沸石生物活性濾池在低濃度氨氮廢水再生回灌地下水中的應用研究

曹麗華，陳 娟，張忠園

(天津市塘沽鑫宇環保科技有限公司 天津300450)

沸石生物活性濾池在低濃度氨氮廢水再生回灌地下水中的應用研究

曹麗華，陳 娟，張忠園

(天津市塘沽鑫宇環保科技有限公司 天津300450)

針對含低濃度氨氮的廢水再生回灌地下水中氨氮的深度處理問題，提出了沸石生物活性濾池工藝，并對工藝的啟動、運行最佳參數及低溫運行效果進行研究。結果表明，采用動態自然掛膜培養方式，約 15,d，就能形成成熟硝化菌生物膜；正常運行時，最佳水力負荷 1,m3/m2,h，氣水比 1∶1，對氨氮的平均去除效率為 79.96%，出水氨氮滿足地表回灌水質要求(＜1,mg/L)；在冬季低溫時，雖然可通過降低進水流量來增大去除率，但增幅有限，低溫仍是限制氨氮去除的主要原因。

沸石生物活性濾池 低濃度氨氮 地下水回灌

0 引 言

濱海新區地處北方沿海，水資源短缺，地下水開采是增加水資源供給的主要方式之一，但也容易引發地下水位降低、地表沉降等問題，不利于濱海新區生態環境建設。低濃度氨氮廢水再生回灌地下水是一種新興地下水補給方法，因其再生成本較低、可增加地層含水量、防止海水倒灌及地面沉降而成為目前研究的熱點。[1]本實驗所研究的低濃度氨氮廢水是指城鎮污水處理廠二級處理后的出水。該部分廢水水質特點是 COD、BOD5、TP、濁度等指標基本上能達到《城市污水再生利用——地下水回灌水質》(GB/T 19772-2005)標準，對氨氮也有較好的去除效率，但仍未達到《城市污水再生利用——地下水回灌水質》(GB/T 19772-2005)標準中對氨氮的限值要求(＜1,mg/L)。[2]因此低濃度氨氮的深度處理是再生水回灌地下水關鍵技術。

本實驗構建的“沸石生物活性濾池”是指利用沸石對氨氮的吸附作用和沸石作為硝化菌生長載體作用，同步實現氨氮的吸附和硝化的一種改良型濾池。[3]它結合了物理過濾吸附和生物膜硝化的雙重特點，以此強化對低濃度氨氮的深度去除作用。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試水樣

供試水樣為塘沽某生活污水二級生化處理后的排水，水質分析結果如表1所示。

表1 供試水樣水質(單位：mg/L)Tab.1 Quality conditions of the water sample(Unit：mg/L)

從表 1的水質分析結果與地表回灌標準限值的對比可看出，生活污水經二級生化出水后，COD、TP、pH、濁度等指標均滿足標準，而NH3-N超標。

1.1.2 改性沸石

沸石外購，粒徑為6～10目，按照文獻4中所述方法對其進行微波＋NaCl改性，拓寬沸石孔道，提高對氨氮的吸附量。

1.2 實驗裝置

濾池裝置為直徑 200,mm，高為 1,500,mm 的有機玻璃反應柱，內裝改性斜發沸石高度約為1,000,mm。反應柱采取上向流過濾形式，底部穿孔管進水，頂部出水。同時，在反應柱底部有 150,mm 的卵石層，曝氣管設置于其中。濾池運行時，供試水樣由恒流泵及安裝在泵出口管線上的流量計調節后，與空壓機提供的壓縮空氣一起，由底部進入反應柱。氣、水混合后，由下向上流經沸石層，使沸石處于流化狀態，出水由頂部溢流堰流出。濾池裝置如圖 1所示。[5]

圖1 沸石生物活性濾池裝置Fig.1 A bio-zeolite filter device

1.3 實驗方法

1.3.1 濾池掛膜啟動

目前，研究較多的掛膜啟動方法主要有接種法、自然掛膜法、循環掛膜法、快速排泥法。[6-7]本實驗采用連續進水的動態自然培養掛膜方式。進水流量為100,L/h，氣水比為1∶1，水力停留時間為0.3,h。啟動期間，早、中、晚各取樣 1次，以 NH3-N的去除率來表征濾池的啟動歷程和沸石的掛膜成熟程度。[8]

1.3.2 濾池正常運行

濾池正常運行后，考察濾池在不同水力負荷、不同氣水比以及低溫環境對廢水中 NH3-N的去除率，每個工況穩定運行5天，每天取樣一次。

2 實驗結果與分析

2.1 啟動掛膜階段

掛膜期間對氨氮的去除效果如圖2所示。

圖2 啟動階段NH3-N去除效果Fig.2 NH3-N removal efficiency during starting period

從圖中可看出，在整個掛膜期間，氨氮的去除率出現了一個“低谷”。在“低谷”出現前，即掛膜初期，硝化生物膜尚未形成，氨氮去除主要依靠沸石吸附和離子交換。由于沸石對氨氮的良好吸附性能，使得掛膜初期氨氮平均去除率達到 91.9%。隨著氨氮在沸石表面累計，吸附逐漸達到飽和，氨氮去除率逐漸降低至“低谷”，但并未出現去除率接近于零的現象，說明此時硝化生物膜已經初步形成，對氨氮具有一定的硝化作用。在后期，去除率又逐漸回升并穩定至 85.4%左右，出水氨氮平均值為 0.69,mg/L，說明沸石表面的硝化菌生物膜成熟，可進行穩定的硝化作用，掛膜啟動成功。[8-9]

2.2 正常運行階段參數優化

2.2.1 不同水力負荷下濾池對NH3-N的去除效果

實驗條件：氣水比1∶1；反應溫度為18～24,℃。分別考察水力負荷為 1,m3/m2,h、2,m3/m2,h、3,m3/m2,h、4,m3/m2,h工況下濾池對NH3-N去除效果，如圖3所示。

圖3 不同水力負荷對濾池去除NH3-N影響Fig.3 Contrast of NH3-N removal efficiencies under different hydraulic loadings

從圖 3可以看出，隨著水力負荷的增加，氨氮的去除率逐漸下降。水力負荷從 1,m3/m2,h增加至2,m3/m2,h時，氨氮平均去除率從 81.2%降至 76.3%，去除率變化較小，出水氨氮濃度均小于 1,mg/L，滿足《城市污水再生利用——地下水回灌水質》標準中氨氮限值；水力負荷從 3,m3/m2,h增加至 4,m3/m2,h，氨氮平均去除率從 65.3%降至 43.4%，且出水氨氮大于 1,mg/L。分析原因可能有兩方面：一是水力負荷增大導致水力停留時間縮短，二是水力負荷增大導致剪切力增大，從而導致生物膜脫落，造成生物量損失。綜合確定最佳的水力負荷為1,m3/m2,h。

2.2.2 不同氣水比下濾池對NH3-N去除效果

實驗條件：水力負荷為 1,m3/m2,h；反應溫度為18～24,℃。分別考察氣水比為 1∶2、1∶1、2∶1 三種工況下濾池對NH3-N去除效果，如圖4所示。

圖4 不同氣水比下濾池對NH3-N去除效果Fig.4 Contrast of NH3-N removal efficiencies under different gas water ratios

從圖 4中可知，當氣水比從 1∶2增加到 1∶1時，氨氮去除率有小幅度提升，平均去除率從 62.2%增加至 73.8%，出水氨氮平均濃度從 1.39,mg/L降至0.85,mg/L，達到地表回灌標準。氣水比進一步增加到2∶1時，氨氮平均去除率為 76.1%，增幅非常小。其原因為當氣水比提高至 1∶1時，水中溶解氧已完全能夠滿足硝化菌的好氧硝化作用，再提高氣水比對氨氮去除率影響不大，且氣水比過大，對生物膜的剪切力增大，影響濾池處理穩定性，增加濾池運行能耗。綜上，確定最佳氣水比為1∶1。

2.2.3 冬季低溫環境下濾池對NH3-N的去除效果

實驗期間從2013年11月18日至2013年12月12日，此期間環境溫度為－2～7.5,℃，實測進水溫度為 5.5～13.5,℃。實驗條件：氣水比 1∶1，進水流量分別為100,L/h、50,L/h、20,L/h，結果如圖5所示。

圖5 冬季低溫條件下濾池對NH3-N去除效果Fig.5 NH3-N removal efficiency in winter

從圖 5中可以看出，在冬季低溫條件下，濾池對氨氮的去除效果較差，出水氨氮均大于 1,mg/L。當進水流量為 100,L/h時，平均去除效率只有 13.7%。降低進水流量能小幅度提高去除效果，進水流量降至20,L/h時，氨氮平均去除率僅提高至 28.2%，去除率仍較低。說明低溫抑制硝化菌活性，降低硝化能力，使氨氮出水濃度升高。而進水流量的降低延長了水力停留時間，減弱了水流對硝化膜的擾動，可使去除率小幅度回升。

2.3 最佳參數工況下濾池對低濃度氨氮廢水去除效果

最佳運行參數：水力負荷 1,m3/m2,h，氣水比1∶1，反應溫度 18～24,℃。氨氮的去除效果如圖 6所示。

圖6 最佳參數下濾池對NH3-N去除效果Fig.6 NH3-N removal efficiency under optimum parameters

從圖 6中可以看出，在最佳參數下，濾池對進水中低濃度氨氮去除效果穩定，氨氮平均去除率為79.96%。除個別監測點出水氨氮濃度接近或略微超過 1,mg/L外，其他監測點氨氮出水濃度均小于1,mg/L，滿足《城市污水再生利用——地下水回灌水質》標準中氨氮限值。

3 結 論

①沸石生物活性濾池啟動掛膜易，自然掛膜15,d左右，即可形成成熟的硝化菌生物膜。②正常運行時，通過改變水力負荷和氣水比，確定了沸石生物活性濾池的最佳運行參數為：水力負荷 1,m3/m2,h，氣水比1∶1。在此最佳參數下，對進水低濃度氨氮的平均去除效率為 79.96%，出水氨氮滿足地表回灌水質要求。③低溫仍是限制沸石生物活性濾池在冬季運行的主要原因，雖然可通過降低進水流量來增大去除率，但增幅有限。

［1］靳孟貴，羅擇嬌，梁杏. 再生水地表回灌補給地下水的水質安全保障體系[J]. 地球科學——中國地質大學學報，2012，37(2)：238-246.

［2］城市污水再生利用——地下水回灌水質[S].GB/T 19772-2005.

［3］Hiroshi Tsuno，Fumitake Nishimura，Isao Somiya.Romoval of ammonium nitrogen in bio-zeolitereactor[J].Doboku Gakkai Hokokushu，1994(503)：159-166.

［4］鮑建國，袁悅，靳孟貴，等. 一種改性斜發沸石離子交換劑的制備方法：中國，201210020674. 9[P]. 2012-07-04.

［5］張兵，崔福義，張學洪. 污水脫氮過程中斜發沸石吸附再生性能的實驗研究[C]. 中國水污染防治裝備論文集，2005：117-123.

［6］傅金祥，陳正清，趙玉華，等. 掛膜方式對曝氣生物濾池的影響[J]. 水處理技術，2006，32(8)：42- 45.

［7］張杰，曹相生，孟雪征，等. 好氣濾池 3種掛膜方法的實驗研究[J]. 哈爾濱工業大學學報，2003，35(10)：1216-1219.

［8］汪勝. 生物沸石濾池在處理微污染水源中的應用研究[D]. 上海：同濟大學，2006.

［9］張明，施培俊，王敬東. 生物沸石過濾器用于污水再生利用工程的研究[J]. 中國給水排水，2011，37(Z)：220-224.

Application Study of Bio-zeolite Filter in Groundwater Recharge with Low Ammonia-nitrogen Reclaimed Water

CAO Lihua，CHEN Juan，ZHANG Zhongyuan
(Tianjin Tanggu Xinyu Science & Technology Environmental Protection Co.，Ltd.，Tianjin 300450，China)

To solve the problem of advanced treatment of ammonia-nitrogen in recharged groundwater，which is recycled from low concentration ammonia-nitrogen reclaimed water，a bio-zeolite filter process was proposed and the process starting parameters，optimum parameters and treatment effects at low temperature were discussed. It was indicated that after 15,days of natural biofilm cultivation，a nitrification bacteria film was formed. During normal operation，the optimum hydraulic load was 1,m3/m2,h，gas water ration was 1∶1，the average NH3-N removal efficiency was 79.96%，and NH3-N concentration in the effluent met the quality of groundwater recharge requirements(＜1,mg/L). In winter，despite the removal rate can be increased through reduction of the water flow，the growth is still limited，indicating that low temperature is still the main limiting factor that affects ammonia nitrogen removal.

bio-zeolite filter；low concentration ammonia-nitrogen；groundwater recharge

X523

A

1006-8945(2014)10-0010-03

2014-09-09