擾動土壤提高乳制品廢水氮去除效果的研究

王石，史錕(大連交通大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧大連116028)*

擾動土壤提高乳制品廢水氮去除效果的研究

王石，史錕
(大連交通大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧大連116028)*

研究了擾動土和原狀土對乳制品廢水總氮的去除情況.結(jié)果表明，9和10月2次試驗中，乳制品廢水經(jīng)擾動土處理后，總氮平均濃度從122.85 mg/L減少到13.48 mg/L，平均去除率為89.03%;經(jīng)原狀土處理后，從122.85 mg/L減少到21.81 mg/L，平均去除率為82.25%.擾動土壤顯著增加了總氮的去除率.處理前擾動土和原狀土平均含氮量都為1.037 g/kg，處理后變?yōu)?.820和0.915 g/kg，分別減少了0.217 和0.122 g/kg.本研究過程中，氮素主要轉(zhuǎn)化成氮氣排放到大氣中或以硝態(tài)氮的形式存在于深層土壤中，擾動土處理和原狀土處理氮素平均轉(zhuǎn)化量分別為0.326和0.223 g/kg，平均流失率分別為27%和20%.由以上數(shù)據(jù)可得，土壤對乳制品廢水中總氮去除作用比較明顯，其中擾動土的去除率高于原狀土，擾動土壤能提高對乳制品廢水總氮的去除率.利用土壤處理乳制品廢水，相比傳統(tǒng)方法對總氮的去除率高，而且投資少，操作簡單，維護方便，是一種處理乳制品廢水的有效方法.

擾動土;原狀土;乳制品廢水;脫氮

0 引言

近年來，我國乳制品行業(yè)發(fā)展迅速，加上國家積極倡導(dǎo)人們消費乳制品，使其成為繼糧食、肉類、水產(chǎn)品之后必不可少的營養(yǎng)食品［1］.雖然該行業(yè)是一個有很大發(fā)展?jié)摿Φ氖称沸袠I(yè)，但在乳制品生產(chǎn)的過程中會產(chǎn)生大量有機廢水.該廢水主要特點是有機物含量高，可生化性好［2］.針對其特點，目前大多采用生化法進行處理，但由于乳制品廢水含氮量較高，生物處理過程中易產(chǎn)生惡臭，滋生蚊蠅，還存在占地面積大、投資費用高和處理效果不穩(wěn)定等問題，因此需探求更好的方法來處理乳制品廢水.

污水土地處理技術(shù)是一種污水處理的生態(tài)工程技術(shù)，它利用土壤礦物質(zhì)、有機質(zhì)和微生物的作用，經(jīng)過一系列物理、化學(xué)及生物化學(xué)反應(yīng)過程，將污染物質(zhì)去除.有資料表明，土壤對有機污染物有很強的降解能力，除氮效果好.雖然該技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但對擾動土和原狀土處理效果是否有區(qū)別的報道還比較少.本文利用擾動土和原狀土分別處理乳制品廢水，研究了它們對廢水中總氮的去除效果，并進行了比較.

1 材料與方法

1.1試驗設(shè)計

試驗包括兩部分，分別為擾動土試驗和原狀土試驗，地點為大連交通大學(xué)南區(qū)廢棄土地.9和10月各做1次，時間間隔約為30d，用10月份試驗驗證9月份試驗結(jié)果.

( 1)擾動土試驗

選取有代表性的試驗區(qū)域，稱取8.7 kg土壤裝進尺寸為40 cm×15 cm×20 cm的玻璃缸中，將表面鋪平，加入3 L乳制品廢水(取自大連市某乳業(yè)公司)，達到飽和狀態(tài)，靜置4 h后收集出水，做3次平行試驗.

( 2)原狀土試驗

在試驗區(qū)域挖底面圓直徑20 cm，高10 cm的圓柱，將其上底面邊緣墊高，緩慢加入3 L乳制品廢水，在圓柱四周插4個塑料管，用于收集出水，做3次平行試驗.

1.2樣品采集與處理

土樣:取對照土及處理后的擾動土和原狀土各約200 g.帶回試驗室，稱量鮮重，風(fēng)干后放入烘箱，先用120℃烘30 min進行殺青，然后用105℃烘8 h以上至恒重.將烘好的土樣研磨，過100目篩，裝袋備用.

水樣:將乳制品廢水和收集到的出水分別裝瓶保存，備用.

用凱氏定氮法對樣品進行測定，得到土壤全氮和水中總氮含量(由于乳制品廢水中硝態(tài)氮含量極少，可用凱氏氮近似表征總氮［3］)，每個樣品做2次平行試驗.

2 結(jié)果與討論

2.1土壤含氮量分析

從圖1可以看出，9和10月2次試驗后，擾動土和原狀土含氮量相比對照土都有所減少，原因可能是:首先，加入大量乳制品廢水后，土壤處于飽和狀態(tài)，廢水中的有機氮在多種土壤微生物作用下經(jīng)氨化過程轉(zhuǎn)變成銨態(tài)氮，其中一部分被土壤吸附和微生物固持，另一部分經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮.4 h后，土壤中導(dǎo)水孔隙被水分填充，其中的空氣被排出，形成氧氣濃度過低甚至缺氧的環(huán)境，此時反硝化作用加強，占主導(dǎo)地位，土壤中部分硝態(tài)氮被還原成氮氣或氧化亞氮排放到空氣中.其次，加入乳制品廢水后，由于土壤水分的大量增加，在入滲水流的作用下，硝態(tài)氮隨土壤溶液遷移的速度加快，原來不易遷移的銨態(tài)氮也有部分發(fā)生了遷移.通過以上兩種原因損失的氮大于土壤從乳制品廢水中吸附和固定的氮，因此，雖然添加乳制品廢水增加了氮輸入，但土壤含氮量反而減少了.

圖1 土壤含氮量

比較處理后擾動土和原狀土的含氮量，發(fā)現(xiàn)二者之間有顯著差異，且前者小于后者，9和10 月2次試驗結(jié)果一致.9月份處理前擾動土和原狀土含氮量都為1.093 g/kg，處理后變?yōu)?.866 和0.979 g/kg，分別減少了0.227和0.114 g/kg，擾動土比原狀土多轉(zhuǎn)化0.113 g/kg氮素.10月份處理前擾動土和原狀土含氮量都為0.981 g/kg，處理后變?yōu)?.774和0.851 g/kg，分別減少了0. 207和0.130 g/kg，擾動土比原狀土多轉(zhuǎn)化0. 077 g/kg氮素.這是因為擾動土孔隙大，有較大的比表面積，與乳制品廢水接觸面積大，對廢水中有機氮的分解、氨化、硝化、反硝化等一系列作用要比原狀土強烈，因此處理過程中排放到空氣中的氮氣或氧化亞氮較多.此外，由于孔隙大且多，氮素隨土壤溶液遷移的量也較多，這兩種因素導(dǎo)致擾動土氮素損失量大于原狀土.

2.2出水總氮濃度分析

土壤對污水中總氮的去除機理比較復(fù)雜，主要靠微生物的硝化和反硝化作用.由于污水水質(zhì)、微生物種類、氣候、土壤組成及周圍環(huán)境等因素的影響，不同污水土地處理系統(tǒng)對總氮的去除率有較大差異，根據(jù)國內(nèi)外不同研究者的研究結(jié)果，去除率多在10%～80%之間.

Avinas等［4］用紅土構(gòu)建土壤滲濾系統(tǒng)，處理進水TN濃度為( 10.8±6.4) mg/L的廢水，出水濃度為( 7.0±6.3) mg/L，平均去除率為34.8%.嚴(yán)群等［5］研究認為添加碳源可明顯提高地下滲濾系統(tǒng)對TN的去除效果，在此條件下進水TN濃度為31.2 mg/L，出水為14.7 mg/L，去除率為52. 88%.董文杰等［6］引入包埋硝化菌流化床來提高土壤滲濾系統(tǒng)的脫氮性能，對進水TN濃度為30.11 mg/L的生活污水進行處理，出水濃度為12.32 mg/L，去除率為59.08%.侯國華等［7］采用土壤柱試驗研究了土壤滲濾對再生水中有機微污染物的去除性能，其中進水TN濃度為25.2 mg/L，出水濃度為3.5 mg/L，去除率達到了86%.

就本文研究來說，總氮去除率可達70%以上.究其原因，首先，乳制品廢水COD和BOD含量比較高［8］，碳源豐富，C/N比較高，有利于總氮的去除［9］;其次，試驗過程中，土壤處于飽和狀態(tài)，在其內(nèi)部形成厭氧環(huán)境，有利于反硝化作用的進行.這是影響土壤脫氮效果的兩個主要因素.

由圖2可以看出，原狀土試驗出水總氮濃度大于擾動土試驗，且二者之間有顯著差異.9和10 月2次試驗中，乳制品廢水經(jīng)擾動土處理后，總氮濃度分別從157.50和88.20 mg/L減少到10.16 和16.80 mg/L，去除率分別為93.55%和80. 95%，平均去除率為89.03%;經(jīng)原狀土處理后，分別減少到18.98和24.64 mg/L，去除率為87.95%和72.06%，平均去除率為82.25%.經(jīng)方差分析可得，擾動土和原狀土對總氮的去除率有顯著差異.不同月份擾動土去除率都大于原狀土，說明擾動土處理效果較好，擾動土壤能提高乳制品廢水總氮的去除率.

圖2 出水總氮濃度

2.3氮素轉(zhuǎn)化與流失分析

土壤中的氮素在轉(zhuǎn)化過程中主要通過氨揮發(fā)、反硝化作用、淋溶作用等途徑流失，一部分以NH3、N2和N2O的形式排放到大氣中，另一部分以NO3

－、NO2－和NH4

+的形式淋洗到深層土壤或地下水中.

本研究中，氮素來源為乳制品廢水和土壤，去向為出水、土壤存留、大氣、深層土壤.其平衡關(guān)系如下:

乳制品廢水氮素+處理前土壤氮素=出水氮素+處理后土壤氮素+排放到大氣中氮素+遷移到深層土壤氮素，則氮素流失量=乳制品廢水氮素+處理前土壤氮素－出水氮素－處理后土壤氮素.

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，結(jié)合上述氮素平衡關(guān)系式可得: 9和10月擾動土處理氮素從1.251和1. 069 g/kg減少到0.876和0.791 g/kg，流失量分別為0.375和0.278 g/kg，相應(yīng)流失率分別為30%和24%，平均為27%;原狀土處理氮素從1. 251和1.069 g/kg減少到0.998和0.876 g/kg，流失量分別為0.253和0.193 g/kg，相應(yīng)流失率分別為22%和18%，平均為20%.本研究中氮素流失率為18%～30%，這與韓曉增等［10］有關(guān)氮素損失率的研究結(jié)果基本相當(dāng).

表1 各樣品含氮量 g/kg

2.4溫度對總氮去除的影響

9和10月試驗期間平均溫度分別為22和14℃，而擾動土和原狀土對總氮的去除率9月比10月分別高12.6%和15.89%，可見溫度是影響乳制品廢水中總氮去除的一個重要因素，低溫不利于總氮的去除.研究發(fā)現(xiàn)，在溫度為5～35℃范圍內(nèi)，有機氮轉(zhuǎn)化為無機氮的速率與溫度呈正相關(guān)［11］，即在此范圍內(nèi)，隨溫度升高，氮素轉(zhuǎn)化速度加快，總氮去除量增加，故9月去除率高于10月.

3 結(jié)論

本文用實地試驗研究的方法，分析了擾動土和原狀土在處理乳制品廢水前后土樣及水樣含氮量的變化情況，通過對試驗數(shù)據(jù)的處理與分析，得出以下主要結(jié)論:

( 1)利用土壤處理乳制品廢水過程中，由于土壤和土壤微生物的過濾、沉淀、吸附、降解、硝化、反硝化等一系列作用，對廢水中總氮的去除比較明顯，就本文研究結(jié)果來看，去除率能達到70%以上;

( 2)比較擾動土和原狀土對總氮的去除情況可得，擾動土的去除率大于原狀土，且有顯著差異，說明擾動土壤能顯著提高乳制品廢水總氮的去除率;

( 3) 9、10月試驗期間平均溫度分別為22℃、14℃，對比兩次試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)無論擾動土還是原狀土，9月份去除率都要高于10月份，可見乳制品廢水中總氮的去除跟溫度有關(guān)，低溫不利于總氮的去除.

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Improvement on Removing Nitrogen Concentration from Dairy Wastewater with Disturbed Soil

WANG Shi，SHI Kun
( School of Environmental and Chemical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

The removal efficiency of TN ( total nitrogen) from dairy wastewater was studied with disturbed and undisturbed soils.The results show that in September and October，the average TN concentration in wastewater is decreased from 122.85 mg/L to 13.48 mg/L after treatment with disturbed soil，and the removal efficiency is 89.03%.After treatment with undisturbed soil，and the removal efficiency is 82.25%.The TN removal efficiency has a significant difference between disturbed and undisturbed soils.The average nitrogen content of soil is 1.037 g/kg before treatment，and that of disturbed and undisturbed soils are 0.820 and 0.915 g/kg after treatment，decreased by 0.217 and 0.122 g/kg.During the experiment，the fate of nitrogen are atmosphere and deep layer soil or groundwater，so the average loss of nitrogen in disturbed and undisturbed soils are 0.326 and 0.223 g/kg，and the loss rates are 27% and 20% respectively.It can be concluded from the data above that the disturbed and undisturbed soils have different TN removal efficiencies.Soil treating system has a higher TN removal efficiency than traditional methods with less investment，simple operation，and easy maintenance.

disturbed soil; undisturbed soil; dairy wastewater; nitrogen removal

A

1673-9590( 2016) 01-0074-04

2015-03-18

王石( 1988－)，男，碩士研究生;

史錕( 1958－)，男，教授，博士，主要從事環(huán)境科學(xué)和土壤生態(tài)的研究

E-mail: skshikun07@ aliyun.com.