新型污水灌溉渠道的設(shè)計及除氮效果分析

李虹

摘要 針對用來灌溉的污水中氮元素含量過高的特點(diǎn)，通過對現(xiàn)有灌溉渠道的改造，設(shè)計了一種新型污水灌溉渠道。該設(shè)計利用土壤的滲透及干濕交替原理、氮元素運(yùn)移與轉(zhuǎn)化規(guī)律，通過硝化與反硝化反應(yīng)、沸石與土壤的吸附作用等原理來降低灌溉用污水中的氮含量。同時，為驗(yàn)證新型污水灌渠的凈化效率，進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：該設(shè)計渠道流量滿足灌溉需求，且對污水中氮含量的去除具有明顯效果，同時具有改造成本低、施工簡單方便的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 污水灌溉；新型污水灌渠；除氮；干濕交替

中圖分類號 S273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）04-0187-01

在我國北方干旱半干旱地區(qū)水資源日趨緊張的背景下，污水灌溉成為滿足土壤農(nóng)作物對水需求的一種可行方式，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，水資源越來越緊張，污水灌溉面積也在逐年增加[1]。然而，污水灌溉現(xiàn)在仍然存在很多的問題。城市生活污水處理率低，而灌溉前又缺少必要的污水處理措施，污水中氮元素嚴(yán)重超標(biāo)，導(dǎo)致長期利用污水灌溉的地區(qū)，其農(nóng)田土壤及地下水環(huán)境遭到破壞，農(nóng)業(yè)區(qū)地下水氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮超標(biāo)和有機(jī)污染日益嚴(yán)重[2]。

我國在污水灌溉效應(yīng)及技術(shù)研究方面也有一定的進(jìn)展，但是研究主要側(cè)重污水灌溉對作物與土壤的影響、污水灌溉機(jī)理、重金屬處理以及有害微生物的處理方面，且都是任由含高濃度氮元素的污水進(jìn)行灌溉，而對污水中氮的污染沒有引起高度重視。一方面，污水含有的過量氮元素?zé)o法全部被植物和土壤全部吸收，氮化物隨水流下滲后可直接污染地下水。另一方面，部分人片面地認(rèn)為氮元素可以增加作物產(chǎn)量無需處理，而實(shí)際上過量氮化物被植物吸收后反而造成植物瘋長、減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)等不利影響，同時也由此造成土壤pH值及其中微生物群落環(huán)境的失衡，嚴(yán)重不利于土壤環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。可見，用于灌溉的污水中過量氮元素的控制與去除已不容忽視，因此，設(shè)計了具有除氮作用的新型污水灌渠，以此來減輕污水灌溉的負(fù)面效應(yīng)，從而達(dá)到保護(hù)土壤與地下水的目的。

1 污水灌渠結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該污水灌渠斷面如圖1所示，分為進(jìn)水區(qū)、反應(yīng)區(qū)和出水區(qū)。其中用于分區(qū)的材料是一種特殊的生態(tài)袋無紡布[2]，其最大的特點(diǎn)為透水不透土的過濾功能。污水由進(jìn)水區(qū)進(jìn)入裝置，進(jìn)水區(qū)內(nèi)部放置一定量的沸石；反應(yīng)區(qū)由砂土、壤土和活性污泥按比例混合均勻分布，并添加少量活性炭等吸附力強(qiáng)的物質(zhì)，提供了微生物生存的環(huán)境條件和除污反應(yīng)物；出水區(qū)，承接由反應(yīng)區(qū)垂直滲出的水，輸出用于灌溉。反應(yīng)區(qū)上下層各鋪設(shè)0.1 m厚的秸稈投放區(qū)，補(bǔ)充除污微生物的碳源。

1.2 反應(yīng)原理

灌溉污水中過量的氮元素主要以大量的氨氮、少量的有機(jī)氮和硝態(tài)氮的形式存在。灌溉期污水中氨氮可以利用進(jìn)水區(qū)中的沸石以及反應(yīng)區(qū)中活性炭、土壤膠體的吸附作用吸附在反應(yīng)區(qū)內(nèi)部，待非灌溉期清洗再生沸石并對灌渠充分干燥通氣通過硝化反應(yīng)生成硝態(tài)氮；灌溉期滲透反應(yīng)層為飽和濕潤狀態(tài)，硝態(tài)氮的去除可以在反硝化細(xì)菌的作用下經(jīng)過反硝化反應(yīng)分解為氮?dú)鈁3]，反應(yīng)式具體如下所示：

2NO3-+10e-+12H+→N2+6H2O+能量 （1）

NH4++2O2→NO3-+2H++H2O （2）

1.3 工作流程

平原區(qū)斗渠長度500～1 000 m，控制面積13.3～40.0 hm2，此處取L=1 000 m，控制面積40 hm2。設(shè)計灌水率此處取1.5 L/（s·hm2），即40 hm2需要流量0.06 m3/s[4]。設(shè)計灌渠中水近似垂向滲流，水力坡降i=1，第3層厚度L2=1.7 m，滲透寬度b=4 m，則有：

A有效=4×1 000=4 000 m2

Q=KiA有效=0.08 m2/s

即水在反應(yīng)區(qū)中的滲流時間約為24 h，滲流流量為0.08 m2/s，滿足灌水需求。

水體中污染物的去除過程如圖2所示。

2 氮元素處理的實(shí)現(xiàn)

2.1 有機(jī)氮的去除

城市生活污水中含有少量的有機(jī)氮，一般情況下生活污水會在城市地下官網(wǎng)中流動較長時間，此時其中的有機(jī)氮大部分已被微生物所酸化。而剩余的少量有機(jī)氮會由滲透反應(yīng)區(qū)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，污水經(jīng)進(jìn)水區(qū)沸石吸附后僅有少量氨氮會進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，由于土壤帶負(fù)電，銨根離子帶正電，土壤對銨根離子有很強(qiáng)的吸附性，從而這部分氨氮可在反應(yīng)區(qū)由土壤吸附在內(nèi)部，不易流失。待灌溉結(jié)束后將反應(yīng)區(qū)土壤充分干燥通氣，由反應(yīng)式（2）可以看出，銨根離子在有氧環(huán)境下發(fā)生硝化反應(yīng)生成硝酸根離子，而反應(yīng)生成的硝酸根離子在下次灌溉時可去除。

2.3 硝態(tài)氮的去除

由反應(yīng)式（1）可知，去除硝態(tài)氮主要利用反硝化反應(yīng)。污水灌渠反應(yīng)區(qū)由沙土、壤土及活性污泥經(jīng)一定比例混合而成，利用污泥中含有的反硝化細(xì)菌進(jìn)行反硝化反應(yīng)[5]。碳源主要來自作物秸稈及土壤中的其他有機(jī)物；灌溉期時反應(yīng)區(qū)處于完全淹水狀態(tài)，可保證無氧環(huán)境。此外，由于上述反應(yīng)進(jìn)行速率較慢，所以應(yīng)合理的控制水流速度使反應(yīng)時間保證在24 h左右，進(jìn)一步來說，即使實(shí)際操作中達(dá)不到設(shè)計反應(yīng)時間，灌溉污水經(jīng)植物吸收及土壤的吸附凈化作用[6-7]，氮元素含量會進(jìn)一步減少，從而進(jìn)一步降低污水灌溉對地下水的污染[6-7]，除污效果如圖3所示。

3 結(jié)論及展望

（1）新型污水灌渠的設(shè)計是基于已有灌渠的改造，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，既充分利用了已有的灌溉設(shè)施，節(jié)約了土地面積，又可以進(jìn)一步解決污水灌溉對土壤、農(nóng)作和地下水帶來的負(fù)面影響。

（2）利用氮元素運(yùn)移與轉(zhuǎn)化規(guī)律，通過硝化與反硝化反應(yīng)、物理吸附作用等原理來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）我國單位耕地面積化肥、農(nóng)藥使用量近世界平均水平的3倍，大量化肥和農(nóng)藥通過土壤滲透和地表徑流等方式污染河流湖泊水及地下水，若此設(shè)計運(yùn)用于排水渠系和灌排兩用渠道之中，將為農(nóng)業(yè)面源污染的治理提供新的思路。然而，為保證一定的過水流量，需要適當(dāng)調(diào)整污水的預(yù)期處理效率，這將是未來值得研究的方向。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 劉潤堂，許建中.我國污水灌溉現(xiàn)狀、問題及其對策[J].中國水利，2002（10）：123-125.

[2] 吳昌永.A～2/O工藝脫氮除磷及其優(yōu)化控制的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[3] 楊金忠.污水灌溉系統(tǒng)中氮磷轉(zhuǎn)化運(yùn)移的試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)，2004（4）：1-8.

[4] 陳竹君，周建斌.污水灌溉在以色列農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，2001（6）：462-464.

[5] 張威，張旭東，何紅波，等.干濕交替條件下土壤氮素轉(zhuǎn)化及其影響研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)雜志，2010，29（4）：783-789.

[6] 姜翠玲.污水灌溉土壤及地下水三氮的變化動態(tài)分析[J].水科學(xué)進(jìn)展，1997（2）：183 -188 .

[7] 吳彩斌，雷恒毅，寧平.環(huán)境學(xué)概論[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2005.