徐國(guó)勛 陶紅
(上海理工大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，上海200093)

　　摘　要：介紹了一種微污染源水中去除氨氮的小型動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果。以凹凸棒粘土為啟動(dòng)期的生物載體替代生物陶粒或軟填料，采用脫氮反應(yīng)池串聯(lián)或并聯(lián)于常規(guī)凈水工藝兩種工藝流程，取得了類似其他生物氧化法的除氮效果，并且具有無(wú)明顯生物培養(yǎng)期及啟動(dòng)快的特點(diǎn)。考查了影響因素和含氮化合物在凈化過(guò)程中的舉動(dòng)。
　　關(guān)鍵詞：凈水工藝；凹凸棒粘土；硝化反應(yīng)

　　許多自來(lái)水廠的地表水源，由于受到農(nóng)田排水、生活污水和工業(yè)廢水的污染，水質(zhì)正在日益惡化，其中一個(gè)普遍存在的問(wèn)題就是水中氨氮濃度過(guò)高。常用的處理方法是用生物氧化過(guò)程對(duì)源水進(jìn)行預(yù)處理^[1，2]。目前在國(guó)內(nèi)研究和應(yīng)用較多的是生物陶粒濾池和生物接觸氧化法。作為生物膜的載體，分別采用了陶粒和軟性填料。該方法安裝和管理比較復(fù)雜，且在池內(nèi)體積和形狀是固定的，位置基本也是固定的，并不隨水流方向一起運(yùn)動(dòng)。
　　本試驗(yàn)是利用粘土作載體，通過(guò)吸附和好氧硝化反應(yīng)去除水中的氨氮。它的特點(diǎn)是：不需要培養(yǎng)期；粘土重復(fù)利用；去除效率受水溫影響小；安裝和管理簡(jiǎn)單；消耗的作用水頭小。

1.試驗(yàn)方法

1.1 粘土
　　采用凹凸棒石(Attapilgite)粘土，它有著獨(dú)特的層鏈狀結(jié)構(gòu)，使其具有很好的孔隙結(jié)構(gòu)和很大的比表面積。靜態(tài)試驗(yàn)表明它與活性炭一樣，對(duì)水中氨氮有著良好的吸附效果。
　　試驗(yàn)用凹凸棒顆粒粒徑在0.4——0.8mm，1L顆粒干重606g，濕重約1400g。試驗(yàn)開始時(shí)，投加到再生池中的顆粒為4.8L，共計(jì)干重2909g。
1.2 工藝流程
　　圖1為脫氮反應(yīng)池與凈水構(gòu)筑物并聯(lián)的小試裝置工藝流程示意圖，沉淀池下排的污泥流入脫氮反應(yīng)池，該池的污泥和進(jìn)水、絮凝劑一起流入反應(yīng)池，粘土在脫氮反應(yīng)池、反應(yīng)池、沉淀池之間循環(huán)。
　　圖2為脫氮反應(yīng)池與凈水構(gòu)筑物并聯(lián)的小試裝置工藝流程示意圖，圖中脫氮反應(yīng)池相當(dāng)于預(yù)曝氣池，粘土只在池內(nèi)運(yùn)動(dòng)，基本不流入其它構(gòu)筑物。

1.3 試驗(yàn)裝置
　　主要試驗(yàn)裝置用有機(jī)玻璃和塑料制作，其容積和尺寸見表1，濾池礫石厚度400mm，采用自來(lái)水廠石英砂濾料，厚度500mm。

表1　　 主要試驗(yàn)裝置的容積和尺寸 容器名稱 外形尺寸（mm) 有效水深（mm） 有效容積（L） 配水箱 500×500×500 400 100 高位水箱 φ360×400 400 40 反應(yīng)池 360×360×450 400 25 沉淀池 φ140×2000 1910 29×2 濾池 φ140×2000 1900 28 脫氧反應(yīng)池（并） 725×360×430 250 65 脫氧反應(yīng)池（串） φ500×500 300 59

表2　　 水質(zhì)化驗(yàn)項(xiàng)目及分析方法 項(xiàng)目名稱 分析方法 高錳酸鉀耗氧量（CODMn） 容量法（酸性） 化學(xué)耗氧量（CODcr） 重鉻酸鉀法 堿度（AlKa.） 電位滴定法 總凱氏氮（TKN） 容量法 氨氮（NH₃-N） 容量法 硝酸鹽氮（NO₃-N） 戴氏合金還原法 亞硝酸鹽氮（NO₂-N） α-萘胺比色法

1.4 試驗(yàn)用水和絮凝劑
　　城市二級(jí)河道的河水和自來(lái)水按1：3的比例配制而成。城市二級(jí)河道的河水水質(zhì)是變化的，通常COD在70—100mg／L，NH3-N在8--12mg/L，高錳酸鉀耗氧量進(jìn)20～25mg/L。
　　絮凝劑采用硫酸鋁(A12(SO4)318112O)，投加量為40mg／L，試驗(yàn)中投藥量沒(méi)有變化。
1.5 化驗(yàn)項(xiàng)目
　　 水質(zhì)化驗(yàn)項(xiàng)目和分析方法見表2。

2.試驗(yàn)結(jié)果

2.1 含氮化合物
　　(1)并聯(lián)方式
　　按圖1所示脫氮反應(yīng)池與凈水構(gòu)筑物并聯(lián)的工藝流程運(yùn)行，進(jìn)水流量25L/h，循環(huán)流量20L／h。循環(huán)流量是指脫氮反應(yīng)池向反應(yīng)池輸送的液體和沉淀池底部向脫氮反應(yīng)池輸送的液體，這兩種液體的流量應(yīng)相等，以保證再生池內(nèi)水位不變。試驗(yàn)結(jié)果見表3，可以看出NH3-N 的去除率＞30％。
　　(2)串聯(lián)方式
　　按圖2所示脫氮反應(yīng)池與凈水構(gòu)筑物串聯(lián)的工藝流程運(yùn)行，進(jìn)水流量20～40L／h。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3　　 并聯(lián)方式含氮化合物在進(jìn)出水中的變化 序號(hào) TKN NH₃-N NO₃-N NO₂-N 進(jìn)水 出水 進(jìn)水 出水 進(jìn)水 出水 進(jìn)水 出水 1 12.46 3.36 5.71 2.02 -- -- 0.02 1.80 2 9.10 3.92 6.50 2.58 1.46 4.37 0.01 1.80 3 8.12 2.52 5.94 3.02 2.02 1.57 0.01 0.90 4 8.45 2.52 5.26 2.80 0.78 0.78 0.01 0.54 5 7.98 5.60 5.60 3.14 0.89 1.57 0.01 0.40 6 6.44 2.80 5.15 2.13 1.01 0.89 0.01 1.15 7 6.72 2.26 5.15 2.35 0.38 1.01 0.01 1.95 8 6.02 2.38 5.38 1.68 1.40 1.68 0.01 1.74 9 5.15 0 4.83 0 2.13 2.46 0.03 3.90 10 5.21 0.05 4.93 0 -- -- -- -- 11 6.07 0 5.26 0 -- -- -- --

表4　　 串聯(lián)方式含氮化合物在進(jìn)出水中的變化 序號(hào) TKN NH₃-N NO₃-N 進(jìn)水 出水 進(jìn)水 出水 進(jìn)水 出水 1 5.88/4.62 0.28/1.82 5.42/4.48 0/1.69 -- -- 2 4.75 0.53 4.14 0.34 1.29 2.63 3 4.48 0.84 4.03 0.45 1.46 2.13 4 4.67 0.80 4.03 0.78 0.82 1.63 5 3.92 0.92 3.70 0.90 0.67 2.02 6 3.54 1.56 3.47 1.01 1.23 1.57

　　從表3、表4可以清楚地看出，山水與進(jìn)水相比TKN、NH₃－N是減少的，而N0₃-N和N0₂-N是增加的。
2.2 高錳酸鉀耗氧量
　　這兩種工藝對(duì)CODMn均沒(méi)有明顯的去除效果，并且還可以看到這樣一種現(xiàn)象，當(dāng)NH₃-N去除率高時(shí)，出水CODMn反而比進(jìn)水CODMn高，增幅可達(dá)24％。
2.3 堿度
　　試驗(yàn)結(jié)果表明，出水比進(jìn)水大約要降低14％～30％，這說(shuō)明去除氨氮是一個(gè)消耗堿度的過(guò)程。當(dāng)然，投加絮凝劑硫酸鋁也消耗水中的堿度。

3.影響因素

3.1 停留時(shí)間
　　源水在脫氮反應(yīng)池中的停留時(shí)間是影響NH₃－N去除效果的主要因素，改變進(jìn)水流量，即改變反應(yīng)池的停留時(shí)間，進(jìn)行了一系列對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見圖3。表明停留時(shí)間越長(zhǎng)，去除效果越好。可以根據(jù)源水和出水NH₃-N的要求選擇適宜的停留時(shí)間。

3.2 粘土濃度
　　為了考查顆粒濃度對(duì)處理效果的影響，進(jìn)行了一組顆粒濃度的對(duì)比試驗(yàn)，采用串聯(lián)工藝運(yùn)行，其他試驗(yàn)條件不變，只是每天向脫氮反應(yīng)池中投加200mL濕的凹凸棒顆粒，共投加8次，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。圖中NH₃-N下降值表示進(jìn)水和出水NH₃-N的差值。可見隨著凹凸棒投加量的增加，池中顆粒濃度越來(lái)越高，NH₃-N的去除能力也相應(yīng)越來(lái)越大。試驗(yàn)中投加顆 粒1.6L，干重970g，對(duì)于脫氮反應(yīng)池顆粒濃度增加15g／L，用重量百分比濃度表示增加1.5％。對(duì)NH₃-N的去除率從37.5％上升到近100％。顯而易見顆粒濃度對(duì)去除效果有著舉足輕重的作用。
3.3 溫度
　　本項(xiàng)試驗(yàn)是在冬季有供熱設(shè)施的試驗(yàn)大廳內(nèi)進(jìn)行、配水池的水混6～12℃，這個(gè)范圍的溫度對(duì)于微生物還是偏低的。沒(méi)有進(jìn)行水溫對(duì)比的試驗(yàn)，尤其是5℃以下有更加重要的指導(dǎo)意義。
3.4 CODCr的濃度
　　微污染水中以CODcr為主的有機(jī)物濃度對(duì)氨氮的去除有明顯的影響，而這和傳統(tǒng)的污水中COD和氨氮的相互關(guān)系明顯不同[3]。試驗(yàn)中個(gè)別地測(cè)定了CODcr。觀察到當(dāng)CODcr在40—50mtg/L時(shí)，NH3-N的去除率明顯下降，而COD在20mg／L左右時(shí)，去除率明顯上升，二者相差約1倍。
3.5 pH值和堿度
　　生物硝化是硝化菌對(duì)離子氨進(jìn)行硝化反應(yīng)，pH值應(yīng)小于8.0。當(dāng)pH值在6.5～10.0時(shí)，水中的碳酸主要以HCO3-的形式存在，有利于硝化反應(yīng)。試驗(yàn)用水pH6.5～8.0，堿度在140～200mg/L之間，足夠NH₃－N的硝化需要。進(jìn)行了在進(jìn)水中投加HCO3-的試驗(yàn)，沒(méi)有觀察到能夠加速硝化反應(yīng)，可能是因?yàn)樵黾親CO₃-濃度提高了pH值，減少了離子氨的比例，對(duì)NH₃－N的轉(zhuǎn)化不利。

4.工藝流程的選擇

4.1 并聯(lián)方式
　　該工藝將凈水工藝和脫氮反應(yīng)池并聯(lián)連接，凹凸棒顆粒在脫氮反應(yīng)池、反應(yīng)池、沉淀池、脫氮反應(yīng)池內(nèi)循環(huán)，與此同時(shí)源水在反應(yīng)池與絮凝劑反應(yīng)生成絮體，在沉淀池沉淀下來(lái)，由 濁度和絮凝劑生成的沉淀污泥同凹凸捧顆粒一起進(jìn)入脫氮反應(yīng)池，隨著運(yùn)行的延續(xù)，循環(huán)次數(shù)的增多，沉淀污泥所占的比例越來(lái)越大，因此這種工藝起作用的，即微生物的載體，不只是凹凸棒的顆粒，還有沉淀污泥。
　　如果不定期排放這種混合污泥，凹凸棒的總量保住了，但泥量越來(lái)越大，這對(duì)于去除氨氮是有利的，對(duì)于凈水工藝未必有利，特別是對(duì)于出水水質(zhì)可能還有不利的影響。如果定期排放這種混合污泥，脫氮反應(yīng)池中凹凸棒的總量肯定日益減少，沉淀污泥所占比例越來(lái)越大。實(shí)際上到一定階段從量變到質(zhì)變，從凹凸棒作載體到漸漸變成凹凸棒和污泥共同作載體，到最終幾乎全部變成污泥作載體，不過(guò)試驗(yàn)表明以污泥作載體，同凹凸棒起的作用是相同的。 如果排放顆粒和投加顆粒達(dá)到平衡，則要象投加絮凝劑一樣，變成消耗性材料，增加了運(yùn)行費(fèi)用。
　　該工藝的優(yōu)點(diǎn)是不影響凈水工藝流程的作用水頭，對(duì)舊有水廠的改造有利，但隨之也帶來(lái)一個(gè)不利點(diǎn)，即循環(huán)流量對(duì)反應(yīng)池、沉淀池的沖擊，本試驗(yàn)進(jìn)水流量：循環(huán)流量＝1～2：1，相對(duì)于進(jìn)水流量來(lái)說(shuō)，循環(huán)流量還是舉足輕重比較大的。如果這些構(gòu)筑物按常規(guī)進(jìn)水流量設(shè)計(jì)，則加上循環(huán)流量后，水力停留時(shí)間難于保證，從而處理效果也就難于保證。如果按進(jìn)水流量加循環(huán)流量設(shè)計(jì)，則工程規(guī)模無(wú)形之中加大，基建費(fèi)用肯定大人增加。
4.2 串聯(lián)方式
　　串聯(lián)方式?jīng)]有循環(huán)流量帶來(lái)的一系列問(wèn)題，在脫氮反應(yīng)池中CODcr濃度就是源水的濃度，不存在濃度積累的問(wèn)題，所以相對(duì)而言除氮效率高，能耗低。串聯(lián)方式需要注意的一個(gè)問(wèn)題是脫氮反應(yīng)池出口的固液分離，即顆粒與水的分離。如果顆粒在出口處被帶走，則池內(nèi)顆粒濃度就降低，除氮能力也就隨之降低。為了保證處理效果就需要補(bǔ)充顆粒，因此脫氮反應(yīng)池運(yùn)行好壞同顆粒濃度密切相關(guān)，分離得好就能避免增加后續(xù)工藝的負(fù)擔(dān)。分離的好壞取決于顆粒自身因素和出口的構(gòu)造。

5. 凈水構(gòu)筑物的作用

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，本試驗(yàn)采用去除氨氮的方法是一個(gè)典型的好氧條件下的硝化反應(yīng)，其現(xiàn)象是在處理過(guò)程中凱氏氮、氨氟下降，亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮上升，pH下降，堿度下降。
　　在試驗(yàn)中可以觀察到一個(gè)重要的現(xiàn)象，氨氮的轉(zhuǎn)變不僅僅發(fā)生生脫氮反應(yīng)池，而是發(fā)生在整個(gè)凈水過(guò)程中。也就是說(shuō)，除了脫氮反應(yīng)池外，絮凝反應(yīng)池、沉淀池、濾池均發(fā)生硝化反應(yīng)，這是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，但是在這個(gè)過(guò)程中側(cè)重有所不同，前面主要發(fā)生氨氮向亞硝酸鹽的轉(zhuǎn)變。后面主要發(fā)生亞硝酸鹽向硝酸鹽的轉(zhuǎn)變。

　　以串聯(lián)方式為例，分析含氮化合物在處理過(guò)程中的舉動(dòng)。圖5表示處理過(guò)程中氨氮的平均理降率。圖中假設(shè)源水減出水的氨氮差值為100％。從圖中清楚地看出預(yù)曝氣池去除率最 高，達(dá)53％，其次為濾池占38.5％，最差的沉淀池只占8.48％，從NH3-N曲線看，脫氮反應(yīng)池和濾池的斜率差不多，但濾池的停留時(shí)間短，因此從下降速率看比預(yù)曝氣池更高一些。試驗(yàn)中觀察到濾池的去除能力不穩(wěn)定變化較大，變化范圍為0.8mg／L～1.5mg／L。對(duì)其影響因素 尚未作認(rèn)真測(cè)試。
　　亞硝酸鹽在處理過(guò)程中是逐漸上升的，但由于亞硝酸鹽的不穩(wěn)定，易轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，增加值很小。硝酸鹽在處理過(guò)程中是逐漸上升的，其舉動(dòng)如圖6所示，圖中假設(shè)出水減源水硝酸鹽氮的差值為100％，脫氮反應(yīng)池增加49.2％，濾池為47.7％。同圖5相比較，脫氮反應(yīng)池硝酸鹽氮增加率比氨氮下降率低，而濾池正相反，硝酸鹽增加率比氨氮下降率高。
　　沉淀池中實(shí)現(xiàn)固液分離，水中顆粒性物質(zhì)很少，氨氮沒(méi)有機(jī)會(huì)同載體接觸，也就沒(méi)有機(jī)會(huì)同載體上的微生物接觸，這可能就是沉淀池去除率低的原因。如果采用斜管沉淀池，將大大增加微生物載體需要的表面積，可能去除率會(huì)明顯地提高。還有一個(gè)條件就是水中的溶解氧，通過(guò)測(cè)定出水的溶解氧濃度，表明溶解氧消耗很少。

6. 結(jié)論

　　(1)凹凸棒顆粒具有吸附氨氮的作用，在常規(guī)凈水工藝上并聯(lián)或串聯(lián)脫氮反應(yīng)池，以該顆粒為微生物載體，替代生物接觸氧化池中的填料，使脫氮反應(yīng)池具有良好的去除氨氮的能力，試驗(yàn)表明這兩種工藝在技術(shù)上均是可行的；
　　(2)本項(xiàng)技術(shù)處理氨氮的原理是微生物在好氧條件下的硝化反應(yīng)，有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，而亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮；
　　(3)含氮化合物的硝化反應(yīng)不只是發(fā)生在脫氮反應(yīng)池，而且發(fā)生在包括脫氮反應(yīng)池在內(nèi)的整個(gè)凈水過(guò)程，在反應(yīng)池、沉淀池、濾池氨氮均有不同程度的去除。
　　(4)試驗(yàn)表明凹凸棒代替陶粒和填料，盡管動(dòng)態(tài)試驗(yàn)啟動(dòng)時(shí)水溫較低，但裝置起動(dòng)后立即就具有了去除氨氮的能力，不需要生物陶粒濾池和接觸氧化池必不可少的啟動(dòng)期，這個(gè)啟動(dòng)期大約要10～30天，需要經(jīng)歷接種和掛膜等階段。而本項(xiàng)技術(shù)看不到有明顯的啟動(dòng)期，具有啟動(dòng)快的特點(diǎn)。其原理還沒(méi)有確切的證據(jù)，可能是由于顆粒本身具有對(duì)氨氮的吸附能力，這從靜態(tài)燒杯試驗(yàn)可以證實(shí)，在初期是利用吸附作用去除氨氮，而由于顆粒粒徑較小，掛膜也要容易一些。吸附能力是有限的，當(dāng)吸附作用消失時(shí)微生物已在顆粒上生根，形成生物膜，產(chǎn)生硝化反應(yīng)，繼續(xù)完成去除氨氮的過(guò)程。
　　(5)試驗(yàn)表明停留時(shí)間、凹凸棒粘土的濃度、溫度、曝氣、COD的濃度、PH值和堿度等因素，對(duì)去除氨氮的效率均有影響。

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