碳氮比对污水渗滤系统脱氮及N2O释放的影响

宋承武， 李英华， 肖斯瑶， 李海波， 张宏力， 高 薇

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110004； 2.鞍钢股份有限公司炼焦总厂，辽宁鞍山 114021)

N2O是一种强温室气体，1 mol N2O的增温效果是CO2的150～200倍，是CH4的4～21倍[1]。N2O在空气中的平均寿命为150年，存留时间较长[2]。空气中90%以上的N2O来自地球表面的生物源，其中土壤是大气中N2O的重要来源[3]。

污水地下渗滤系统(subsurface wastewater infiltration system，SWIS)是一种基于生态学原理的分散污水土壤处理技术，具有出水水质稳定、管理简单、运行费用低、装置位于地下不破坏景观、无臭味等优点，近年来已成为国内外的研究热点[4-9]。目前，关于SWIS释放N2O的机理还没有定论。N2O主要在以下2种生物化学过程中产生[10]：(1)硝化过程：N作为电子受体，由NH4+-N转化为NO2-、NO3-的过程，N2O作为反应副产物产生；(2)反硝化过程：NO3--N转化为N2的过程，N2O作为中间产物产生。因此，N2O的释放是SWIS在硝化与反硝化过程协同作用下完成的，其排放速率等于硝化和反硝化反应过程中N2O排放速率之和。N2O产生机理如图1所示[11-12]。

Kong等对比了中国和日本的污水水质条件下SWIS释放N2O规律的差异，并通过原位试验研究了氧化还原电位对N2O产生的影响，研究结果表明：在日本，N2O的释放量为 8.2～12.2 g/m3，而在中国该值为3.3～5.0 g/m3；氧化还原电位在+200 mV以上时，好氧状态下N2O的释放量比厌氧情况下减少50%以上[13]。进水碳氮比(carbon-nitrogen ratio，CNR)是影响SWIS脱氮效果的重要因素，一方面生物反硝化过程需要有机碳源提供电子供体，另一方面，随着碳氮比的增加，生物质以及碳水化合物含量都相应增加，导致土壤的导水率下降，进而抑制硝化作用的进行。Kong等研究表明，提高进水CNR，将有利于SWIS反硝化作用进行，促进N2O的释放[13]。相反，Wu等发现：在湿地系统中，当CNR为5时，N2O释放量最低[14]。可见，CNR与N2O释放规律的相关性还没有明确的结论。本研究以SWIS模拟试验为主要研究手段，结合进出水水质情况，探明CNR对N2O释放量和转化率的影响规律，旨在为进一步优化SWIS运行参数提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置采用4组完全相同的地下渗滤系统模拟装置，每组装置由3部分组成，分别是采气系统、散水系统、集水系统。装置主体为内径29 cm、高130 cm的有机玻璃柱，由上、中、下3部分组成(图2)。采气系统由集气罩和水封装置组成，集气罩为内径略大于装置主体直径的有机玻璃圆柱，集气罩一旁设有采气孔，水封装置位于装置主体顶端，形状为一个环形槽，槽内装有自来水。

模拟系统所用基质为碎石、细沙、炉渣、污泥(取自污水处理厂)、农田土。基质经过预处理，将细沙、炉渣、农田土中的大块石子去除。基质填充从下往上依次为碎石、细沙、混合基质层、生物基质层、农田土层。最底层碎石与细沙厚度为 5 cm；混合基质层为细沙，炉渣与农田土按照1 ∶2 ∶7比例混合而成，铺设厚度为45 cm；生物基质层为生物污泥、炉渣，农田土按照1 ∶2 ∶7的比例混合而成，铺设厚度为15 cm；农田土铺设厚度为20 cm。布水管位于表层土下35 cm处。模拟系统进水为人工配制不同CNR污水。

1.2 方法

1.2.1 进水水质 由葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾、亚硝酸钠、硝酸钾按一定比例配制成CNR为4、6、8、10的生活污水。人工配制的污水中，保持葡萄糖、磷酸二氢钾、亚硝酸钠、硝酸钾的浓度不变，改变氯化铵的浓度。主要进水水质指标分别为：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，亚硝氮含量(0.5±0.1)mg/L，总磷含量(3.0±0.4)mg/L。

1.2.2 试验方法 干湿交替运行SWIS，控制落干与布水时间为12 h ∶12 h，即控制干湿比为1 ∶1，保持水力负荷为 0.100 m3/(m2·d)。分别在09：00、10：00、13：00、14：00、16：00、17：00、20：00、21：00共8个时间点进行取样。其中10：00—13：00、14：00—16：00、17：00—20：00为复氧阶段，便于SWIS与大气进行气体交换，09：00—10：00、13：00—14：00、16：00—17：00、20：00—21：00各时间点N2O浓度之差与时间的比值作为10：00、14：00、17：00、21：00这4个时间点的瞬时N2O产率。气体样品采集使用带针头的注射器、三通阀、软管与气袋，利用注射器从装置的集气系统采气孔中取出气体，转移到真空的气袋中，整个取气过程严格密封。

1.3 分析方法

试验期间，7 d为1个采样周期。在改变CNR之前落干2 d，然后以干湿比1 ∶1运行4 d，第7天采集气体样品，采集气体过程中同时检测出水水质，采用国标方法[15]检测水质指标；采用美国Agilent7890B气相色谱仪分析测定N2O浓度。

1.4 计算方法

N2O产率(单位时间单位面积N2O的产生量)计算方法：

(1)

(2)

式中：C表示气体样品中N2O的浓度，mg/m3；T表示气体样品温度，℃；CV表示气体样品中N2O的体积分数，μL/L；V表示集气系统的体积，m3；Δt表示集气系统密闭时间，h；ΔC表示Δt时间内及其系统中N2O浓度变化，mg/m3；A表示集气系统的占地面积，m2；H表示集气系统的高度，m；C1、C2分别表示采气装置密封前后N2O浓度。

N2O气体转化率(N2O产生量占进水TN的比例)计算方法如下：

(3)

式中：ω表示N2O转化率，%；m1表示1 h内N2O产生量，mg；m2表示集气1 h内进水中总氮的量，mg。

2 结果与分析

2.1 碳氮比对SWIS脱氮效果的影响

SWIS在不同CNR条件下对NH4+-N的去除率如图3所示。

NH4+-N的去除主要是通过硝化作用将NH4+-N转化为NO3--N以及土壤的吸附作用[16-17]。由于土壤颗粒带有负电荷，NH4+-N很容易被吸附，土壤微生物通过硝化作用，将NH4+-N转化为NO3--N。由图3可见，SWIS对 NH4+-N 的去除率非常高(>92.14%)。SWIS对NH4+-N去除过程中，进水初期与落干初期(≤1 h)去除率相对较低，可能是由于水力负荷的突然改变，打破了系统的平衡状态，导致系统对NH4+-N的去除率下降。但随着进水与落干的进行(>1 h)，系统对NH4+-N的去除率有所提高。当CNR=4时，NH4+-N的去除效果最好，此时进水中氮源充足，系统中硝化作用进行的比较充分，对NH4+-N的去除率较高。总体趋势是随着CNR的增加，NH4+-N去除率降低，可能是由于随着进水中含碳有机物的增多，促进了异养菌的生长，同时自养型硝化菌的生长受到抑制，使得氨氮的去除率略有下降[18]。陈庆昌等研究发现，碳氮比越大，人工湿地系统对NH4+-N的去除效果越差[19]，本研究结论与之基本一致。

TN的去除主要通过氨化、硝化及反硝化反应。SWIS对TN的去除效果如图4所示。

从图4可以看出，SWIS对污水的TN去除效果明显，最高去除率出现在CNR=4时(99.25%)；而当CNR=10时，SWIS对TN的去除率最低。当系统由落干期过渡到进水期时，由于原水中90%～95%的TN组成为铵态氮形式，因此TN的脱除规律与NH4+-N的脱除规律一致，总体趋势是随着CNR的增加，SWIS对TN的去除率下降，但仍保持较高的去除率。

SWIS具有较强的抗负荷冲击能力。即使NH4+-N和TN的去除率随CNR有所波动，但出水浓度均低于GB/T 18921—2002《城市污水再生利用-景观环境用水水质》规定的标准(表1)。

表1 出水中NH4+-N与TN浓度

2.2 碳氮比对N2O产率的影响

在检测进出水水质同时采集气体，分析N2O浓度，利用公式(1)、公式(2)计算N2O产率，结果如图5所示。

当CNR=6时，N2O的产率远大于其他3个组。此时，系统脱除总氮的效果也较好，进一步验证了N2O的产生是硝化与反硝化同时作用的结论。当CNR>6时，随着CNR的提高，N2O的产率呈下降趋势。研究表明，当进水氨氮负荷较高，系统CNR较小时，将增加系统中N2O的释放速率[17]。但CNR过低则会影响反硝化率，导致反硝化不充分，影响N2O的释放。从图6可以看出，在N2O产率最高时(CNR=6)，SWIS从进水期过渡到落干期时，N2O产生速率明显加快。当系统处于进水期时，随着系统的运行，下层土壤逐渐处于饱和状态，土壤中的氧气含量逐渐减少，N2成为反硝化作用的主要产物，因此抑制了中间产物N2O的排放；当系统处于落干期时，土壤大部分处于好氧状态，有利于硝化作用的发生，释放出最终气体产物N2O，所以N2O的产率明显提高。

2.3 CNR对N2O转化率的影响

本研究中，装置密闭采气时间间隔为1 h，因此以进水期1 h内产生的N2O量来计算气体的转化率(图6)。

从图6可以看出，N2O的产率与转化率随着CNR的变化基本呈相同的变化趋势。在系统进水期，CNR=8时，N2O的产率最高，但N2O转化率低于CNR为10时的转化率。这是因为在CNR=8时，系统对总氮的去除效果较好，导致气体转化率较低。最低的气体转化率出现在CNR=4时，可能是碳源相对不足，抑制了N2O的生成，导致转化率较低。在进水初期(<4 h)，气体转化率比较高，但随着系统的运行，转化率降低，可能是由于土壤中氧气含量减少，抑制了N2O的生成。总体而言，随着CNR的增加，N2O转化率呈上升趋势，最高达(0.41±0.08)%。综合考虑系统脱氮效果与N2O产率与转化率，建议SWIS进水CNR区间为4～6。

3 结论

本研究结果表明，CNR影响SWIS对NH4+-N和TN的去除率。随着CNR的增加，NH4+-N及TN的去除率分别从(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浓度均满足城市污水再生利用-景观环境用水水质标准。随着CNR的增加，N2O产生量呈下降趋势。当CNR为6时，落干期的产率明显提高，达到(2.89±0.30)mg/(m2·h)。

随着CNR的增加，N2O转化率呈上升趋势。当CNR从4增加到10时，转化率从(0.14±0.04)%增加到(0.41±0.08)%。同时，进水初期(<4 h)N2O转化率大于进水后期(>4 h)。

综合考虑SWIS的脱氮效果及N2O的产率和转化率，建议在工程应用中，SWIS的进水CNR区间为4～6。

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