中小型河流突發氨氮污染應急處理技術研究

中小型河流突發氨氮污染應急處理技術研究

匡 武1， 劉 群2， 鄭西強1*，潘成榮1

(1.安徽省環境科學研究院，安徽省污水處理技術重點實驗室，安徽合肥 230061； 2.安徽三聯學院，安徽合肥 230601)

摘要針對中小型河流突發性水體污染，以突發氨氮污染為例，探究水體污染應急處理技術。結果表明，氨氮濃度為10 mg/L左右時，平均自然降解系數KN為0.009 d-1；同一工況下，不同工藝對水中氨氮的去除能力表現為活性炭吸附>自然曝氣+沸石>自然曝氣。但在實際工程操作過程中，綜合考慮工程的經濟及可行性，在處理突發性氨氮污染時，建議主要采用自然曝氣+沸石法去除氨氮，活性炭作為輔助吸附劑，從而提高氨氮的整體去除效果。

關鍵詞河流；污染；氨氮；應急處理

中圖分類號S181.3

基金項目安徽省省級環保科研課題(2013-003)。

作者簡介匡武(1972- )，男，安徽六安人，高級工程師，碩士，從事環境規劃及水污染控制技術研究。*

收稿日期2015-06-09

The Sudden Ammonia Nitrogen Pollution and Emergency Treatment Technology of Small and Medium-sized Rivers

KUANG Wu1, LIU Qun2, ZHENG Xi-qiang1*et al (1. Anhui Provincial Key Laboratory of Wastewater Treatment Technology, Anhui Academy of Environmental Science Research, Hefei, Anhui 230061; 2. Anhui Sanlian University, Hefei, Anhui 230601)

AbstractAccording to the small and medium-sized rivers of sudden water pollution, water contamination in ammonia nitrogen pollution, for example, to explore the emergency treatment technology. The results showed that the concentration of ammonia nitrogen was about 10 mg/L, average natural degradation coefficient KN=0.009 d-1, the removal of ammonia nitrogen in water capacity under the same condition, respectively was: activated carbon adsorption >natural aeration + zeolite > natural aeration. But in the actual project operation process, to comprehensively consider the economy and feasibility of engineering, in the event of a sudden the ammonia nitrogen pollution in processing, recommend using natural aeration + zeolite method as main ammonia nitrogen removal method, active carbon as auxiliary adsorbent, thus improve the ammonia nitrogen removal efficiency as a whole.

Key wordsRiver; Pollution; Ammonia nitrogen; Emergency treatment

近年來，我國水污染事件頻發，不僅對水環境造成巨大破壞，而且給當地造成損失，甚至給城市水源地供水安全帶來巨大隱患。2013年1月，河南省境內惠濟河東孫營閘開閘泄洪，下泄水中氨氮最高濃度達16 mg/L，導致下游安徽省境內渦河亳州段的水體氨氮嚴重超標，當地網箱養魚大面積死亡[1]。

氨氮是水中常見污染物之一，當氨氮濃度達到一定水平時影響水環境質量，并且對水生生態系統具有一定的破壞性[2]，它能引發水體爆發“水華”現象，對水生動植物存在較大毒性。在飲用水源地，隨著水中氨氮濃度的增加，傳統給水工藝根本無法去除突發性高濃度氨氮，出水氨氮濃度難以達到安全供水的水質要求。因此，在中小型河流發生突發性氨氮污染事件后，為了迅速、有效地去除水中高濃度氨氮污染物，最大程度地減輕或減少環境破壞及經濟損失，快捷有效的處理方法對突發氨氮水污染應急具有重大的意義。筆者以氨氮為研究對象，比較幾種吸附材料對水中氨氮的去除效果，優化處理技術參數，以期為中小型河流水體突發氨氮污染應急處理提供技術參考。

1材料與方法

1.1材料與設備材料包括天然沸石、活性炭、脫脂紗布、細繩等。天然沸石分子式為Na2O·Al2O3·xSiO2·yH2O，粒度為40～60目，鈣離子交換能力≥20 mg/g，灼燒失重15%～30%，可溶性鹽類1.50%。活性炭粒徑0.4～3 mm，碘值800～1 100 mg/g，亞甲基藍吸附值120～150 mg/g，苯酚吸附值≥450 mg/g，亞甲基藍脫色率≥11 ml，比表面積900～1 300 m2/g，堆比重0.40～0.55 g/cm3，強度≥90%，總孔容率0.8～1 cm3g，灰分≤5%，水分≤10%。設備包括自制模擬河道、計量泵、小型充氧泵等。充氧曝氣機型號為AP-004，功率2 W，排氣量1.5 L/min，壓力0.02 MPa，氣口直徑0.5 cm，1個氣口，電線長70 cm，規格尺寸11 cm×6 cm×4.5 cm。

1.2試驗方法

1.2.1模擬河道的制作。根據有關河道水文資料，在實驗室用亞克力板自制模擬河道，整體長×寬為2.4 m×1.2 m，模擬河道呈環形，河道寬度20 cm。選擇水流平均流速0.04 m/s，寬深比為4∶1，利用計量泵使水體循環。

1.2.2吸附材料的組裝。使用不同的吸附材料進行試驗，篩選出對氨氮去除效果最佳的吸附材料。在試驗及實際工程應用中，為方便吸附材料的放置與更換，采用自制吸附材料包。

1.2.3配制模擬河水。稱取適量硫酸銨加入水中，按試驗要求配制不同氨氮濃度的模擬河水，水中氨氮濃度以實測為準。

1.3氨氮測定方法測定水中氨氮的方法有納氏試劑分光光度法、水楊酸-次氯酸鹽分光光度法、蒸餾滴定法、電極法和氣相分子吸收光譜法，該試驗采用納氏試劑分光光度法[3]，且同一水樣同時測定3次，取平均值進行計算分析。

1.4氨氮自然降解系數的計算氨氮的降解過程，可按一級反應動力學關系[4]表達:

dCN/dt=-KNCN

其積分式為:

CN=CN0exp(-KNt)

則KN的計算式為:

KN=1/tln(CN0/CN)

式中，t為反應時間，d;KN為氨氮的綜合降解系數，d-1;CN為t時的氨氮濃度， mg/L;CN0為初始氨氮濃度， mg/L。

2結果與分析

2.1氨氮自然降解系數的確定試驗配制氨氮濃度約為10 mg/L的模擬河水，選擇在不同時間段(3月17～28日和4月15～25日)取樣檢測氨氮濃度，并計算得到氨氮的降解系數(表1)。由兩次試驗結果計算可得，在模擬試驗工況下，氨氮濃度為10 mg/L左右時，平均自然降解系數KN為0.009 d-1，在下文的氨氮濃度計算中均已扣除其自然降解部分。

2.2自然曝氣對氨氮的去除效果自然曝氣法去除自然河水中氨氮的機理是利用微生物的硝化、反硝化作用去除或轉化。但在自然河流中，由于接觸空氣，難以進行有效的反硝化反應(河流底層除外)，硝化過程中氨氮先被亞硝化菌氧化成亞硝酸氮，然后被硝化菌氧化成硝酸鹽氮。為研究自然曝氣對水中氨氮的去除效果，分別配制氨氮濃度約為20、10 mg/L的模擬河水，使用淺水層簡易水體充氧曝氣機，將8個曝氣機按均勻間隔放入模擬河道內，總充氣量約為720 L/h，河道內水的總體積為192 L。由圖1可知，在自然曝氣下，高濃度氨氮模擬河水中剩余氨氮含量逐漸降低，但總體變化量較小，氨氮的整體去除率也偏低；低濃度氨氮模擬河水中剩余氨氮含量變化趨勢與高濃度大致相同，只是氨氮的整體去除率略高于高濃度模擬河水，最高達7%左右，但去除氨氮的量遠低于前者。說明在試驗期間內(32 h)，自然曝氣對氨氮的去除表現雖高濃度略優于低濃度，但整體去除效果不明顯。

表1　氨氮自然降解系數

2.3自然曝氣+沸石法對氨氮的去除效果在自然曝氣下，往模擬河道中添加沸石，探究該組合工藝對氨氮去除的效果。分別在高、低氨氮濃度的模擬河水中放入8個簡易水體充氧曝氣機，并在曝氣機處放置自制沸石包，重量約為38 g/包，共計加入300 g沸石，在不同時間段取樣檢測氨氮濃度。由圖2可知，在投加沸石并且同時曝氣條件下，兩種氨氮濃度的模擬河水中剩余氨氮含量降低趨勢較自然曝氣明顯，氨氮的整體去除率相比之下也略為偏高，這可能與沸石吸附及離子交換有關。沸石粒徑越小，對氨氮吸附效果越好；沸石粒徑越大，沸石顆粒的總表面積越小，吸附質向沸石內部細孔擴散時所受到的阻力越大，NH4+與沸石的接觸量越低，氨氮吸附效果越差。考慮實際工程化操作時投加的沸石包顆粒不宜過小，試驗中選取的沸石粒徑偏大，未能達到最佳吸附效果。

2.4活性炭吸附對氨氮的去除效果利用活性炭較強的吸附能力，探究其對水中氨氮的去除效果。分別將自制等量活性炭包均勻放置在高、低氨氮濃度的模擬河水中，活性炭包的重量為38 g/包，總投加量為300 g，在不同時間段取樣檢測氨氮濃度。由圖3可知，活性炭對水中氨氮的吸附去除率隨時間逐漸增加，高、低濃度氨氮的吸附去除率相差較大，最高值分別為16.5%、24.5%；吸附飽和時間也大不相同，低濃度較高濃度快；活性炭對氨氮的吸附量也隨時間延長的而逐漸增大，且高濃度明顯快于低濃度，這與吸附機理有關，吸附質濃度愈高，吸附速率越快。可見，在活性炭量相同的條件下，去除高濃度氨氮的效果優于低濃度。

為進一步研究活性炭對氨氮的吸附量與投加量的關系，在低濃度氨氮的模擬河水中將活性炭量增至500 g，在不同時間段取樣檢測氨氮濃度。在氨氮濃度相同的條件下，增加活性炭投加量不僅提高了吸附速率，而且大大提高了活性炭對氨氮的吸附量(圖4)。活性炭投加量為300 g時，吸附飽和時間約為26 h(圖3)；投加量為500 g時，吸附飽和時間提前至7 h左右(圖4)，此時的吸附量仍高于前者的最大吸附量。增加活性炭的投加量，雖提高了單位吸附量以及去除率，但投入成本也相應增大。

3結論

(1)在模擬試驗工況下，氨氮濃度為10 mg/L左右時，平均自然降解系數KN為0.009 d-1。

(2)自然曝氣對氨氮的去除有一定的效果，在試驗期間內(32 h)，氨氮去除表現雖高濃度略優于低濃度，但整體去除效果不明顯，未能及時有效降解水中的氨氮；在投加沸石且同時曝氣條件下，兩種不同氨氮濃度的模擬河水中剩余氨氮濃度降低趨勢較自然曝氣明顯，氨氮的整體去除率相比之下也有所提高，這可能與沸石吸附及離子交換有關；活性炭對氨氮的吸附量也隨時間的延長而逐漸增大，且增加的速率高濃度明顯快于低濃度，在活性炭投加量相同條件下，去除高濃度氨氮的效果優于低濃度，且去降率均高于自然曝氣+沸石及自然曝氣工藝。增加活性炭的投加量，提高了氨氮的單位吸附量以及去除率，但投入成本也相應增大。

(3)在相同工況下，3種工藝對水中氨氮的去除能力表現為活性炭吸附>自然曝氣+沸石>自然曝氣。但在實際工程操作過程中，要綜合考慮工程的經濟及可行性，活性炭的價格約為沸石的10倍，但兩者實際去除能力遠未相差10倍。因此，在處理突發性氨氮污染時，建議主要采用自然曝氣+沸石法去除氨氮，活性炭作為輔助吸附劑去除水體中的部分有機物，從而提高氨氮的整體去除效果。

參考文獻

[1] 金微，李澤民．淮河上游遭氮氨嚴重污染下游蚌埠啟動水源應急方案[EB/OL]．(2013-14-02)http: //www．nbd．com．cn/articles/2013-04-02/728517．html．

[2]董玉波，王坷，王林同.氨氮對水生生物毒性的研究進展[J].天津水產，2011(2/3):6-11.

[3] 國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法[M].4版.北京:中國環境科學出版社，2002.

[4] 陶威，劉穎，任怡然.長江宜賓段氨氮降解系數的實驗室研究[J].污染防治技術，2009,22(6):8-9.