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摘要：采用海砂、校园土混合作为快滤介质构建人工土快滤系统用以处理生活污水，考察快滤系统对污染物特别是氮素的去除效果，并进一步优化设计快滤池结构，提高系统对总氮的去除效率。结果表明，系统具有良好的有机物、氨氮处理效果，去除率分别达到78%、92%，但总氮去除效率不理想，仅有33.4%；有机物和氨氮的去除主要发生在系统上部40 cm土层中，总氮的去除和反硝化作用主要发生在系统下部60 cm土层中；土层下部设置长度为30 cm的饱水带人为增加了缺氧段长度，促进反硝化菌生长，使系统TN去除效率提高到64.8%。
关键词：人工土快滤；砂土混合物；饱水带；总氮；去除率
中图分类号：X799.3文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）08-0098-04
AbstractA constructed rapid infiltration （CRI） was developed to treat municipal wastewater with the mixture of sea sand and campus soil. The tests were conducted to investigate its pollutants’ removal effects， especially nitrogen. The reactor structure was also optimized to enhance the total nitrogen removal. The results showed that CRI exhibited better removal effects on organic compound and ammonia nitrogen with the removal efficiency as 78% and 92% respectively； but the total nitrogen removal efficiency was only 33.4%； the COD and NH+4-N removal were mainly focused on the upper 40-cm layer， whereas the total nitrogen removal and denitrification occured on the lower 60-cm layer of infiltration medium. Furthermore， the saturated zone with 30 cm in length was set up to artificially increase the anoxic zone and enhance the activity of denitrifying bacteria， which could made the removal efficiency of total nitrogen reach 64.8%.
KeywordsConstructed rapid infiltration； Mixture of sand and soil； Saturated zone； Total nitrogen； Removal efficiency
人工土快滤系统（constructed rapid infiltration，CRI）是在传统的污水土地处理技术基础上发展起来的一种污水处理系统，采用渗透性能较好的材料作为渗滤介质，具有水力负荷较高、投资少、操作管理较方便、能耗较低的特点[1-3]。尽管普通的CRI系统对有机物、氨氮等去除效果较好，但受淹水期时间不能过长的影响，反硝化作用并不显著，对硝态氮、总氮去除效果不理想[4，5]，难以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级标准。
本试验将海砂、校园土等介质混合作为快滤介质构建人工土快滤系统，用以处理校园生活污水。在保证CRI系统有效去除有机物和氨氮效果的基础上，分析氮素的转化规律，改造池体，调整运行方式，以期提高系统对总氮的去除效率，为CRI技术的推广、工程设计、实际应用提供试验依据。
1材料与方法
1.1试验装置流程
试验装置如图1所示，其中人工土床为有机玻璃圆柱，内径10 cm。玻璃柱上部装填高度为100 cm砂土混合物，底部装填10 cm厚的卵石层。高位水箱中原水因重力作用进入平衡水箱，平衡水箱利用浮球阀控制快滤系统水位，试验过程中保持土层上方淹水高度为5 cm，进水管道上加装电磁阀以控制淹水时间。反应器底部计量泵抽吸出水，出水流速为0.65 L/h，从而确保整个装置淹水期水力负荷为8.25 cm/h。系统运行淹没时间、落干时间分别为8、24 h，即湿干时间比为1∶3，水力负荷相应为0.5 m/d。电磁阀、计量泵由2个时间继电器分别控制，使该人工土快滤系统能够实现进水—落干交替循环的工作方式。
快滤系统进出水总氮、出水硝态氮、亚硝态氮浓度变化情况如图3所示。人工土床进水TN（即氨氮，因氯化铵为进水中唯一氮源）平均浓度为39.5 mg/L，出水NO-2-N、NO-3-N和TN平均浓度分别为0.6、16.3 mg/L和26.3 mg/L，系统所去除的氨氮有46%以上经硝化作用转化为硝态氮，总氮去除率为33.4%。与相同运行条件的处理层高度为40 cm的快滤系统效果相比[6]，系统出水TN浓度有一定的下降，处理效果有所增强，这主要是因为滤床高度的增加提高了系统微生物数量、对污染物的吸附能力和污水水力停留时间，但出水TN浓度并不符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级标准要求[9]。快滤系统采用短周期干湿交替运行方式，良好的复氧条件使得硝化作用较为彻底，氨氮去除效率高，但同时减少了反硝化菌的生存空间，使淹水期反硝化作用和总氮去除效率不理想。分析认为：如果进一步提高滤床高度，TN去除效果应该会有所提高，但是土层厚度的增加会影响快滤系统经济成本。此外，高土床系统容易发生堵塞，对落干期土层的复氧和维持一定的水力负荷都有不利影响。因此，增加土层厚度并不是一个非常理想的方法，应该从其他方面改善运行条件来提高处理效果。 2.2快滤系统不同深度水质情况
为了考察污水流经土层不同高度对污染物的去除情况并分析其在快滤系统的转化规律，进而改进运行条件来提高TN去除效率，试验测定了系统不同高度水质情况。系统稳定运行18 d后，在快滤系统处理层不同深度4个取水口处每周取水1次，分析COD、NH+4-N、NO-3-N、TN的浓度，同一取水口污染物浓度取平均值，试验结果如图4所示。试验并未测出水NO-2-N浓度，因其浓度较低，对TN影响不大。
可以看出，COD与氨氮转化规律类似，浓度随着土层厚度的增加而减小。进水COD、氨氮浓度分别为256.0、42.0 mg/L，在40 cm处测得分别降到59.0、4.8 mg/L，浓度基本达标，去除率分别达到77%、88%，去除率占装置总去除率的98%和92%。装置底部60 cm土层对COD、氨氮的去除并不明显，去除效率仅占总去除率的2%和8%。因此，COD和氨氮的去除主要发生在上部40 cm人工土层中，底部土层对上述污染物的去除几乎没有贡献。分析其原因可能为落干期上部土层首先接触到空气，下部达到通透和复氧有一定的延时和衰减，致使上层获得的氧气量和附着的好氧微生物均比下层要多，在上部土层中有机物氧化分解和硝化作用进行的较为彻底。如果仅仅从COD、氨氮处理角度出发，本系统采用40 cm后的人工砂土混合物就可以满足对废水的处理要求。
NO-3-N浓度随土层厚度的增加，呈现先上升后下降的趋势。在上层40 cm土柱中，NO-3-N浓度上升到24.5 mg/L，反硝化作用较弱。其下层60 cm土柱中，NO-3-N浓度持续降低，100 cm处NO-3-N浓度为15.7 mg/L。受NO-3-N浓度降低的影响，TN在系统下层去除效率要高于上层，从40 cm处的38.8 mg/L下降到100 cm处的26.8 mg/L，该部分去除率为31%，占系统总去除率的85%。这主要是由于随着土层深度的增加氧气浓度逐渐衰减，附着的厌氧微生物数量要比上层多，反硝化菌活性增强，部分硝态氮通过反硝化作用转化为氮气而被去除。但整个淹水期系统内部反硝化作用并不显著，NO-3-N、TN出水浓度不符合水质标准要求。分析其原因，与一个周期落干时间为24 h相比，快滤系统运行淹没时间仅为8 h，土层内部缺氧环境存在时间较短，而反硝化作用主要依靠淹水期形成的缺氧或者厌氧环境来完成，因此反硝化作用和硝态氮去除并不充分。基于以上结果，考虑在土床最下面30 cm设立专门的饱水带，人为地制造一个缺氧环境，提高下层反硝化菌的数量和活性，目的是在保证COD和氨氮去除效率的同时，提高TN的去除效果[5]。
2.3人工土床设立饱水带对污水处理效果
人工土快滤系统采用进水—落干交替循环的工作方式，受时间继电器控制，计量泵在抽吸出水后期提前结束工作，使土层下部残留30 cm水柱，形成饱水带，试验测定进出水总氮、硝态氮浓度变化情况如图5所示。尽管落干期人工土床复氧深度减小，系统硝化作用依然出色，出水氨氮浓度依然保持在2 mg/L以下，去除效率高。出水NO-3-N、TN平均浓度分别为9.5、14.2 mg/L，与未设立饱水带相比，浓度分别下降了4.8、12.1 mg/L。TN浓度符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级标准A标准要求，去除率从33.4% 提高到64.8%，增加了31.4个百分点。可以看出，在CRI系统落干期设置饱水带可以人为地增加缺氧段，增强反硝化菌活性，促进反硝化作用，从而提高系统对TN的处理效果。
3结论
3.1CRI系统具有良好的有机物、氨氮处理效果。在人工土层深度100 cm，砂土比1.5∶1，淹水时间分别为8、24 h，水力负荷0.5 m/d的条件下，出水COD、氨氮平均浓度为56.0、2.9 mg/L，二者去除率分别达到78%、92%。但出水中硝态氮含量较高，总氮去除效果并不理想。
3.2CRI系统上、下部在污染物去除过程中承担的任务不同。COD的去除和硝化作用主要发生在系统上部40 cm土层中，NO-3-N、TN的去除和反硝化作用主要发生在系统下部60 cm土层中。
3.3土层下部饱水带的设立可以人为增加缺氧段的长度，使系统TN去除效率提高了31.4个百分点，促进反硝化菌生长，提高系统对TN的处理效果。
参考文献：
[1]Wang D B， Zhang Z Y， Li X M， et al. A full-scale treatment of freeway toll-gate domestic sewage using ecology filter integrated constructed rapid infiltration [J]. Ecological Engineering， 2010， 36（6）： 827-831.
[2]李正昱，何腾兵，杨小毛，等. 人工快速渗滤系统的研究与应用[J]. 中国给水排水，2004，20（10）：30-32.
[3]汤灿. 污水人工土快滤系统强化去除氮磷及有害污染物的工艺研究[D]. 北京：中国农业大学，2008.
[4]Li Y H， Li H B， Sun T H， et al. Study on nitrogen removal enhanced by shunt distributing wastewater in a constructed subsurface infiltration system under intermittent operation mode[J]. Journal of Hazardous Materials， 2011， 189： 336-341.
[5]殷亮. 人工土床快渗系统处理生活污水性能试验研究[D].重庆：重庆大学，2006.
[6]刘惠军，李兆林 孙笑蕾，等. 砂土混合人工土快滤系统处理生活污水试验研究[J]. 水处理技术，2014，40（5）：95-98.
[7]国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会. 水和废水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002.
[8]Seki K， Miyazaki T. A mathematical model for biological clogging of uniform porous media[J].Water Resources Research，2001，37（12）：2995-2999.
[9]GB 18918-2002 城镇污水处理厂污染物排放标准[S].
关键词：人工土快滤；砂土混合物；饱水带；总氮；去除率
中图分类号：X799.3文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）08-0098-04
AbstractA constructed rapid infiltration （CRI） was developed to treat municipal wastewater with the mixture of sea sand and campus soil. The tests were conducted to investigate its pollutants’ removal effects， especially nitrogen. The reactor structure was also optimized to enhance the total nitrogen removal. The results showed that CRI exhibited better removal effects on organic compound and ammonia nitrogen with the removal efficiency as 78% and 92% respectively； but the total nitrogen removal efficiency was only 33.4%； the COD and NH+4-N removal were mainly focused on the upper 40-cm layer， whereas the total nitrogen removal and denitrification occured on the lower 60-cm layer of infiltration medium. Furthermore， the saturated zone with 30 cm in length was set up to artificially increase the anoxic zone and enhance the activity of denitrifying bacteria， which could made the removal efficiency of total nitrogen reach 64.8%.
KeywordsConstructed rapid infiltration； Mixture of sand and soil； Saturated zone； Total nitrogen； Removal efficiency
人工土快滤系统（constructed rapid infiltration，CRI）是在传统的污水土地处理技术基础上发展起来的一种污水处理系统，采用渗透性能较好的材料作为渗滤介质，具有水力负荷较高、投资少、操作管理较方便、能耗较低的特点[1-3]。尽管普通的CRI系统对有机物、氨氮等去除效果较好，但受淹水期时间不能过长的影响，反硝化作用并不显著，对硝态氮、总氮去除效果不理想[4，5]，难以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级标准。
本试验将海砂、校园土等介质混合作为快滤介质构建人工土快滤系统，用以处理校园生活污水。在保证CRI系统有效去除有机物和氨氮效果的基础上，分析氮素的转化规律，改造池体，调整运行方式，以期提高系统对总氮的去除效率，为CRI技术的推广、工程设计、实际应用提供试验依据。
1材料与方法
1.1试验装置流程
试验装置如图1所示，其中人工土床为有机玻璃圆柱，内径10 cm。玻璃柱上部装填高度为100 cm砂土混合物，底部装填10 cm厚的卵石层。高位水箱中原水因重力作用进入平衡水箱，平衡水箱利用浮球阀控制快滤系统水位，试验过程中保持土层上方淹水高度为5 cm，进水管道上加装电磁阀以控制淹水时间。反应器底部计量泵抽吸出水，出水流速为0.65 L/h，从而确保整个装置淹水期水力负荷为8.25 cm/h。系统运行淹没时间、落干时间分别为8、24 h，即湿干时间比为1∶3，水力负荷相应为0.5 m/d。电磁阀、计量泵由2个时间继电器分别控制，使该人工土快滤系统能够实现进水—落干交替循环的工作方式。
快滤系统进出水总氮、出水硝态氮、亚硝态氮浓度变化情况如图3所示。人工土床进水TN（即氨氮，因氯化铵为进水中唯一氮源）平均浓度为39.5 mg/L，出水NO-2-N、NO-3-N和TN平均浓度分别为0.6、16.3 mg/L和26.3 mg/L，系统所去除的氨氮有46%以上经硝化作用转化为硝态氮，总氮去除率为33.4%。与相同运行条件的处理层高度为40 cm的快滤系统效果相比[6]，系统出水TN浓度有一定的下降，处理效果有所增强，这主要是因为滤床高度的增加提高了系统微生物数量、对污染物的吸附能力和污水水力停留时间，但出水TN浓度并不符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级标准要求[9]。快滤系统采用短周期干湿交替运行方式，良好的复氧条件使得硝化作用较为彻底，氨氮去除效率高，但同时减少了反硝化菌的生存空间，使淹水期反硝化作用和总氮去除效率不理想。分析认为：如果进一步提高滤床高度，TN去除效果应该会有所提高，但是土层厚度的增加会影响快滤系统经济成本。此外，高土床系统容易发生堵塞，对落干期土层的复氧和维持一定的水力负荷都有不利影响。因此，增加土层厚度并不是一个非常理想的方法，应该从其他方面改善运行条件来提高处理效果。 2.2快滤系统不同深度水质情况
为了考察污水流经土层不同高度对污染物的去除情况并分析其在快滤系统的转化规律，进而改进运行条件来提高TN去除效率，试验测定了系统不同高度水质情况。系统稳定运行18 d后，在快滤系统处理层不同深度4个取水口处每周取水1次，分析COD、NH+4-N、NO-3-N、TN的浓度，同一取水口污染物浓度取平均值，试验结果如图4所示。试验并未测出水NO-2-N浓度，因其浓度较低，对TN影响不大。
可以看出，COD与氨氮转化规律类似，浓度随着土层厚度的增加而减小。进水COD、氨氮浓度分别为256.0、42.0 mg/L，在40 cm处测得分别降到59.0、4.8 mg/L，浓度基本达标，去除率分别达到77%、88%，去除率占装置总去除率的98%和92%。装置底部60 cm土层对COD、氨氮的去除并不明显，去除效率仅占总去除率的2%和8%。因此，COD和氨氮的去除主要发生在上部40 cm人工土层中，底部土层对上述污染物的去除几乎没有贡献。分析其原因可能为落干期上部土层首先接触到空气，下部达到通透和复氧有一定的延时和衰减，致使上层获得的氧气量和附着的好氧微生物均比下层要多，在上部土层中有机物氧化分解和硝化作用进行的较为彻底。如果仅仅从COD、氨氮处理角度出发，本系统采用40 cm后的人工砂土混合物就可以满足对废水的处理要求。
NO-3-N浓度随土层厚度的增加，呈现先上升后下降的趋势。在上层40 cm土柱中，NO-3-N浓度上升到24.5 mg/L，反硝化作用较弱。其下层60 cm土柱中，NO-3-N浓度持续降低，100 cm处NO-3-N浓度为15.7 mg/L。受NO-3-N浓度降低的影响，TN在系统下层去除效率要高于上层，从40 cm处的38.8 mg/L下降到100 cm处的26.8 mg/L，该部分去除率为31%，占系统总去除率的85%。这主要是由于随着土层深度的增加氧气浓度逐渐衰减，附着的厌氧微生物数量要比上层多，反硝化菌活性增强，部分硝态氮通过反硝化作用转化为氮气而被去除。但整个淹水期系统内部反硝化作用并不显著，NO-3-N、TN出水浓度不符合水质标准要求。分析其原因，与一个周期落干时间为24 h相比，快滤系统运行淹没时间仅为8 h，土层内部缺氧环境存在时间较短，而反硝化作用主要依靠淹水期形成的缺氧或者厌氧环境来完成，因此反硝化作用和硝态氮去除并不充分。基于以上结果，考虑在土床最下面30 cm设立专门的饱水带，人为地制造一个缺氧环境，提高下层反硝化菌的数量和活性，目的是在保证COD和氨氮去除效率的同时，提高TN的去除效果[5]。
2.3人工土床设立饱水带对污水处理效果
人工土快滤系统采用进水—落干交替循环的工作方式，受时间继电器控制，计量泵在抽吸出水后期提前结束工作，使土层下部残留30 cm水柱，形成饱水带，试验测定进出水总氮、硝态氮浓度变化情况如图5所示。尽管落干期人工土床复氧深度减小，系统硝化作用依然出色，出水氨氮浓度依然保持在2 mg/L以下，去除效率高。出水NO-3-N、TN平均浓度分别为9.5、14.2 mg/L，与未设立饱水带相比，浓度分别下降了4.8、12.1 mg/L。TN浓度符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级标准A标准要求，去除率从33.4% 提高到64.8%，增加了31.4个百分点。可以看出，在CRI系统落干期设置饱水带可以人为地增加缺氧段，增强反硝化菌活性，促进反硝化作用，从而提高系统对TN的处理效果。
3结论
3.1CRI系统具有良好的有机物、氨氮处理效果。在人工土层深度100 cm，砂土比1.5∶1，淹水时间分别为8、24 h，水力负荷0.5 m/d的条件下，出水COD、氨氮平均浓度为56.0、2.9 mg/L，二者去除率分别达到78%、92%。但出水中硝态氮含量较高，总氮去除效果并不理想。
3.2CRI系统上、下部在污染物去除过程中承担的任务不同。COD的去除和硝化作用主要发生在系统上部40 cm土层中，NO-3-N、TN的去除和反硝化作用主要发生在系统下部60 cm土层中。
3.3土层下部饱水带的设立可以人为增加缺氧段的长度，使系统TN去除效率提高了31.4个百分点，促进反硝化菌生长，提高系统对TN的处理效果。
参考文献：
[1]Wang D B， Zhang Z Y， Li X M， et al. A full-scale treatment of freeway toll-gate domestic sewage using ecology filter integrated constructed rapid infiltration [J]. Ecological Engineering， 2010， 36（6）： 827-831.
[2]李正昱，何腾兵，杨小毛，等. 人工快速渗滤系统的研究与应用[J]. 中国给水排水，2004，20（10）：30-32.
[3]汤灿. 污水人工土快滤系统强化去除氮磷及有害污染物的工艺研究[D]. 北京：中国农业大学，2008.
[4]Li Y H， Li H B， Sun T H， et al. Study on nitrogen removal enhanced by shunt distributing wastewater in a constructed subsurface infiltration system under intermittent operation mode[J]. Journal of Hazardous Materials， 2011， 189： 336-341.
[5]殷亮. 人工土床快渗系统处理生活污水性能试验研究[D].重庆：重庆大学，2006.
[6]刘惠军，李兆林 孙笑蕾，等. 砂土混合人工土快滤系统处理生活污水试验研究[J]. 水处理技术，2014，40（5）：95-98.
[7]国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会. 水和废水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002.
[8]Seki K， Miyazaki T. A mathematical model for biological clogging of uniform porous media[J].Water Resources Research，2001，37（12）：2995-2999.
[9]GB 18918-2002 城镇污水处理厂污染物排放标准[S].