再生水干濕交替回灌過程氮素動(dòng)態(tài)變化特征研究

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(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

再生水干濕交替回灌過程氮素動(dòng)態(tài)變化特征研究

趙彩鳳，楊建

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

再生水地下回灌過程中，研究了前處理和含水層中氮污染物在干濕交替回灌過程中的變化特征。結(jié)果表明：回灌期間，在臭氧氧化作用下會(huì)發(fā)生硝化反應(yīng)，使NH4-N平均濃度降低0.196 mg/L，NO3-N平均濃度上升為2.26 mg/L。再生水進(jìn)入含水層后，水中游離氧仍然較高(6.89 mg/L)，注入井附近會(huì)繼續(xù)發(fā)生硝化反應(yīng)，使5#井中NH4-N下降至<0.07 mg/L；NO3-N濃度在3#井到5#井之間符合線性方程y=-0.172 8x+31.245；NO2-N在3#井、4#井和5#井中平均濃度分別為2.02 mg/L、2.023 mg/L和2.427 mg/L。非回灌期地下水中反硝化反應(yīng)使NO3-N降低了12.241 mg/L，NO2-N均上升了0.918 mg/L。另外，TN的變化規(guī)律與NO3-N類似，非回灌期5#井中TN的去除率達(dá)56.6%。

再生水； 地下回灌； “三氮”； 遷移轉(zhuǎn)化

地下水中氮污染(包括硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮)，比較典型的是來自化肥、污水灌溉、動(dòng)物和人類糞便的滲漏，目前已成為一個(gè)全球性的問題[1]。氮污染物中，氨氮和硝酸鹽[2]本身對(duì)人體沒有直接危害，但通過硝化反硝化反應(yīng)生成亞硝酸鹽，可誘發(fā)高鐵血紅蛋白癥、消化系統(tǒng)癌癥等疾病而威脅人體健康。美國(guó)EPA在安全飲用水法案中規(guī)定污染物最大容許量為10 mg/L(NO3—N)或44 mg/L(NO3-)[1]。對(duì)于氮素污染的成因、遷移轉(zhuǎn)化及治理措施，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)、模型模擬和同位素分析等方法進(jìn)行了大量的研究。例如，董悅安等[3]利用土柱實(shí)驗(yàn)?zāi)M化肥殘存量對(duì)地下水的氮污染；MacQuarrie和Sudicky[4]以及李志萍等[5]通過室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn)?zāi)M氨氮和NO3-在滲透介質(zhì)遷移對(duì)淺層地下水的影響；對(duì)于喬治島上受到污水原位處理處置系統(tǒng)影響的砂巖含水層，Corbett[6]等研究了氮污染物的空間變化；Feast等[7]為弄清含水層中硝酸鹽的來源和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，檢測(cè)分析了Norfolk北部含水層中的氮同位素(15N)；Lee等[8]建立動(dòng)力學(xué)模型研究了地下含水層中的硝化-反硝化反應(yīng)?！叭鞭D(zhuǎn)化的復(fù)雜性、影響因素的多樣性，使其問題較為復(fù)雜，需針對(duì)具體的水文地球化學(xué)環(huán)境進(jìn)行專門研究。

再生水地下回灌是指城市再生水經(jīng)過一定前處理后回灌至地下含水層，回灌水在包氣帶和含水層運(yùn)移過程中借助土壤含水層的物理、化學(xué)和生物作用，使水質(zhì)得到凈化，并擴(kuò)大地下水資源存儲(chǔ)量[9]；將城市再生水補(bǔ)給地下水，不僅可以提供重要的替代性水資源，減緩地下水位下降、防止海水入侵以及減少地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害，還可以避免排入地表水體造成水質(zhì)不達(dá)標(biāo)、危害人體健康和水體富營(yíng)養(yǎng)化等問題。但是，再生水中含氮量較高，對(duì)地下水污染的可能性較大，因此開展再生水干濕交替回灌過程中氮素遷移轉(zhuǎn)化研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究場(chǎng)地和工藝

本研究中再生水地下回灌場(chǎng)地位于某污水處理廠內(nèi)，自北向南布置，三個(gè)回灌池是慢速砂濾池(其中3#回灌池是備用砂濾池)；4個(gè)水井中1#井是回灌井，其余三個(gè)水井是監(jiān)測(cè)井?；毓噙^程中，污水廠再生水(二級(jí)出水+混凝沉淀砂濾)經(jīng)臭氧氧化和砂濾，在砂濾池底部收集，從1#井回灌至潛水含水層，回灌量500 m3/d。

臭氧化再生水，HD-200 AV臭氧發(fā)生器(北京恒動(dòng)環(huán)境技術(shù)有限公司)利用空氣發(fā)電后產(chǎn)生臭氧，通過氣液混合裝置進(jìn)入臭氧反應(yīng)罐(直徑1 m、高2.5 m)，日處理水量為500 m3/d，臭氧投加量10 mg/L。

臭氧反應(yīng)罐中的臭氧氧化出水，經(jīng)輸水管道輸送至回灌池內(nèi)，目前用于回灌運(yùn)行的回灌池1和回灌池2尺寸相同(長(zhǎng)20 m，寬5 m)、平行排列，回灌管道位于回灌池中部，與回灌池的一邊(20 m)平行。為了避免回灌水對(duì)池中砂層的沖刷，并保證回灌水在砂濾池中均勻分布，在回灌管道下部墊一層濾水板。

本研究中與回灌相關(guān)的地層主要包括回灌場(chǎng)地的包氣帶、潛水含水層和隔水層，整個(gè)包氣帶厚度約9.6 m(包括表層約1 m雜填土)，主要由粉質(zhì)粘土和粘質(zhì)粉土構(gòu)成，夾薄層細(xì)砂，質(zhì)地均勻，呈褐黃色，表明包氣帶通氣性好，具有良好的氧化環(huán)境。潛水含水層埋深在-9.6～-17.5 m之間，上半層為中細(xì)砂，下半層為圓礫石。隔水層厚度為7.3 m，由粉質(zhì)粘土和砂質(zhì)粉土組成。下層含水層埋深在-24.8～-39.4 m之間，主要成分為細(xì)砂、中細(xì)砂、圓礫和卵石。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

總氮(Total Nitrogen，TN)和TOC(Total Organic Carbon)的檢測(cè)采用multi N/C 2100專家型總有機(jī)碳/總氮分析儀(德國(guó)耶拿分析儀器股份公司)，水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾，取濾出液測(cè)定總氮含量；硝態(tài)氮(NO3-N)和亞硝態(tài)氮(NO2-N)的檢測(cè)采用ICS-1500離子色譜儀(美國(guó)戴安公司)，水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后檢測(cè)；氨氮(NH3-N)采用納氏試劑光度法(A)進(jìn)行分析測(cè)定，vis-723型可見分光光度計(jì)(北京瑞利分析儀器公司)，納式試劑(分析純)，酒石酸鉀鈉(KNaC4H4O6·4H2O，分析純)。pH、DO、溫度和ORP采用HQ40d雙通道數(shù)字化多參數(shù)測(cè)試儀(美國(guó)哈希)檢測(cè)，所檢測(cè)地下水為潛水含水層表層水；地下水埋深采用OTT KL010便攜式水位接觸法測(cè)定儀(德國(guó)OTT公司)測(cè)定。

3 結(jié)果和討論

再生水地下回灌過程中，臭氧氧化、砂濾和含水層均對(duì)再生水中pH、DO、溫度和ORP有影響(見表1)，其中DO和ORP最顯著，臭氧氧化使水中DO從7.38 mg/L增加至15.53 mg/L、ORP從-38.6 mv上升至-22.7 mv；砂濾出水中DO迅速減少為6.89 mg/L、ORP上升至-20.0 mv；含水層則同時(shí)降低了再生水中DO和ORP，最遠(yuǎn)的5#井中DO=2.7 mg/L、ORP=-43.7 mv。整個(gè)回灌過程中pH值先降(前處理階段)后升(含水層階段)，溫度的變化規(guī)律也類似，臭氧使水溫上升了0.5℃，砂濾和含水層則將最終出水(5#井)溫度降低了4.5℃。

表1 再生水地下回灌期間基本參數(shù)

通過對(duì)再生水地下回灌場(chǎng)地為期1年的監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明(見圖1)，再生水中TN含量為19.42～34.12 mg/L，其中夏季(7月-9月)再生水中TN較低(19.42～27.3 mg/L)，平均濃度為22.89 mg/L；其他季節(jié)TN含量較高(26.09～34.12 mg/L)，平均濃度為29.73 mg/L?；毓嗥陂g，臭氧、砂濾、3#井、4#井和5#井出水中TN平均濃度分別為22.78 mg/L、22.97 mg/L、20.89 mg/L、21.89 mg/L、20.94 mg/L(夏季)和29.21mg/L、29.18 mg/L、29.68 mg/L、29.21 mg/L、27.56 mg/L(其他季節(jié))，從各段出水中TN平均濃度可以看出，臭氧氧化和砂濾工藝段對(duì)再生水中TN含量影響很小，再生水進(jìn)入含水層后，夏季在含水層中運(yùn)移20 m(3#井)，TN有2 mg/L減少，其他季節(jié)則需要運(yùn)移40 m(5#井)，才實(shí)現(xiàn)TN2.17 mg/L的減少。停止回灌期間(1月20日—3月31日)，各監(jiān)測(cè)井中TN均有所降低，其中5#井中TN降低最明顯，停止回灌2個(gè)月后監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，TN下降為13.34 mg/L，相比較停止回灌前5#井中TN(30.73 mg/L)，去除率達(dá)到56.6%，含水層對(duì)TN有較強(qiáng)的去除能力。

圖1 再生水回灌中TN去除規(guī)律

再生水中NO3-N是TN的主要組成物質(zhì)，其變化規(guī)律與TN類似(見圖2)，夏季(6月-9月)再生水中NO3-N平均濃度為21.68 mg/L；其他季節(jié)NO3-N平均濃度為27.56 mg/L。再生水在臭氧氧化和砂濾過程中，由于臭氧的氧化作用，使水中發(fā)生硝化反應(yīng)，導(dǎo)致NO3-N平均濃度從25.95 mg/L上升為28.21 mg/L；當(dāng)再生水回灌進(jìn)入含水層后，水中NO3-N逐漸下降，3#井、4#井、5#井地下水中NO3-N濃度分別為27.91 mg/L、25.81 mg/L、24.46 mg/L，再生水從1#井運(yùn)移至3#井，NO3-N濃度變化符合線性方程y=0.014 7x+28.207；從3#井繼續(xù)水平運(yùn)移至5#井，可實(shí)現(xiàn)NO3-N13.3%的去除，使NO3-N濃度變化符合y=-0.172 8x+31.245的線性方程。停止再生水地下回灌，各監(jiān)測(cè)井中NO3-N均近似線性減少，且這種趨勢(shì)一直持續(xù)到2個(gè)月后重新開始回灌，此時(shí)3#井、4#井、5#井中NO3-N濃度分別減少至25.9 mg/L、21.3 mg/L、14.17mg/L，這可能由兩個(gè)因素導(dǎo)致：一是天然地下水的稀釋；二是含水層中發(fā)生反硝化反應(yīng)。

再生水中NH4-N濃度在0.186～1.166 mg/L之間，平均濃度0.507 mg/L(見圖3)。臭氧出水和再生水中NH4-N含量相當(dāng)，砂濾出水中NH4-N平均濃度則降低了0.196 mg/L，這是由于臭氧進(jìn)入水中分解為游離氧，使再生水中溶解氧(dissolved oxygen, DO)從7.38增加至15.53，也使得NH4-N在慢速砂濾池中發(fā)生硝化反應(yīng)，但是該硝化反應(yīng)所需游離氧很少，而砂濾出水中DO減少了8.64，分析再生水中有機(jī)物發(fā)現(xiàn)，臭氧氧化和砂濾處理前后，TOC從7.95 mg/L減少至5.87 mg/L(見圖4)，根據(jù)三維熒光光譜分析，被去除的這部分有機(jī)物主要是腐殖質(zhì)類有機(jī)物，這是導(dǎo)致水中DO大量減少的主要因素；有機(jī)物的氧化分解還使再生水中ORP逐漸升高(從-38.6 mv到-20.0 mv)[11]。再生水進(jìn)入含水層之后，水中DO仍然較高(6.89)，使得距離注入井較近的含水層區(qū)域處于好氧環(huán)境，會(huì)繼續(xù)發(fā)生硝化反應(yīng)，使水中NH4-N降低至<0.07 mg/L，硝化反應(yīng)消耗堿度會(huì)降低再生水中pH值(見表1)[11]。再生水在含水層中從3#井繼續(xù)向遠(yuǎn)處運(yùn)移，NH4-N濃度基本穩(wěn)定在0.067～0.092 mg/L。再生水停止回灌期間，三個(gè)監(jiān)測(cè)井中平均濃度分別為0.105 mg/L(3#井)、0.142 mg/L(4#井)和0.11 mg/L(5#井)，相比較回灌期間，地下水中NH4-N沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)，表明天然地下水對(duì)進(jìn)入含水層的回灌水影響較小。

圖3 再生水回灌中NH4-N去除規(guī)律

再生水中NO2-N受季節(jié)影響較大(見圖5)，夏季(6月—9月)NO2-N濃度<0.3 mg/L，其他季節(jié)在1～2 mg/L之間(平均濃度1.69 mg/L)。再生水地下回灌過程中，臭氧和砂濾工藝出水中NO2-N濃度分別為1.67 mg/L和1.68 mg/L，基本保持不變；當(dāng)NO2-N隨再生水進(jìn)入潛水含水層后，各水井中NO2-N逐漸升高，3#井、4#井和5#井中NO2-N分別達(dá)到2.02 mg/L、2.023 mg/L和2.427 mg/L，主要原因是回灌期間富氧再生水中氮素化合物發(fā)生硝化反硝化反應(yīng)，NO2-N作為中間產(chǎn)物產(chǎn)生而導(dǎo)致濃度升高。停止回灌期間，含水層中NO2-N均持續(xù)增加，各監(jiān)測(cè)井中均超過2.4 mg/L，5#井濃度甚至高達(dá)3.726 mg/L。

圖4 再生水回灌中TOC平均濃度變化規(guī)律

圖5 再生水回灌中NO2-N去除規(guī)律

為了進(jìn)一步分析再生水地下回灌中三氮的變化規(guī)律，將整個(gè)回灌按照回灌期和非回灌期、夏季和其他季節(jié)，進(jìn)行各監(jiān)測(cè)段出水中NO3-N、NH4-N、NO2-N分析。根據(jù)回灌過程中不同工藝段出水“三氮”含量變化(見表2)可以看出：回灌期間(包括夏季和其他季節(jié))對(duì)再生水進(jìn)行臭氧氧化和砂濾前處理時(shí)，再生水中NH4-N、NO2-N和DO逐漸減少，NO3-N逐漸增加，表明前處理階段主要發(fā)生了(NH4→NO2→NO3)硝化反應(yīng)，期間再生水中有機(jī)物也發(fā)生了氧化分解(CH2O+O2→CO2+H2O)；再生水進(jìn)入含水層后，由于水中游離氧仍然較高(6.89)，在注入井附近會(huì)繼續(xù)發(fā)生硝化反應(yīng)，使NH4-N降低；繼續(xù)向遠(yuǎn)處運(yùn)移，水中DO逐漸降低，NO3-N開始降低，ORP從-20.0 mv大幅度下降至-43.7 mv，pH從7.73上升至8.15，該現(xiàn)象表明盡管地下水表層DO>2 mg/L，但整個(gè)含水層總體上處于還原環(huán)境，在含水層中發(fā)生了反硝化反應(yīng)。非回灌期NO3-N平均降低了12.241 mg/L，NO2-N上升了0.918 mg/L，3#井、4#井和5#井中地下水表層DO分別為1.85 mg/L、2.24 mg/L和1.97 mg/L，均比回灌期間低，說明地下水中發(fā)生了反硝化反應(yīng)(NO3→NO2→N2)，并有NO2-N中間產(chǎn)物的產(chǎn)生。

表2 不同工藝段出水中“三氮”含量變化 mg/L

注：↘表示減少；↗表示增加。

4 結(jié)語

再生水干濕交替地下回灌過程中，根據(jù)回灌期和非回灌期，分析前處理和含水層中“三氮”變化特征，得到以下“三氮”變化在地下回灌中的結(jié)論：

(1)臭氧氧化使再生水中NO3-N平均濃度從25.95 mg/L上升為28.21 mg/L；再生水進(jìn)入含水層后，水中NO3-N濃度在3#井～5#井之間符合線性方程y=-0.172 8x+31.245。

(2)砂濾出水中NH4-N平均濃度降低0.196 mg/L，進(jìn)入含水層之后，水中DO仍然較高(6.89)，會(huì)繼續(xù)發(fā)生硝化反應(yīng)，最終可使NH4-N降低至<0.07 mg/L，硝化反應(yīng)消耗堿度還降低了再生水中pH值。

(3)氧和砂濾工藝出水中NO2-N濃度基本保持不變；當(dāng)NO2-N隨再生水進(jìn)入潛水含水層后，3#井、4#井和5#井中NO2-N分別達(dá)到2.02 mg/L、2.023 mg/L和2.427 mg/L。

(4)非回灌期地下水中發(fā)生反硝化反應(yīng)，NO3-N平均降低了12.241 mg/L，NO2-N平均上升了0.918 mg/L。

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Studyonthedynamicchangeofnitrogenintheprocessofalternateirrigationprocess

ZHAOCai-feng,YANGJian

(Xi’an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xi’an 710054, China)

During the underground recharge of reclaimed water, the change characteristics of nitrogen pollutants in the pretreatment and aquifer during the alternate dry and wet recharge process were studied. The results show that nitrification occurs under ozonation, and the average concentration of NH4-N is decreased by 0.196 mg/L, and the average concentration of NO3-N is increased by 2.26 mg/L during the recharge period. After the recycled water enters the aquifer, the free oxygen in the water is still higher (6.89 mg/L), and the nitrification reaction will continue to occur near the injection well, reducing the NH4-N to < 0.07 mg/L in the 5# well. The linear equation y=-0.172 8 x+31.245 is in line with the concentration of NO3-N in 3 # and 5 # well; the average concentration of NO2-N in 3# well, 4# well and 5# well is 2.02 mg/L, 2.023 mg/L and 2.427 mg/L, respectively. Denitrification in non recharge groundwater reduced NO3-N by 12.241 mg/L, and NO2-N increased by 0.918 mg/L. In addition, the change rule of TN is similar to that of NO3-N, and the removal rate of TN is 56.6% in non recharging 5# well.

reclaimed water；underground recharge；three nitrogen；migration and transformation

P641.25

A

1004-1184(2017)05-0015-03

2017-05-05

國(guó)家自然科學(xué)基金(41302214)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0501104)；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司創(chuàng)

新基金面上項(xiàng)目(2015XAYMS18)

趙彩鳳(1979-)，女，山西左權(quán)人，工程師，主要從事地下水環(huán)境污染防治和環(huán)境影響評(píng)價(jià)方面的研究工作。