張杰斌，朱木蘭，2

（1.廈門理工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.廈門理工學(xué)院 水資源環(huán)境研究所，福建 廈門 361024）

1 研究背景

近年來，農(nóng)村生活污水排放量逐年增加，但多數(shù)農(nóng)村缺乏生活污水處理設(shè)施，生活污水未經(jīng)處理直接排放，由于生活污水中含有大量引起水體富營養(yǎng)化的氮、磷，從而影響地表水環(huán)境[1]。因此，當(dāng)前亟需解決農(nóng)村生活污水處理問題，特別是氮磷去除問題。2019年7月水利部等九部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)農(nóng)村生活污水治理的指導(dǎo)意見》，意見要求按照因地制宜、利用為先、就地就近、生態(tài)循環(huán)等基本思路進(jìn)行農(nóng)村生活污水處理。人工快滲（Constructed Rapid Infiltration，CRI）系統(tǒng)是一種廣為人知、應(yīng)用較多的無動力生態(tài)污水處理技術(shù)。CRI系統(tǒng)是在土壤滲濾系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其以天然河砂、礫石等滲透性能較好的滲濾介質(zhì)代替天然土層，具有建設(shè)成本低、操作簡單、運行管理方便、出水水質(zhì)好等優(yōu)點，比較適合于農(nóng)村生活污水處理[2]。但是，目前仍存在CRI系統(tǒng)對總氮（TN）、總磷（TP）和氨氮（NH3-N）去除效果不理想的短板。

馬利民等[3]采用天然河砂和耕土構(gòu)建CRI模型柱，在濕干比為1∶6的條件下，對5種水力負(fù)荷（0.2、0.7、1.2、1.5、2.0 m/d）進(jìn)行試驗，實驗結(jié)果表明，在水力負(fù)荷為1.2 m/d時，對TP和TN的平均去除率最大，分別為35.50%和59.50%。陳永杏等[4]采用體積比為土壤∶石英砂=3∶1的結(jié)構(gòu)構(gòu)建CRI系統(tǒng)，在濕干比為1∶3的條件下，以昌平污水處理中心的污水作為試驗用水，實驗結(jié)果表明，對TP的最高去除率為54.86%。何騰兵等[5]采用粒徑為0.9 mm的大理石砂和河砂作為填料構(gòu)架CRI系統(tǒng)，在水力負(fù)荷為1.08 m/d的條件下，以百花村生活污水作為試驗用水，實驗結(jié)果表明，對TP的平均去除率為65.50%。陳楊武等[6]研究表明，以河砂填料層和礫石填料層構(gòu)建CRI系統(tǒng)，在水力負(fù)荷為1 m/d的條件下，對TP的平均去除率為49.40%。張金炳等[7]以天然河砂作為填料介質(zhì)構(gòu)建CRI系統(tǒng)，在水力負(fù)荷為1 m/d的條件下處理生活污水，對TP和TN的平均去除率分別為67.80%和28.93%。崔理華等[8]研究表明，CRI系統(tǒng)由碎石和土壤構(gòu)成，在濕干比為1∶8的條件下進(jìn)行試驗，對TN的平均去除率為32.30%。平玉煥等 研究表明，通過采用天然河砂和沸石這2種填料構(gòu)建CRI系統(tǒng)模擬柱，在水力負(fù)荷為1 m/d的條件下進(jìn)行試驗，實驗結(jié)果表明，NH3-N的去除率穩(wěn)定在32.15%～42.49%。

綜上所述，以砂土、礫石為主要填料的傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)對TP的去除率約為35.50%～67.80%，TN的去除率約為28.93%～59.50%，NH3-N的去除率約為32.15%～42.49%。平均而言，對TP、TN和NH3-N的平均去除率僅約為54.61%、40.24%和37.32%?？梢姡瑐鹘y(tǒng)CRI系統(tǒng)對TP、TN和NH3-N的去除率普遍存在偏低的問題，也因此采用CRI系統(tǒng)治理農(nóng)村生活污水時，通常氮磷水質(zhì)指標(biāo)難以達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。為了提高CRI系統(tǒng)對氮磷的去除率，本研究在傳統(tǒng)的沙土填料中加入了火山巖、沸石、海綿鐵等對水質(zhì)凈化效果較好的填料，構(gòu)建了一個改良型CRI系統(tǒng)，并開展其對TP、TN和NH3-N的去除效果研究，旨在呼應(yīng)水利部2019年的文件精神，為治理農(nóng)村生活污水提供一項更為行之有效的生態(tài)治理技術(shù)措施。

2 改良型CRI系統(tǒng)試驗

2.1 改良型CRI系統(tǒng)本研究所構(gòu)建的改良型CRI系統(tǒng)總厚度為100 cm。其結(jié)構(gòu)由上到下分別為覆蓋層、人工改良土壤層、細(xì)過渡層、粗過渡層和排水層。覆蓋層由粒徑為4～8 mm的沸石組成，厚度為10 cm；人工改良土壤層由質(zhì)量比為紅壤土∶雜沙∶沸石∶海綿鐵∶火山巖=2∶3∶2∶2∶1的5種填料均勻混拌而成，厚度為60 cm，該填料層的滲透系數(shù)為0.169 cm/s，其中雜沙粒徑為0.05～2 mm，沸石粒徑為3～5 mm，海綿鐵粒徑為1～3 mm，火山巖粒徑為3～5 mm；細(xì)過渡層由粒徑為3～5 mm的火山巖組成，厚度為10 cm；粗過渡層由粒徑為5～8 mm的火山巖組成，厚度為10 cm；排水層由粒徑為8～16 mm的火山巖組成，厚度為10 cm。改良型CRI系統(tǒng)填料方案如表1所示。

表1 改良型CRI系統(tǒng)填料方案

試驗裝置柱高130 cm，內(nèi)徑為10 cm，外徑為11 cm。在此裝置中由下到上按照表1所示的各層填料和層厚逐層填入填料，填料總厚度為100 cm，由此構(gòu)建起一個改良型CRI系統(tǒng)試驗柱，該試驗柱示意圖如圖1所示，其結(jié)構(gòu)由上到下分別為覆蓋層、人工改良土壤層、細(xì)過渡層、粗過渡層和排水層。在實際應(yīng)用中覆蓋層既有水質(zhì)凈化作用又有保護(hù)人工改良土壤層中的填料不受雨水沖刷而流失的作用；人工改良土壤層的作用是提高改良型CRI系統(tǒng)對TP、TN和NH3-N的去除效果；細(xì)過渡層和粗過渡層的作用是防止人工改良土壤層中的填料隨著滲濾水掉落至排水層；排水層的作用是將滲濾水快速排出。

圖1 改良型CRI系統(tǒng)試驗柱示意圖

2.2 試驗方法（1）試驗進(jìn)水。試驗進(jìn)水采用從污水排放口所收集到的實際生活污水。在水力負(fù)荷為1 m3/（m3·d）的條件下，進(jìn)行為期20天的試驗。試驗期間，每日設(shè)置3個時間點布水，為早上9∶00、中午13∶00和晚上18∶00，每個時間點布水1小時，即每天布水3小時，落干21小時，濕干比為1∶7。由式（1）可計算出該改良型CRI系統(tǒng)試驗柱的填料總體積為7.85×10-3m3，本試驗的水力負(fù)荷為1 m3/（m3·d）（即每立方米的填料每日處理1立方米的污水），由式（2）可計算出日進(jìn)水量為7.85 L。根據(jù)農(nóng)村污水排放主要集中在早、中、晚三個時間段，且排水量通常情況是：早上＜中午＜晚上，故本試驗將進(jìn)水分配在早上9∶00、中午13∶00、晚上18∶00三個時間點，進(jìn)水量分別設(shè)定為2 L、2.5 L和3.35 L。

式中：V為改良型CRI系統(tǒng)試驗柱填料總體積，cm3；r為試驗柱內(nèi)半徑5 cm；h為填料總厚度100 cm。

式中：Q為改良型CRI系統(tǒng)試驗柱日進(jìn)水量，cm3；HLR（Hydraulic Loading Rate）為水力負(fù)荷 1 m3/（m3·d）；V為填料總體積7.85×10-3m3；T為時間1 d。

（2）出水檢測。試驗期間，試驗進(jìn)水通過人工取樣的方式取自廈門理工學(xué)院宿舍區(qū)生活污水排放口，改良型CRI系統(tǒng)試驗柱出口設(shè)有出水管，將出水管排出的水進(jìn)行收集，并取部分水樣用于水質(zhì)檢測。從第2天開始對CRI系統(tǒng)試驗柱進(jìn)、出水水樣的TN、TP和NH3-N指標(biāo)進(jìn)行檢測，且每隔1天進(jìn)行一次檢測。TP采用鉬銻抗分光光度法測定，標(biāo)準(zhǔn)為GB 11893-891，檢測儀器為（V8版）5B-3C型連華多水質(zhì)參數(shù)測定儀；TN采用非色散紅外檢測法，標(biāo)準(zhǔn)為GB11894-89，檢測儀器為TOC-VCPH總碳和總氮測定儀；NH3-N采用納氏試劑分光光度法測定，標(biāo)準(zhǔn)為HJ535-2009，檢測儀器為（V8版）5B-3C型連華多水質(zhì)參數(shù)測定儀。

3 結(jié)果與分析

3.1 TP的結(jié)果與分析在為期20天的試驗期間，該改良型CRI系統(tǒng)進(jìn)、出水TP濃度分別為1.02～1.32 mg/L和0.09～0.22 mg/L，進(jìn)、出水TP濃度變化情況如圖2所示。由圖2可知，改良型CRI系統(tǒng)進(jìn)水TP濃度變化幅度較大，主要原因是生活污水排放口的污水為流動狀態(tài)，每日試驗進(jìn)水現(xiàn)取現(xiàn)用，實際生活污水的TP存在一定的波動性。試驗從一開始至第14天，出水TP濃度呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢；第14～20天，進(jìn)水TP濃度雖然波動于1.18～1.40 mg/L之間，但出水TP濃度基本趨于穩(wěn)定，可見該系統(tǒng)具有一定的耐沖擊負(fù)荷性，與劉操的研究結(jié)果[10]相符合。該CRI系統(tǒng)運行達(dá)到穩(wěn)定后，進(jìn)、出水TP的平均濃度分別為1.28 mg/L和0.21 mg/L，TP去除率為83.95%。出水的TP濃度完全滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級A排放標(biāo)準(zhǔn)的0.5 mg/L限值。

圖2 改良型CRI系統(tǒng)進(jìn)出水TP濃度變化

CRI系統(tǒng)除磷方式主要是通過填料的吸附作用、沉淀作用、化學(xué)反應(yīng)以及微生物降解。本文所構(gòu)建的改良型CRI系統(tǒng)運行達(dá)到穩(wěn)定后，對TP 的平均去除率為83.95%，與傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)的54.61%平均去除率相比，該系統(tǒng)的TP的平均去除率提高了29.34%，其原因主要與人工改良土壤層中的紅壤土和海綿鐵有關(guān)。（1）紅壤土作為廈門市本地土壤，呈偏酸性[11]，甘海華等[12]研究表明紅壤土對磷素的吸附可達(dá)到0.73 mg/g，馮萃敏等[13]研究表明紅壤土中含有無定形態(tài)的鐵鋁氧化物，其與水體中的磷反應(yīng)生成難溶解狀態(tài)的A1-P和Fe-P，可起到強化除磷的效果；（2）海綿鐵作為一種新型的水處理材料，主要成分為鐵氧化物，具有比表面積較大、物理吸附、絮凝沉淀等優(yōu)點，主要依靠吸附作用、化學(xué)作用和微生物降解對TP起到較好的去除性能[14]。萬正芬等[15]研究表明海綿鐵對磷具有較強的吸附能力，對磷理論飽和吸附量為0.49 mg/g。高照琴等[16]研究表明土壤中有機磷經(jīng)過磷酸酶礦化后，轉(zhuǎn)化成磷酸根（PO43-）。萬瓊等[1，17]研究表明海綿鐵還有較強的化學(xué)反應(yīng)能力，在含有偏酸性的環(huán)境中產(chǎn)生[H]和Fe2+，而Fe2+進(jìn)一步氧化成Fe3+，污水中的磷酸根可與Fe3+生成較難溶的磷酸鐵沉淀，達(dá)到除磷的效果。楊亮亮等[18]采用海綿鐵的快速濾柱凈化營養(yǎng)物質(zhì)濃度較高的景觀水，研究表明海綿鐵對PO43--P的去除率達(dá)到96.2%。李杰等[19]研究表明海綿鐵中存在鐵與微生物之間構(gòu)成的協(xié)同互促除磷機制。任杰等[20]研究表明海綿鐵對除磷效果的提高是基于海綿鐵緩慢的Fe2+釋放，推動了系統(tǒng)對微生物的篩選與促進(jìn)了優(yōu)先菌的規(guī)模性成長，隨后持續(xù)性發(fā)生生化和化學(xué)作用的協(xié)同對TP強化降解。該CRI系統(tǒng)中磷酸鹽的形成和沉積主要發(fā)生在人工改良土壤層，在實際應(yīng)用中可通過在人工改良土壤層中種植耐澇耐肥的植物，及時將該層所生成的磷酸鹽吸收并轉(zhuǎn)移到植物的莖葉花，使得系統(tǒng)以平衡狀態(tài)長期可持續(xù)地運行。劉玉春等[21]研究了5種植物對校園生活污水的凈化效果，結(jié)果顯示香蒲具有較好的脫氮除磷效果，對TN和TP的去除率分別達(dá)到83%和85%。馬井泉等[22]試驗了3種植物對城市富營養(yǎng)化河流中氮磷的去除效果，得出苦草的脫氮除磷效果最佳，對TN、NH3-N和TP的去除率分別為90.7%、97%和98%。

3.2 TN的結(jié)果與分析試驗運行期間，改良型CRI系統(tǒng)進(jìn)、出水TN濃度分別為59.22～67.25 mg/L和5.69～15.83 mg/L，圖3為進(jìn)、出水TN濃度的變化情況。由圖3可知，該CRI系統(tǒng)進(jìn)水TN濃度曲線相較進(jìn)水TP濃度曲線變化幅度較小，出水TN濃度曲線呈“先下降，后平穩(wěn)”。試驗運行第2～4天，出水TN濃度迅速下降，運行第4～10天，出水TN濃度緩慢增加。運行第10天開始至試驗結(jié)束，出水TN濃度的變化趨勢與出水TP濃度類似，盡管進(jìn)水TN濃度波動于58.42～63.14 mg/L之間，但出水TN濃度呈現(xiàn)基本穩(wěn)定狀態(tài)。該CRI系統(tǒng)運行穩(wěn)定后出水TN的進(jìn)、出水平均濃度分別為60.93 mg/L和8.38 mg/L，對TN的平均去除率達(dá)到86.25%。出水TN濃度完全滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級A排放標(biāo)準(zhǔn)的15 mg/L的限值。

圖3 改良型CRI系統(tǒng)進(jìn)出水TN濃度變化

TN的去除是物理化學(xué)吸附、微生物硝化-反硝化和厭氧氨氧化共同作用的結(jié)果，在土壤微生物中的亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的作用下將有機氮和氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，接著反硝化細(xì)菌利用進(jìn)水中的有機質(zhì)進(jìn)行反硝化脫氮，轉(zhuǎn)化成氮氣，同時厭氧氨氧化細(xì)菌也起到脫氮作用[23-25]。試驗第2～4天，出水TN濃度迅速下降，而后逐漸趨于穩(wěn)定，其原因是：（1）一開始系統(tǒng)填料較干燥，吸附力強，故對TN去除性能較好；（2）之后，填料的吸附力趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)中硝化和反硝化細(xì)菌等微生物逐漸生長完全，數(shù)量隨著試驗運行逐漸增多而后趨于穩(wěn)定，硝化和反硝化反應(yīng)也趨于穩(wěn)定。從前述可知，該改良型CRI系統(tǒng)對TN的平均去除率達(dá)到86.25%，相較于TN平均去除率為40.24%的傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)，該系統(tǒng)的TN平均去除率提高了46.01%。究其原因，主要與改良型CRI系統(tǒng)的沸石、雜沙、濕干比以及填料結(jié)構(gòu)有關(guān)。（1）沸石表面不均勻，呈多孔結(jié)構(gòu)，孔隙度較高，具有較大的比表面積，利于硝化細(xì)菌和反硝化菌生長和繁殖，從而提高對TN的去除效果[26]；（2）雜沙由細(xì)小的沙子和一些小溪里的雜質(zhì)所構(gòu)成，雖然沒有中沙或者普通的沙子干凈，但其對水質(zhì)中的TN能起到一定的降解作用，何潔等[27]研究表明雜沙對TN的降解速率常數(shù)為0.0216/d；（3）試驗過程中，濕干比為1∶7，落干期長于布水期，復(fù)氧效率較高，因此在落干期好氧微生物活性高，硝化反應(yīng)順利進(jìn)行；（4）該CRI系統(tǒng)填料結(jié)構(gòu)自上到下的粒徑呈“粗-細(xì)-粗”，有利于上層覆蓋層形成好氧層，下層人工改良土壤層形成兼氧厭氧層，從而有利于硝化與反硝化。

3.3 NH3-N的結(jié)果與分析試驗運行過程中，改良型CRI系統(tǒng)進(jìn)、出水NH3-N濃度分別為12.57～15.20 mg/L和0.99～2.52 mg/L，圖4為進(jìn)、出水NH3-N濃度的變化情況。由圖4可知，該改良型CRI系統(tǒng)的出水NH3-N濃度曲線趨勢與出水TN濃度曲線相似。運行第2～4天，出水NH3-N濃度呈下降趨勢，這主要與填料的吸附和微生物的降解有關(guān)；第4～16天，出水NH3-N濃度緩慢上升；第16～20天，雖然進(jìn)水NH3-N濃度波動于13.67～14.10 mg/L之間，但出水NH3-N濃度基本保持穩(wěn)定，趨于穩(wěn)定后進(jìn)、出水NH3-N平均濃度分別為13.89 mg/L和2.34 mg/L，對NH3-N的平均去除率為83.13%。出水的NH3-N濃度完全滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)的5 mg/L的限值。

圖4 改良型CRI系統(tǒng)進(jìn)出水NH3-N濃度變化

CRI系統(tǒng)通過填料吸附、硝化與反硝化作用等途徑去除和轉(zhuǎn)化污水中的NH3-N，主要是通過好氧帶硝化細(xì)菌的硝化作用將NH3-N轉(zhuǎn)化為NO3-N，繼而在厭氧帶反硝化細(xì)菌的反硝化作用下將NO3-N轉(zhuǎn)化為N2O和N2等，最終NH3-N得以去除[28]。從前述可知，該改良型CRI系統(tǒng)對NH3-N的平均去除率為83.13%，相比于傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)的37.32%平均去除率，該系統(tǒng)的NH3-N平均去除率提高了45.81%。究其原因：（1）首先，CRI系統(tǒng)中含有大量的好氧菌、厭氧菌等，微生物在NH3-N的硝化、反硝化作用中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，有機物降解和氮的轉(zhuǎn)化均是在微生物的作用下完成[29]；（2）其次，覆蓋層和人工改良土壤層中含有沸石，沸石呈骨架狀且多孔的結(jié)構(gòu)，包含堿金屬和堿土金屬陽離子，例如Na+、K+、Ca2+和Mg2+，陸風(fēng)海等[30]研究表明這些陽離子可與水中的NH4+進(jìn)行離子交換，沸石的多孔結(jié)構(gòu)和離子交換特性決定了其對污水中NH4+的吸附作用包括物理吸附和離子交換；（3）此外，沸石表面的多孔結(jié)構(gòu)促使微生物附著生長，且改良型CRI系統(tǒng)覆蓋層的大粒徑填料有利于形成好氧層，從而有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行。楊永愿等[31]研究表明沸石的優(yōu)勢菌種為變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）。Proteobacteria是與硝化作用密切相關(guān)的菌門，在系統(tǒng)長期運行下得到增殖，這與本試驗具有較強的硝化作用相一致；Bacteroidetes被認(rèn)為是以硝化細(xì)菌的代謝產(chǎn)物作為有機碳源的潛在異養(yǎng)型微生物，這種異養(yǎng)型微生物有利于維持微生物系統(tǒng)的穩(wěn)定[32-33]；（4）最后，細(xì)、粗過渡層和排水層由火山巖組成，其表面呈多孔、不規(guī)則結(jié)構(gòu)，利于硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的生長，朱龍龍等[34]研究表明火山巖對NH3-N表現(xiàn)出較好的凈化性能，郝曉地等[35]研究表明火山巖對COD與BOD5凈化效果好，因此火山巖的加入不僅可以提高對NH3-N的去除率，還可提高對有機污染物的去除率，即有利于提高整體的出水水質(zhì)。

4 結(jié)論

本研究構(gòu)建了一個改良型CRI系統(tǒng)，其由覆蓋層、人工改良土壤層、細(xì)過渡層、粗過渡層和排水層組成。與傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)相比，本研究加入了火山巖、沸石、海綿鐵等對水質(zhì)凈化效果較好的填料，對TP、TN和NH3-N的去除效果有了顯著的提升。主要結(jié)論如下：

（1）該改良型CRI系統(tǒng)運行至14天開始，系統(tǒng)出水TP濃度趨于穩(wěn)定。達(dá)到穩(wěn)定后，進(jìn)、出水TP的平均濃度分別為1.28 mg/L和0.21 mg/L，TP平均去除率為83.95%。相較于傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)的54.61%的TP平均去除率，該系統(tǒng)的TP平均去除率提高了29.34%，其原因主要與人工改良土壤層中的紅壤土和海綿鐵有關(guān)。

（2）運行至10天開始，系統(tǒng)出水TN濃度趨于穩(wěn)定。達(dá)到穩(wěn)定后，進(jìn)、出水TN的平均濃度分別為60.93 mg/L和8.38 mg/L，TN平均去除率為86.25%。相較于傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)的40.24%的TN平均去除率，該系統(tǒng)的TN平均去除率提高了46.01%，主要與改良型CRI系統(tǒng)的沸石、雜沙、濕干比以及填料結(jié)構(gòu)有關(guān)。

（3）運行至16天開始，系統(tǒng)出水NH3-N濃度趨于穩(wěn)定。達(dá)到穩(wěn)定后，進(jìn)、出水NH3-N的平均濃度分別為13.89 mg/L和2.34 mg/L，NH3-N平均去除率為83.13%。相較于傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)的37.32%的NH3-N平均去除率，該系統(tǒng)的NH3-N平均去除率提高了45.81%，主要與改良型CRI系統(tǒng)中的沸石和火山巖有關(guān)。

綜上，本文所構(gòu)建的改良型CRI系統(tǒng)在運行16天后出水TP、TN和NH3-N濃度均能趨于穩(wěn)定，故本研究所采用的20天試驗時長已能揭示該改良型CRI系統(tǒng)的運行效果。系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，TP、TN和NH3-N三項指標(biāo)的總平均去除率為84.44%，與傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)的44.06%總平均去除率相比，該系統(tǒng)的總平均去除率高出了44.38%。出水TP、TN和NH3-N的濃度均能分別滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級A排放標(biāo)準(zhǔn)的0.5 mg/L、15 mg/L和5 mg/L的限值。