生物基质对煤渣改良地下渗滤系统脱氮效果的影响*

周子琳 严 群 丁 越 蔡若宇 温慧凯 罗 芸

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000；2.江西理工大学赣江流域水质安全保障工程技术研究中心，江西 赣州 341000)

地下渗滤系统(SWIS)作为土地处理系统的一种，除具有一般土地处理系统的优点外，还具有保温、节省土地、美化环境、不易出现蚊蝇滋生和水体发臭现象等优点[1]。但由于SWIS整体位于地下，对系统内的氧化还原环境调控不灵活，导致脱氮效果不理想[2-3]。填料是SWIS的最基本组成单元，对系统的氧化还原环境有重要影响，因此许多学者对SWIS的填料改良进行了研究，以期增强SWIS的脱氮能力[4]。

煤渣具有渗透性强、孔隙率高、复氧能力好等特点[5]，常被用作SWIS的改良填料。另有研究表明，在SWIS基质中适量添加有机碳源可进一步提高脱氮效果[6]。为研究有机碳源的添加对煤渣改良SWIS脱氮效果的影响，本研究选用生物基质作为有机碳源，分析生物基质添加与否的沿程氮素、硝化和反硝化作用强度及氮还原酶活性差异，以期为SWIS的改良提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 实验设计

实验所用土壤取自江西某大学校园内，砂取自江西某大学施工场地，煤渣取自江西某热电厂，干化污泥取自江西某污水处理厂。由干化污泥与煤渣按1∶20体积比混合配制成生物基质[7-8]。实验装置采用直径20 cm、高100 cm的有机玻璃制成，在侧壁距顶部20、40、60、80 cm处设有孔径1 cm的取样口。两个装置的填料设计如表1所示。

表1 填料设计

实验原水用葡萄糖、硫酸铵、磷酸二氢钾和少量的豆奶粉人工配制，基本水质指标如表2所示。

表2 基本水质指标

装置运行采用恒流泵控制连续进水，实验装置中的水力负荷为15 cm3/(m2·d)。出水氨氮浓度达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B标准且持续稳定1周以上，可认为启动完成。启动完成后进行采样、测定、研究。

1.2 分析方法

TP、TN、氨氮、硝态氮、亚硝态氮、COD的测定方法参考文献[9]。硝化与反硝化作用强度测定方法参考文献[10]。硝酸盐还原酶(NAR)活性及亚硝酸盐还原酶(NIR)活性测定方法参考文献[11]。

2 结果与讨论

2.1 氮素沿程变化规律

农村生活污水中有机氮和氨氮占TN的主要部分[12]，而有机氮可以在氨化菌的作用下转化为氨氮，因此其归趋还是氨氮。两装置的进水氨氮、TN平均质量浓度分别控制为50.23、65.37 mg/L，氮素沿程变化见图1。

由图1可知，1#装置、2#装置80 cm处出水氨氮质量浓度分别为5.24、4.70 mg/L，80 cm处出水TN质量浓度分别为29.81、25.32 mg/L，则1#装置、2#装置氨氮去除率分别为89.57%、90.64%， TN去除率分别为54.40%、61.27%。两装置出水硝态氮浓度均随深度递增至60 cm后开始降低，而氨氮在20～60 cm段也得到了大部分去除，表明硝化反应主要发生在20～60 cm段[13]。由于SWIS的隐蔽性[14]，装置内氧含量会随深度的增加而减少，逐渐形成缺氧环境，反硝化反应将逐步变为主要反应，与60 cm处相比，80 cm段处硝态氮开始减少，所以60～80 cm段主要反应为反硝化反应，且TN去除率2#装置>1#装置，说明2#装置反硝化作用强于1#装置。

图1 氮素沿程变化规律Fig.1 Nitrogen variation pattern along the process

2#装置的TN去除率比1#装置高6.87百分点，这是因为2#装置在60～80 cm段主要填料为生物基质，生物基质富含有机质，能为反硝化反应补充碳源，使反硝化作用进一步增强，因此TN脱除能力更强。

2.2 硝化与反硝化作用强度沿程变化规律

由2.1节已知，硝化反应主要发生在20～60 cm段，反硝化反应主要发生在60～80 cm段，不同深度的硝化与反硝化作用强度变化见图2。

由图2(a)可知，硝化作用强度随深度增加而递减，其中1#装置由20 cm处的1.26 mg/(kg·h)降至80 cm处的0.78 mg/(kg·h)，2#装置由20 cm处的1.20 mg/(kg·h)降至80 cm处的0.65 mg/(kg·h)。硝化反应是一个耗氧过程，煤渣比生物基质孔隙率更高，吸附性能更强，可保留更多的氧气，1#装置在60～80 cm段因为未添加生物基质，所以1#装置在60～80 cm段的硝化作用强度比2#装置高。

由图2(b)可知，反硝化作用强度随深度增加而递增，其中1#装置由20 cm处的0.32 mg/(kg·h)升至80 cm处的0.85 mg/(kg·h)，2#装置由20 cm处的0.31 mg/(kg·h)升至80 cm处的1.05 mg/(kg·h)。2#装置在60～80 cm段的反硝化作用强度明显高于1#装置。

图2 硝化与反硝化作用强度沿程变化规律Fig.2 Nitrification and denitrification intensities variations pattern along the process

2.3 氮还原酶活性沿程变化规律

NAR和NIR两种氮还原酶活性测定结果如表3所示。

表3 NAR和NIR活性沿程变化规律

NAR活性随深度的增加而逐渐减弱，这与ZHANG等[15]的研究结果相似。NAR活性与硝化作用强度呈正相关，氧含量随深度逐渐减少，致使硝化作用强度随深度增加而递减，因此NAR活性表现为随深度的增加而逐渐减弱。

NIR活性随深度的增加先减弱后又增强，且2#装置的NIR活性大于1#装置。有研究解释，NAR和 NIR的催化反应是一个相继进行的过程，NAR 酶促反应的产物是亚硝态氮[16]，2#装置亚硝态氮浓度高于1#装置，所以1#装置与2#装置的NIR活性差异可能是亚硝态氮含量不同所导致的。

3 结 论

(1) 本研究的SWIS装置硝化反应主要发生在20～60 cm段，反硝化反应主要发生在60～80 cm段。2#装置由于在60～80 cm段增加了生物基质，其反硝化作用强于1#装置，因此TN去除率2#装置>1#装置。

(2) 硝化作用强度随深度增加而递减，反硝化作用强度随深度增加而递增。在60～80 cm段，1#装置的硝化作用强度比2#装置高，2#装置的反硝化作用强度比1#装置高。

(3) NAR活性与硝化作用强度呈正相关，随深度的增加而逐渐减弱；NIR活性随深度的增加先减弱后又增强，且2#装置的NIR活性大于1#装置。

(4) 在SWIS中添加适量的干化污泥作为生物基质可为反硝化作用补充碳源，增强脱氮能力。