗出的水，输出用于灌溉。反应区上下层各铺设0.1 m厚的秸秆投放区，补充除污微生物的碳源。

1.2 反应原理

灌溉污水中过量的氮元素主要以大量的氨氮、少量的有机氮和硝态氮的形式存在。灌溉期污水中氨氮可以利用进水区中的沸石以及反应区中活性炭、土壤胶体的吸附作用吸附在反应区内部，待非灌溉期清洗再生沸石并对灌渠充分干燥通气通过硝化反应生成硝态氮；灌溉期渗透反应层为饱和湿润状态，硝态氮的去除可以在反硝化细菌的作用下经过反硝化反应分解为氮气[3]，反应式具体如下所示：

2NO3-+10e-+12H+→N2+6H2O+能量 （1）

NH4++2O2→NO3-+2H++H2O （2）

1.3 工作流程

平原区斗渠长度500～1 000 m，控制面积13.3～40.0 hm2，此处取L=1 000 m，控制面积40 hm2。设计灌水率此处取1.5 L/（s·hm2），即40 hm2需要流量0.06 m3/s[4]。设计灌渠中水近似垂向渗流，水力坡降i=1，第3层厚度L2=1.7 m，渗透宽度b=4 m，则有：

A有效=4×1 000=4 000 m2

Q=KiA有效=0.08 m2/s

即水在反应区中的渗流时间约为24 h，渗流流量为0.08 m2/s，满足灌水需求。

水体中污染物的去除过程如图2所示。

2 氮元素处理的实现

2.1 有机氮的去除

城市生活污水中含有少量的有机氮，一般情况下生活污水会在城市地下官网中流动较长时间，此时其中的有机氮大部分已被微生物所酸化。而剩余的少量有机氮会由渗透反应区活性污泥中的微生物所分解，分解后主要以氨氮的形式存在于污水中。

2.2 氨氮的去除

氨氮的去除可利用沸石和土壤的吸附作用，污水经进水区沸石吸附后仅有少量氨氮会进入反应区，由于土壤带负电，铵根离子带正电，土壤对铵根离子有很强的吸附性，从而这部分氨氮可在反应区由土壤吸附在内部，不易流失。待灌溉结束后将反应区土壤充分干燥通气，由反应式（2）可以看出，铵根离子在有氧环境下发生硝化反应生成硝酸根离子，而反应生成的硝酸根离子在下次灌溉时可去除。

2.3 硝态氮的去除

由反应式（1）可知，去除硝态氮主要利用反硝化反应。污水灌渠反应区由沙土、壤土及活性污泥经一定比例混合而成，利用污泥中含有的反硝化细菌进行反硝化反应[5]。碳源主要来自作物秸秆及土壤中的其他有机物；灌溉期时反应区处于完全淹水状态，可保证无氧环境。此外，由于上述反应进行速率较慢，所以应合理的控制水流速度使反应时间保证在24 h左右，进一步来说，即使实际操作中达不到设计反应时间，灌溉污水经植物吸收及土壤的吸附净化作用[6-7]，氮元素含量会进一步减少，从而进一步降低污水灌溉对地下水的污染[6-7]，除污效果如图3所示。

3 结论及展望

（1）新型污水灌渠的设计是基于已有灌渠的改造，结构简单，施工方便，既充分利用了已有的灌溉设施，节约了土地面积，又可以进一步解决污水灌溉对土壤、农作和地下水带来的负面影响。

（2）利用氮元素运移与转化规律，通过硝化与反硝化反应、物理吸附作用等原理来降低灌溉用污水中的氮含量，其成本低廉且除污效果可以得到保障。

（3）我国单位耕地面积化肥、农药使用量近世界平均水平的3倍，大量化肥和农药通过土壤渗透和地表径流等方式污染河流湖泊水及地下水，若此设计运用于排水渠系和灌排两用渠道之中，将为农业面源污染的治理提供新的思路。然而，为保证一定的过水流量，需要适当调整污水的预期处理效率，这将是未来值得研究的方向。

4 参考文献

[1] 刘润堂，许建中.我国污水灌溉现状、问题及其对策[J].中国水利，2002（10）：123-125.

[2] 吴昌永.A～2/O工艺脱氮除磷及其优化控制的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[3] 杨金忠.污水灌溉系统中氮磷转化运移的试验研究[J].水利学，2004（4）：1-8.

[4] 陈竹君，周建斌.污水灌溉在以色列农业中的应用[J].农业环境保护，2001（6）：462-464.

[5] 张威，张旭东，何红波，等.干湿交替条件下土壤氮素转化及其影响研究进展[J].生态学杂志，2010，29（4）：783-789.

[6] 姜翠玲.污水灌溉土壤及地下水三氮的变化动态分析[J].水科学进展，1997（2）：183 -188 .

[7] 吴彩斌，雷恒毅，宁平.环境学概论[M].北京：中国环境科学出版社，2005.