再生水干湿交替入渗过程中添加碳源对包气带脱氮的影响

第30卷2011年第4期7月V01．30No．4Jul．2011再生水干湿交替入渗过程中添加碳源对包气带脱氮的影响张沙莎a，6，靳孟贵8，梁杏8(中国地质大学a．环境学院；b．生物地质与环境地质国家重点实验室，武汉430074)摘要：干湿交替的回灌方法常被用于解决再生水地表回灌的堵塞问题，但干湿交替回灌可能造成硝态氮被淋洗进入地下水。通过室内土柱模拟入渗实验，对比研究了以葡萄糖作为碳源的低碳氮比再生水干湿交替回灌、干期前蒸馏水淋洗、干期前添加甲醇溶液和干期后添加甲醇溶液4种条件下对包气带氮素迁移转化和脱氮效果的影响。实验表明，对于碳氮比为2．5：1的再生水，与葡萄糖相比，使用甲醇作为碳源时，出水中硝态氮和。息氮浓度下降速度较快，反硝化作用效率较高。干期后及时注入甲醇脱氮效果明显高于干期前添加甲醇，回灌过程中甲醇被生物利用率高，高碳氮比增强了包气带反硝化作用，脱氮效果明显且持久。合理利用葡萄糖、甲醇作碳源可以促进生物脱氮，是再生水回灌过程中脱氮的途径之一。关键词：包气带；再生水；干湿交替；生物脱氮；甲醇中图分类号：X523文献标志码：A文章编号：1000一7849(2011)04一0115一05再生水地面回灌对于城市污水合理利用和含水层恢复具有重要意义。干湿交替的地表回灌方式可有效防治包气带表层堵塞，然而干湿交替会改变包气带土壤结构，可能导致再生水中残留污染物在含水层中累积并威胁地下水水质安全及人体健康口_3]。铵态氮是一种无直接毒害作用的无机污染物，但当其达到一定浓度或转化成硝态氮或亚硝态氮后，将对环境和人体健康造成潜在危害。饮用水中硝酸盐过高会在婴儿体内产生变形血色蛋白症，亚硝酸盐与仲胺作用会形成致癌、致变异和致畸的“三致”物质亚硝胺。研究表明，饮用地下水中的硝酸盐、亚硝酸盐浓度与食道癌的发病率呈正比[4巧]。近50a来，硝酸盐氮污染已成为一个世界性的环境问题[6]。许多实验室和现场研究表明氮素污染地下水的主要形式是硝态氮[7曲]。添加碳源可以促进生物反硝化作用，从而去除包气带土壤水中的硝态氮。添加有机碳源可以加强包气带反硝化作用，多数研究者选用液体碳源[1⋯，也有人尝试使用固体碳源研究脱氮效果[1卜12]。包气带脱氮是再生水回灌的关键问题之一[13|，笔者重点讨论添加碳源对包气带铵态氮转化及脱氮的影响。通过非饱和土柱再生水模拟液入渗实验，针对干湿交替条件下再生水回灌过程中，经干期后再次回灌时出水中硝态氮猛增的现象，在4种不同的实验条件下，分析添加碳源对包气带脱氮反硝化作用的效果，为制定再生水安全回灌方案提供理论依据。1材料与方法1．1实验材料1．1．1包气带土柱装置实验所用包气带土柱容器用有机玻璃制作，内径14cm，高100cm，内装90cm高的均匀砂质壤土。土柱底部出水口设定15cm的稳定水头，使土柱下部15cm为饱水带，其上75cm为包气带。用蠕动泵从土柱顶端均匀稳定供给再生水，进水速度为2．7mL／min，人渗强度为10．5mm／h，确保土层表面不积水。每隔12h测量一次取样口和溢水口的出水量；每隔24h从取样口采集水样以测试出水水质指标[9]。1．1．2土柱填料土柱填料为取自长江漫滩的砂质壤土[2．O～O．05mm砂粒(9B)占57．5％，o．05～0．002mm粉粒(仇)占29．6％]。采集的土样运到实验室后，自然风干，去除杂质过筛后，喷洒适量水使其保持一定湿度。用德国SARTORIUSBP8100(Max8100g，收稿日期：2010一09—12编辑：刘江霞基金项目：国家高技术研究发展计划项目(2007AA062337)；博士学科点基金(20100145110010)作者简介：张莎莎(1984一)，女，现正攻读地下水科学与工程专业博士学位，主要从事地下水污染与防治的研究。E—mail：sszhang@cug．edu．cn通信作者：靳孟贵(1957一)，男，教授，主要从事地下水与环境的教学与研究。E—mail：mgjin@cug．edu．cn∞Ⅱbhy报昭情m技k科一质e地渤S∞gOdeG万方数据地质科技情报d—o．1g)电子天平称取5cm高土柱需要的湿土质量，每隔2．5cm分层压实填入土柱，确保装填后的土柱上下容重相同，设计容重1．5g／cm3。土柱孔隙度43．4％，初始含水量9．9％。土的有机质质量分数o．33％，阳离子交换量28．6mmol／kg[9]。1．1．3模拟液配置土柱灌入的模拟再生水溶液用分析纯氯化铵(NH。C1)、葡萄糖(C。H。。O。)和蒸馏水配制。模拟液中氨氮质量浓度pN一5mg／L。模拟液碳氮质量比为2．5：1[1“。1．2实验过程实验从2009年5月23日开始，到2009年10月5日结束，共136d。实验分为3个阶段：①连续回灌(第1～21d)。连续输入自配模拟液，建立硝化反硝化系统。②