济南市环境研究院 山东省济南市 250101
摘要：随着氮素污染的日益严重和人们环保观念的逐渐增强，废水除氮技术成为社会各界高度关注的问题。传统废水脱氮技术普遍存在脱氮效率低下、能源消耗大、设备投资高的缺陷。因此开展高效脱氮新工艺新技术的研究成为国内外学者的一项重要研究课题。本文对生态土壤系统对生活污水的处理效能及氮循环过程进行了分析探讨，以期对该领域有所借鉴。
关键词：生态土壤系统；生活污水；脱氮；处理技术
引言 随着氮素污染的日益严重和人们环保观念的逐渐增强，废水除氮技术成为社会各界高度关注的问题。传统废水脱氮技术普遍存在脱氮效率低下、能源消耗大、设备投资高的缺陷。高效脱氮新工艺新技术的研究受到广泛关注，特别是在填料选择、系统设计、作物筛选及过程模拟等方面取得了一定效果，但研究应用还不太深入，生态土壤系统实际运行的稳定性、可靠性和处理效率还亟待提升。本文对生态土壤系统对生活污水的处理效能及氮循环过程进行分析探讨。
1生态土壤系统氮循环过程研究概述
氮在生态土壤系统中以不同形态广泛存在，特别是在大气圈、岩石圈、生物圈和水圈以不同形态存在着，根据环境条件的不同可以在不同形态之间发生转化和介质迁移。生态土壤系统中存在的大量的氮，因为植物生长、微生物活动、氨挥发、介质吸附等各种不同的作用，在时刻发生着转变。生态土壤系统中的氮循环一般主要包括生物固氮、氨化、硝化和反硝化等过程。污水中的有机氮经过水解后被植物直接利用，在生态土壤装置中，进行微生物和各种酶作用下的氮的硝化、反硝化等生物化学反应，脱氮工作得以实现，土壤–植物生态系统成为清除氮污染重要“法宝”。当前对生态土壤系统脱氮效率的分析研究已经卓有成效，但对氮素在系统内部的动力学行为了解的不够。污水脱氮效率提高的同时，脱氮过程中势必产生大量的温室气体N2O，对氮的转化措施进行深入的研究成为一项重要的研究课题。污水脱氮、农田生态系统中氮循环模型研究、生态土壤系统氮循环研究等都有了一定进展。因为水生植物的种属、栽种方式和生态土壤系统的运行方式存在不同，生态土壤系统中氮循环也存在显著的差异性。过去对氮循环过程的研究只考虑了特定系统在特定条件下氮素的去除，生态土壤系统的工艺特点没有真实反映。可以根据氮在生态土壤系统中的行为，建立一个四维非线性动力系统，对生态土壤系统氮循环的动力学行为进行模拟，在生态土壤系统的设计和运行管理中进行应用。
2生态土壤系统氮循环过程研究
2.1 生态土壤系统氮素转化途径分析。在生态土壤系统对生活污水氮的净化过程中，水生植物的作用主要体现在：一是直接吸收利用污水中的游离态氨和硝态氮；二是为系统输送氧气，进一步强化硝化作用；三是根区伸展为微生物吸附生长增加表面积；四是使基质的通气透水性能能较好的维持和增强。生态土壤系统中去除氮或进行氮的转化主要包括氨氮挥发、微生物硝化、反硝化作用和水生植物吸收等几个方面。
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通过实践研究表明，进入生态土壤系统中的氮去除方法，可以采取系统出水、气体挥发、植物吸收、微生物作用或介质吸附等方式实现。该实验系统进水TN主要采取有机氮，有机氮部分通过介质和植物根系吸附，或者采取沉淀方式去除，大部分氮经过氨化细菌的作用转化为了游离态氨。通过实验数据显示出水中的游离态氨能占到一半左右，说明已经有大量的有机氮转化成了游离态氨。需要指出的是，因为生态土壤系统填充的介质和系统出水的p H值均为酸性，所以NH3的挥发损失可以忽略不计。有研究学者认为植物的吸收和存储，往往占生态系统氮去除的一小部分。在土地处理系统中，通过植物吸收得到的TN去除率，通常情况下也低于20%。该实验生态土壤系统N2O-N的转化率范围一般在0.14%-1.18%之间，脱氮效率较低。
通过上述数据可以知道，通常进入生态土壤系统的氮素采取系统出水、植物吸收、微生物作用这三种方式来去除。实验数据显示出水氮素含量越低，脱氮效率就越高。通过几种水生植物的脱氮能力比较，芦苇的脱氮能力能达到82%～96%，也就是说明芦苇床微生物作用最强烈，并且N2O-N的转化率相对不高，因此推荐采用芦苇床进行生活污水的处理。
2.2氮循环动力系统数值模拟和评价
对系统中各种形态氮的浓度变化进行测定，是一项非常繁杂的工作，只能对生态土壤系统氮的实际变化过程进行了解，可能出现的情况无法预知，也无法做出定量分析。为使复杂生态处理系统中氮的循环迁移过程进行定量的分析和预测，研究实验以实际的观测值为依据，通过建立四维非线性动力系统模型，并不断的对该数学模型校正，能使实际监测的强度得到降低，并能较为准确的预测系统内各形态氮的去除能力。实验模型基本囊括了氨化作用、硝化作用、反硝化作用、氨的挥发和水生植物的吸收这五个循环过程，并对季节的波动和进水负荷这两种因素对氮的迁移过程的影响进行了分析和预测。一是氨化作用。氨化作用指的是“通过微生物将土壤中的有机氮矿化成氨的过程”。土壤温度和有机氮浓度直接影响着氨化率。通常可以通过公式 ra=αT来表示，式中α表示相关系数，取值范围在0.0004-0.135之间，T表示水温。二是硝化作用。硝化作用指的是“由硝化菌将氨氮氧化成硝酸盐的过程”。温度、p H值、湿度、微生物群落、游离态氨浓度和溶解氧浓度等因素都是影响硝化作用的主要方面。三是反硝化作用。反硝化过程中NO3-或NO2-，它们二者作为兼性厌氧菌的电子受体，厌氧条件下一般被还原为氮氧化物或N2。因为反硝化细菌大多属于兼性的，当溶解氧极低时可以利用硝酸盐中的氧当做电子受体，有机物当做电子供体来提供能量。环境因素比如土壤湿度、NO3--N浓度、温度等是影响反硝化率的主要因素。四是氨挥发。氨挥发是个物理化学过程。有的研究学者指出当p H值低于8.0时，氨挥发很小一般可以忽略；p H值高于8.0低于8.5时，在20摄氏度时，氨挥发能20-25%左右；p H值为9.3左右时，挥发的NH3和NH4+离子比例接近1：1。可以看出温度和p H值是影响氨挥发率的主要因素。五是水生植物的吸收作用。植物通过自身的生长代谢可以将水体中的有机氮转化成游离态氨和硝态氮吸收。研究实验表明，植物对氮的吸收率是植物生长率、游离态氨和硝态氮浓度的函数。另外氮的迁移转化受季节变化和进水负荷的影响。通过运用模型预测值和实测值比较，，系统氮循环迁移过程受生态土壤系统植物生长变化的影响，存在明显季节差异。冬季植物枯萎时有50%-80%左右的氮流出系统，出水TN 有较高浓度。当夏季水生植物保持良好的长势时，进水所有形态的氮参与循环过程。实验表明，随着系统进水负荷的增加，氮的去除效率降低，并且脱氮效能受到季节和气温的影响作用很大。除了受季节变化和进水负荷影响外，研究模型还受到水质参数、系统温度、水位、p H值、进水流量、土壤湿度、植物生长率死亡率和植物密度等多种环境因素的影响。
3结语
通过对氮素在生态土壤系统中的迁移转化过程进行分析，建立氮循环动力系统模型，能较好的预测生态土壤系统氮素的去除能力，为生态土壤系统的广泛推广提供理论依据。
参考文献
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论文作者:杨新明
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
标签：土壤论文; 系统论文; 生态论文; 氮素论文; 过程论文; 作用论文; 污水论文; 《建筑学研究前沿》2017年第30期论文;