基于C R I系统的农村生活污水脱氮模拟试验研究

龙 泉，李云祯，高平平，徐 磊，许文来

（1.四川省环境保护科学研究院，四川 成都 610041；2.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；3.成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059）

基于C R I系统的农村生活污水脱氮模拟试验研究

龙 泉1，李云祯1，高平平2，徐 磊1，许文来3

（1.四川省环境保护科学研究院，四川 成都 610041；2.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；3.成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059）

为了探明人工快速土壤渗滤系统（CRI）处理农村生活污水的性能，在实验室中构建了CRI系统模拟柱，采用不同布水方式对农村生活污水进行模拟处理。结果表明：不同布水方式下CRI系统模拟驻对污水的处理效果表现出一定差异，但对NH3-N、NO3-N、TN等污染物质的迁移、转化、降解规律是一致的；CRI系统脱氮机理主要包括硝化与反硝化作用、挥发作用和吸附作用3个方面；可通过调整CRI系统的池体结构、优化快速渗滤池的滤料组成及运行模式等途径提升CRI系统对含氮污染物的去除效果。

人工快速土壤渗滤系统（CRI）；农村生活污水；氮污染物；降解机理

我国是传统农业国家，如果没有一个良好的农村生态环境，没有一个可供持续利用的农业自然资源，就会影响整个社会的稳定和进步。四川是一个农业大省，2014年四川省农村人口4 371.3万，生活污水年产生量为92 446.8万t，除少部分经化粪池简单处理后渗入地下外，绝大部分都直接排入河流、沟渠、水库和湖泊中，导致这些水体发黑发臭；加之使用污水灌溉，土壤也受到污染，最终使得农村生态环境遭到严重破坏，严重威胁城市和农村饮用水安全以及农村居民的身体健康。

目前，城市常用的生活污水处理工艺由于基建投资和运行费用高，操作复杂，单位污水处理成本高等原因，要将这些处理工艺直接照搬到农村地区是行不通的。人工快速土壤渗滤系统（constructed rapid in fi ltration，CRI）由于处理效果好、建设成本不高、运行费用低等原因，在处理分散型的生活污水方面得到了较好的应用。但是该方法对总氮（TN）的去除效果不理想，尚不能满足出水水质要求[1-2]。因此，进一步系统地研究CRI系统中各种污染物质迁移、转化和归趋的规律非常必要，并以此来掌握污染物特别是氮污染物在CRI系统内的降解机理。

笔者在实验室中构建了CRI的模拟系统，用以处理农村生活污水，研究CRI系统中氨态氮（NH3-N）、硝态氮（NO3-N）、总氮（TN）等污染物质迁移、转化和归趋的规律，在一定程度上掌握了一些特殊污染物特别是氮污染物在CRI系统内的降解机理，并对CRI系统中TN去除率较低的原因进行了分析，为优化CRI系统的池体结构、滤料组成和运行模式提供一定依据，为进一步提高农村污水处理效率提供了依据。

1 材料与方法

1.1 CRI系统模拟柱及供试污水

CRI系统的工艺流程如下：生活污水→污水沉淀池→水泵→供水箱→CRI系统滤池→出水。

CRI系统模拟柱：CRI模拟柱的主体部分是由有机玻璃构成（见图1），CRI模拟柱高为225 cm，模拟柱的内径是21 cm，滤料由90%天然砂土+5%的沸石砂+5%的大理石砂组成，滤料厚度为175 cm，底部有小砾石组成的10 cm厚度的承托层。并在承托层处设置出水口。在CRI系统顶端设置布水管，布水管均匀的分布在系统顶端，采集的农村生活污水由水泵抽取后进入布水管，均匀通过CRI系统。系统的进水水量通过流量计来控制，上端进水，下端出水，系统内水流方向垂直向下，污水由上而下经过滤料而得以净化。

供试污水为四川某镇农户家的生活污水。

图1 CRI系统模拟柱滤池示意图

1.2 CRI系统模拟柱的运行和管理

试验用模拟柱一共有2个，分别编号1，2。试验设计的水力负荷为1 m3/d，采用2种布水方式。对于1号模拟柱采用布水方式1：每天布水4次，每次布水0.5 h，每次布水量为0.25 m3，每6 h布水一次；2号模拟柱采用布水方式2：每天布水1次，一次布水时间为2 h，每次布水量为1 m3，每24 h布水一次。

模拟试验于2015年3月15日开始，全程实验一共120 d。为防止滤池中滤料出现板结固化，在CRI系统运行3～5 d时就要对系统上部30 cm深度的滤料进行翻动。

1.3 取 样

模拟柱1、2均以四川某镇农户家的生活污水为试验污水。分别对两种布水方式下的CRI系统进行取样。模拟柱1：每4 d取一次样，根据取样次数依次编号为1～29，同时对模拟柱1进行沿程取样，沿程取样时对沿程取样次数依次编号为I～V；并从上到下在模拟柱0、25、50、75、100、125、150 cm处沿程取样。模拟柱2：每4 d取一次样，根据取样次数依次编号为1～10。

1.4 水质监测项目

水质监测项目为pH值、化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、硝酸盐氮（NO3-N）、总氮（TN），分别采用玻璃电极法、重铬酸钾法、纳氏试剂比色法、紫外分光光度法、碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法。

2 结果与分析

2.1 模拟CRI系统处理农村生活污水的实例分析

以出水COD为监测指标，待出水COD浓度稳定后，视为挂膜成功。此后，开始取样测定，2种布水方式下的出水结果如表1所示。在布水方式1的条件下，CRI系统模拟柱1对氨氮平均去除率为81.7%，对总氮的平均去除率为31.1%，进水时硝态氮的平均浓度为2.5 mg/L，经CRI系统模拟柱后出水时平均浓度为12.8 mg/L；在布水方式2的条件下，CRI系统模拟柱2对氨氮的平均去除率为64.0%，对总氮平均去除率为22.0%，进水时硝态氮的平均浓度为2.1 mg/L，经CRI系统模拟柱后出水时平均浓度为8.1 mg/L。

当采用布水方式1，水力负荷周期为6 h，CRI系统模拟柱进水氨氮浓度具有较大的波动幅度，进水时最高浓度为34.1 mg/L，最低浓度为20.1 mg/L，但CRI系统出水时的氨氮浓度变化幅度较小，维持在5 mg/L左右；在布水方式2条件下与布水方式1条件下情况类似，这说明CRI系统对氨氮负荷冲击具有较强的抵抗力。但是，如图2和图3所示，CRI系统出水时总氮去除率的变化幅度相对较大，造成这一现象的原因可能是由于硝态氮易随水流迁移且易溶于水[3-4]。因为在CRI系统模拟柱中，污水流经滤料速率相对较大，所以硝态氮跟随着水流迁移较快。另外，如图4所示，CRI系统模拟柱出水的硝态氮浓度变化幅度也较大，这一现象也会引起在某一时段内取样样品测试的总氮浓度变化幅度较大。

在布水方式1的运行条件下，从表2中可知，氨氮在CRI系统模拟柱中0～25 cm段去除率仅为8.8%，在25～75 cm段氨氮去除率升高较快，去除率达到58.5%，在CRI系统的75～100 cm段，氨氮的去除率出现下降趋势，去除率只有10.8%，在CRI系统100～150 cm段氨氮去除速率较平缓，在此段去除率只有6.2%。由此可知，在CRI系统模拟柱中氨氮的降解速率最大是发生在滤层25～75 cm段，而并不是在0～25 cm段，出现这个现象的原因可能是CRI系统模拟柱的进水中有机物浓度相对较高，可以为系统中的细菌提供足够的能量，促进异氧菌的繁殖，因此抑制了CRI系统进水段硝化菌的生长。

表1 2种布水方式下CRI系统进水和出水中各种N污染物的浓度及去除率

2.2 CRI系统脱氮机理以及含氮污染物的迁移、转化、降解规律

图2 1号模拟柱中进水和出水中总氮浓度以及去除率

从CRI系统模拟试验结果可以推断，CRI系统在进行污水处理时，脱氮机理主要包括以下3个方面：硝化与反硝化作用、挥发作用、吸附作用。CRI系统的特征主要是污水从上至下流动，在这个过程中污染物就会发生一系列迁移转化，分析认为氮在CRI系统内的迁移转化归趋主要可能存在有以下过程。

图3 2号模拟柱中进水和出水中总氮浓度以及去除率

图4 2种运行方式下模型柱进水和出水中硝态氮浓度

（1）CRI系统氮的输入：当利用CRI系统处理污水时，污水中的有机氮、硝态氮和氨氮等含氮污染物进入CRI系统，此污水来源于村镇生活污水。

（2）CRI系统中氮的迁移转化和归趋：在CRI系统内，氮的迁移转化主要包括有机氮转化成氨氮、滤料的吸附、氨氮硝化成亚硝氮和硝态氮、亚硝氮和硝态氮在反硝化反应中转化为分子态氮（N2）或一氧化二氮、微生物的降解与同化；其中，吸附、硝化、氨化、解吸等作用只是改变了CRI系统中氮的存在形式，而并没有真正地将氮从水中去除，只有反硝化作用才能将氮转化成氮气，从水中去除。在CRI系统中，从上到下沿程硝态氮的浓度呈上升趋势，说明该系统沿程都处于有氧环境，而反硝化菌属于厌氧菌，故硝态氮不易通过反硝化反应转化为氮气从系统中排出；虽然滤池深度100～150 cm段的溶解氧浓度已经降至较低水平，但因为CRI系统对有机物去除效果较好，有机物在系统上段范围内已经基本被降解去除，所以到达该段的有机物非常少，使得滤池下段的反硝化作用缺少所需碳源，抑制了反硝化作用，硝态氮无法通过反硝化作用变成气体从污水中去除。硝态氮带负电荷且易溶于水，因此不会被滤料或微生物等吸附截留，而是从滤料中溶入水相中，并随着水流排出CRI系统，使得系统出水中TN浓度较高。具体的氮素转化如下化学式[5-6]：

（3）CRI系统中氮的输出：CRI系统内氮的输出主要包括反硝化作用脱氮、系统表面氨氮的挥发、含氮污染物质随着系统出水流出等。

3 结 论

为了探明CRI系统处理农村生活污水时的脱氮机理，研究在实验室中构建了CRI系统模拟柱，通过模拟柱对取自四川某镇农户家的生活污水进行处理。结果表明，采用不同布水方式，CRI系统模拟驻对污水的处理效果有一定差异，其中布水方式1（每天布水4次，每次布水0.5 h，每次布水量为0.25 m3，每6 h布水一次）对氨氮的平均去除率为81.7%，对总氮的平均去除率为31.1%，硝态氮浓度比进水时增加了4.12倍；而布水方式2（每天布水1次，一次布水时间为2 h，每次布水量为1 m3，每24 h布水一次）对氨氮的平均去除率为64.0%，对总氮平均去除率为22.0%，硝态氮浓度比进水时增加约2.86倍；CRI系统脱氮机理主要包括硝化与反硝化作用、挥发作用和吸附作用3个方面，不同布水方式下NH3-N、NO3-N、TN等污染物质的迁移、转化、降解规律是一致的。

表2 运行方式1条件下模型柱沿程氨氮、硝态氮和TN浓度的变化（mg/L）

根据CRI系统的脱氮机理及规律，可通过调整CRI系统的池体结构、优化快速渗滤池的滤料组成及运行模式等途径提升CRI系统对含氮污染物的去除效果，以便进一步推动CRI技术在农村水环境保护工作中的应用。

[1] 王春燕. 人工土层快渗系统除污性能及氮去除机理研究[D]. 重庆：重庆大学，2009

[2] Wang L S，Hu H Y，Wang C. Effect of Ammonia nitrogen and dissolved Organic Matter fraction on the genotoxicity of waste water effluent during chlorine disinfection[J]. Environmental Science & Technology，2007，41：160-165.

[3] Jewett E B，Lopez C B，Dortch Q，et al. .National Assessment of Efforts to Predict and Respond to Harmful Algal Blooms in U. S. Waters Interim Report[R]. Washington DC：Interagency Working Group on Harmful Algal Blooms，2007.

[4] 周爱娇. 木炭曝气生物滤池的特性及效能研究[D]. 武汉：华中科技大学，2008.

[5] 李云祯，田庆华，高平平，等. 基于人工快渗土壤渗滤系统的成都市饮用水安全与健康防控研究[J]. 湖北农业科学，2015，54（16）：3911-3913.

[6] 周生贤. 中国拒绝开“宝马”喝污水的现代化[N]. 人民日报，2013-07-31（002）.

（责任编辑：成 平）

Simulating Test on Nitrogen Removal for Rural Domestic Sewage Based on Constructed Rapid Infiltration (CRI) System

LONG Quan，LI Yun-zhen，GAO Ping-ping，XU Lei，XU Wen-lai
（1. Sichuan Academy of Environmental Sciences, Chengdu 610041, PRC; 2. Faculty of Geoscience and Environmental Engineering of Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, PRC; 3. College of Environment and Civil Engineering of Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, PRC）

In order to find out the performance of constructed rapid infiltration system (CRI) to treatment with the rural sewage, the CRI system was constructed in the laboratory, and the rural domestic sewage was simulated by different water distribution methods. The results showed that the effect of CRI system on the treatment of sewage was different, but the migration, transformation and degradation of NH3-N, NO3-N, TN and other pollutants were consistent. The denitri fi cation mechanism of CRI system mainly includes three aspects: nitri fi cation and denitri fi cation, volatilization and adsorption. The removal effect of CRI system on nitrogen-containing pollutants can be improved by adjusting the structure of the CRI system, optimizing the fi lter composition and the mode of operation of the rapid in fi ltration tank.

constructed rapid in fi ltration system (CRI); rural sewage; nitrogen pollutants; degradation mechanism

X703

：A

：1006-060X（2017）07-0047-05

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.007.01411213

2017-04-12

四川省科技厅公益性科研院所基本科研项目（2013038—1）；四川省留学回国人员科技活动择优资助项目

龙 泉（1969-），男，四川成都市人，高级工程师，主要从事环境污染防治、规划与管理研究。

许文来