不同补水方式下砂壤土渗滤系统对硝态氮去除效果潘维艳

第33卷第8期农业工程学报Vol.33No.82017年4月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringApr.2017197不同补水方式下砂壤土渗滤系统对硝态氮去除效果潘维艳1,2，黄权中1,2※，张子元2，普薇如2，黄冠华1,2（1.中国农业大学中国农业水问题研究中心，北京100083；2.中国-以色列国际农业研究培训中心，北京100083）摘要：在水资源短缺的北京地区利用再生水回补城市河湖，一方面对于水资源的可持续利用有着十分重要的作用，另一方面也可能带来地下水环境的潜在污染风险。该文采用100cm砂壤土柱模拟（河湖岸底）土地渗滤系统，设置定水头淹水、交替淹水落干、定流速补水和侧向补水4种不同再生水回补方式，研究再生水中硝态氮（NO3-N）在土地渗滤系统中的去除效果和迁移转化规律。结果表明，当水力负荷在0.25～2.65cm/d范围内时，渗滤系统对NO3-N的去除率随着水力负荷的增大而减小；侧向补水方式下渗滤系统对NO3-N的去除效果昀优，平均去除率高达96.1%。在定水头淹水和侧向补水方式下，系统对NO3-N的去除主要发生在土柱的上部，而交替淹水落干和定流速补水条件下，土柱中下部对NO3-N也有一定的去除作用。渗滤系统对NO3-N的去除主要取决于系统内部微生物的分布情况，土层中的反硝化细菌数量越大，该土层对NO3-N的去除率就越高。当水温在15～32℃范围内变化时，定水头淹水和交替淹水落干补水方式下，系统对NO3-N的去除率与温度分别呈指数和幂函数关系。该研究表明土地渗滤系统可实现再生水的进一步净化处理，可为再生水安全回补河湖提供参考。关键词：温度；反硝化；水力；再生水；砂壤土；渗滤系统；NO3-N；反硝化细菌doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.027中图分类号：X52文献标志码：A文章编号：1002-6819(2017)-08-0197-07潘维艳，黄权中，张子元，普薇如，黄冠华.不同补水方式下砂壤土渗滤系统对硝态氮去除效果[J].农业工程学报，2017，33(8)：197－203.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.027[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2017,33(8):197－203.(inChinesewithEnglishabstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.027引言由于经济的快速发展和人口的不断增长，水资源供需矛盾日益突出，再生水回用已成为中国北方诸多大中城市解决水资源短缺的手段之一。补充干涸河湖，保证河道生态环境，改善河湖景观已成为城市再生水回用的重要方面[1-2]。与淡水资源相比，再生水中氮、磷、盐和有机物等浓度较高，因此再生水回用对地表与地下水环境仍存在潜在污染风险[3-4]。再生水回补河湖后，河湖岸底的土层可作为一个有效的土地渗滤系统，对再生水起到进一步净化的作用[5]。再生水中的污染物在土地渗滤系统中可发生多种物理、化学和生物反应，从而得到部分去除。土地渗滤系统的处理效率受诸多因素影响，包括氧化还原条件、水力条件、温度、水质等[6-8]。其中，非饱和带中的氧气对改善好氧生物降解过程至关重要[9]，如Bertelkamp等[10]研究发现氧化还原条件对有机物的降解过程和去除效果具有显著影响。而饱和带由于长期处于淹水状态，溶解氧浓度低，反硝化作用增强，因而硝态收稿日期：2016-12-04修订日期：2017-04-22基金项目：国家自然科学基金项目（51079149,51639009）作者简介：潘维艳，女，主要从事水环境治理与保护方面研究。北京中国-以色列国际农业研究培训中心，100083。Email：[e-mail]※通信作者：黄权中，男，副教授，主要从事溶质运移模型及污染迁移转化模型究。北京中国农业大学中国农业水问题研究中心，100083。Email：[e-mail]氮的去除效率较高[11-12]。水力负荷是指通过单位面积土壤基质污水的流量，是影响渗滤系统出水效果的重要因素之一。一般情况下，水力负荷越小，水分停留时间越长，污染物的去除效果越好[13-14]。渗滤系统中氮素的去除主要有物理吸附、生物转化和化学反应等，而反硝化作用主要是由反硝化菌将氮昀终转化为N2和N2O而散失，因此渗滤系统内部微生物的数量和活性是影响氮素去除的关键[15-16]。渗滤系统表层或饱和非饱和界面处有机物和溶解氧丰富，是微生物菌群集中的区域[17]，而渗滤系统内部微生物群落的分布则会随着系统进水所携带的溶解氧、NO3−、有机质等电子受体和供体浓度的改变而变化[18]。此外，土壤质地也是影响渗滤系统净化效率的因素之一，粘性土不易透水而砂土渗透性虽强但对污染物去除效果差，因此渗滤系统多选用砂壤土、壤砂土、细砂等作为渗滤介质[8]。尽管国内外在土地渗滤系统对再生水中污染物的去除效果和机制方面已开展大量研究，但对于不同补水方式下渗滤系统对污染物去除的研究还不多见，对长期运行的渗滤系统中污染物去除效果的研究也较少。因此，本文采用室内土柱模拟试验，探讨不同的补水方式下（河湖岸底）土地渗滤系统对硝态氮的去除效果及其影响因素。1材料与方法1.1试验装置与材料试验装置如图1所示，包括供水系统和渗滤系统2部分，供水系统由储水桶、蠕动泵和马氏瓶组成，渗滤农业工程学报（）2017年198系统由土柱、取样孔和集水瓶组成。土柱采用直径20cm，高120cm的有机玻璃柱。沿土柱高设置分层取样孔（分别在距土体表面以下20、40、50、60、70、90、100cm处），并连接集水瓶采集水样。试验土柱采用自上而下的供水方式。首先利用蠕动泵将储水桶中的再生水补充到马氏瓶中，然后通过马氏瓶设置不同的补水方式对土柱进行供水。试验设置4组处理，分别记为C1、C2、C3和C4，各处理的补水方式见表1。试验期间，室温变化范围为15～32℃。为避免光降解作用，抑制蓝藻生长，供水系统和渗滤系统进行遮光处理。图1试验装置图Fig.1Schematicdiagramofexperimentalsetup表1补水方式设置Table1Designofwatersupply处理Treatments补水方式WatersupplyC1定水头淹水，淹水水头8cmC2交替淹水落干，2d淹水/5d落干C3定流速补水，设计流速0.25cm·d–1C4侧向补水，距土表以下40cm处1.2供试水样及土样试验所选用的再生水取自北京市清河再生水处理厂，水质分析指标包括NO3-N、NH4-N、TN、溶解氧、BOD5和COD，平均质量浓度分别为15.3、0.4、17.9、7.2、4.7和25.9mg/L，再生水pH值为7.9。其中NO3-N质量含量占总氮（TN）质量分数的79%～91%，NH4-N质量含量只占TN质量分数的1.5%～2.5%。TN中其他组分主要为NO2-N和有机氮，占TN质量分数的5%～18%。由于NO3-N在再生水中质量含量较高，且是地下水潜在污染风险的主要目标污染物质，因此本文后面的研究中主要讨论渗滤系统对NO3-N的去除效果。试验土壤取自野外试验田，将从野外取回的土壤样品进行风干，粉碎，过2mm筛备用。土壤为砂壤土，干容重为1.55g/cm3，土样中总氮、硝态氮、铵态氮和有机质的质量分数分别为0.77、0.64、0.02和6.17g/kg。1.3土柱填装将过2mm筛的风干土壤样品进行润湿，使水分重新分布，以获得均匀的初始含水率。然后将土壤按干容重1.55g/cm3分层填装土柱，每2cm填装一层，层间打毛，并夯实，填装深度为100cm。在土柱上部留出淹水水头空间，在土柱底部装以2cm厚的砾石层，以便于排水。在填装过程中特别注意要将土柱壁边缘的土壤压实，尽量避免边缘效应的产生。1.4试验过程土柱填装完后，首先进行土柱的排气和清洗工作，具体操作为：将马氏瓶装满蒸馏水，与土柱底部相连，自下而上供水，并缓慢抬高马氏瓶，直至土柱上部有水溢出，排气完成。然后将马氏瓶与土柱顶部相连，改为自上而下供水，对土柱进行清洗，土柱底层出水中NO3-N和NH4-N浓度3周后达到检测下限，此时完成清洗。第8期潘维艳等：不同补水方式下砂壤土渗滤系统对硝态氮去除效果199随后将马氏瓶内蒸馏水换为再生水，各土柱按表1的补水方式正式开始试验。试验起止时间为2011-09-02—2014-07-25，每1～2周采集1次水样。试验过程中，对水温和各土柱的渗透速率进行了测定。其中，4组土柱的水力负荷分别为2.65（C1）、0.74（C2）、0.41（C3）和0.25cm/d（C4）。水样中NO3-N采用酚二磺酸分光光度法（GB7480-1987）[19]测定。试验末期采集土柱不同深度处的土样，采用昀大可能数法[20]测定土壤中的反硝化细菌数量。1.5数据处理试验数据采用SPSS18.0软件进行差异性分析和相关性分析。2结果与分析2.1底层出水NO3-N质量浓度与NO3-N去除率4种不同补水方式下，渗滤系统底层出水中NO3-N质量浓度以及系统对NO3-N去除率随时间的变化如图2所示。由图2a知，试验期间，进水中的NO3-N质量浓度变化范围为13.0～16.8mg/L。在相同的进水水质，不同的补水方式下，各渗滤系统底层出水中的NO3-N质量浓度随时间呈不同的变化趋势。定水头淹水（C1）方式下，底层出水中的NO3-N质量浓度和去除率均呈明显的周期性波动（图2a和图2b），试验期间底层出水中NO3-N质量浓度的变化范围为0.5～15.0mg/L，渗滤系统对NO3-N的去除率为5%～99%。NO3-N质量浓度变化具有明显的年内变化特征，昀低值出现在试验的第316~375和677~751天（即2012、2013年的6月到9月），该时段内NO3-N去除率均在60%以上。在交替淹水落干（C2）方式下，底层出水中的NO3-N质量浓度变化范围为0.14～9.1mg/L，系统对NO3-N的去除率为41%～99%。C2底层出水中NO3-N浓度的变化规律与C1相似，但其浓度值要显著低于C1底层出水（P0.05）。在定流速补水（C3）和侧向补水（C4）方式下，底层出水中的NO3-N质量浓度一直保持较低水平，变化范围分别为0～3.6和0～2.7mg/L，且随时间没有明显波动；系统对NO3-N的平均去除率分别为94.1%和96.1%。可见，不同补水方式下各系统底层出水NO3-N质量浓度差异明显。其中，C2、C3和C4系统底层出水NO3-N质量浓度值均小于10mg/L，满足中国饮用水水质标准。不同补水条件下，各渗滤系统的水力负荷不同。根据不同水力负荷下各系统中NO3-N的平均去除率情况可发现，当水力负荷从2.65下降到0.25cm/d时，系统对NO3-N的平均去除率从53.4%增加到96.1%。而且当水力负荷小于0.8cm/d时，渗滤系统对NO3-N的平均去除率均高达75%以上。2.2不同温度下NO3-N的去除效果在定流速补水和侧向补水条件下，系统对NO3-N的去除率均在90%～99%之间，水温与NO3-N去除率之间无明显相关关系（P=0.1，P=0.23），表明2组渗滤系统中NO3-N的去除受温度影响不明显。为探讨温度对定水头淹水和交替淹水落干系