深床濾池對二沉池出水中典型重金屬的去除效能

鄭育林，周衛東，劉 成,*，周克梅，劉 煜，李鵬程

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇南京 210098；2.南京水務集團有限公司，江蘇南京 210091；3.南京工業大學城市建設學院，江蘇南京 211816)

目前,城鎮污水廠尾水已成為影響城市水環境質量的重要因素之一，提升污水處理廠出水水質具有重要的意義[1]，前期針對水質關注的重點主要集中在水中含氮污染物[尤其是總氮(TN)]的去除。深床濾池作為一種典型的污水深度處理工藝，投加碳源對出水中TN指標的控制具有重要的作用，在國內大量污水廠中應用，并普遍取得了較好的處理效果[2-5]。然而，近年來針對污水廠出水的水質檢測結果表明，除傳統的氮、磷指標外，水中微量有機物、重金屬等污染物的檢出頻率和含量水平也呈現增加趨勢[6-8]，并且可能會對受納水體產生負面影響。但目前針對深床濾池去除微量有機物和重金屬的研究相對較少，需要開展相應的系統研究工作。因此，本文擬采用中試試驗方法研究深床濾池對城鎮污水廠二沉池出水中典型重金屬的去除效能，并初步分析其去除機理，以期為其在城鎮污水深度處理領域的推廣應用提供技術支撐和理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

采用多根直徑為100 mm、高度為3.5 m的有機玻璃柱作為試驗裝置，內部填充厚度為1.8 m、粒徑為1.70～3.35 mm的石英砂作為填料，采用淹沒進水方式，通過調整底部出水閥門開啟度來維持填料上部的淹沒深度。

1.2 試驗方法

1.2.1 二沉池出水水質特征分析

針對J污水廠進行為期一年的水質檢測，每月取水樣2次，分別檢測TN、氨氮、硝酸鹽氮、總磷(TP)、化學需氧量(CODCr)、生化需氧量(BOD5)、渾濁度以及典型的重金屬(Pb、As、Cr、Hg)。

1.2.2 重金屬去除效能

試驗裝置的進水通過污水廠二沉池出水口處的潛水泵直接泵入，調節進水流量和過濾濾速。根據深床濾池在實際水廠中的運行過程，采用不投加碳源和投加碳源2種方式開展平行試驗，在研究過程中也分別考查深床濾池試驗裝置在2種情況下對典型重金屬的去除效能和脫氮效能。試驗在7月(水溫為26 ℃)進行，運行周期為30 d。氮和重金屬均在同一個運行周期內取樣測定。

(1)不投加碳源對重金屬的去除效能。直接由潛水泵將二沉池出水泵入裝置內，控制濾速為5 m/h，定期取樣測定相應指標。

(2)投加碳源對重金屬的去除效能。在裝置進水管上增加碳源投加口，利用計量泵將配置成特定濃度的乙酸鈉折算成流量進行投加，控制濾速為5 m/h，在特定時間段取樣進行測定。

(3)投加碳源前后的脫氮效能。直接由潛水泵將二沉池出水泵入裝置內，控制濾速為5 m/h，定期取樣，測定投加碳源前的TN濃度；投加乙酸鈉(30 mg/L)作為碳源，控制濾速為5 m/h，定期取樣測定TN、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮濃度。

1.3 測定方法

典型重金屬的測定：采用ICP-MS進行測定，具體參照文獻[9]。

生物量：參照生物活性炭上生物量的測定方法[10]。考慮到本研究中所用濾料粒徑較大且比重高，適當增加取樣量(體積為100 cm3)，針對取集的濾料進行生物量的測定。

渾濁度：采用濁度儀(2100P)直接測定；TN：采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法；TP：采用鉬酸銨分光光度法；亞硝酸鹽氮：采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；硝酸鹽：采用紫外分光光度法；氨氮：采用納氏試劑分光光度法；CODCr：采用快速密閉催化消解法；BOD5：采用稀釋接種法。

2 結果與討論

2.1 污水廠二沉池出水中的分布及水質特征分析

J污水廠中二沉池出水的典型水質參數在一個水質周期內的變化如下：CODCr質量濃度為19.8～45.2 mg/L；BOD5質量濃度為1.5～3.7 mg/L；渾濁度為4.5～18.9 NTU；TN質量濃度為8.9～14.9 mg/L；TP質量濃度為0.08～0.27 mg/L；硝酸鹽氮質量濃度為8.1～14.4 mg/L；氨氮質量濃度為0.5～2.8 mg/L；亞硝酸鹽氮質量濃度為0.02～0.08 mg/L。J水廠目前采用的處理工藝整體處理效能較好，出水基本可以滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中一級A標準的排放要求。另外需注意的是，TN質量濃度為9.0～15.0 mg/L，且主要為硝酸鹽氮(80%～90%)。進一步針對水中的典型重金屬進行檢測，結果表明(圖1)，二沉池出水中Pb、As、Cr、Hg均處于相對較低水平，且會隨著季節呈現一定變化。就一年內的具體月份而言，溫度較高的時間段二沉池出水中重金屬含量相對較低，原因可能與進水中重金屬濃度及微生物活性有關。參照《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)(Pb、As、Cr、Hg的質量濃度分別為0.1、0.1、0.1、0.01 mg/L)，僅在1月Pb和As略微超標，而在其他月份4種重金屬質量濃度均符合GB 18918—2002要求。鑒于重金屬對水環境的長期及潛在危害，需要針對性地考慮典型重金屬在深度處理工藝單元的去除效能，并予以優化。

圖1 典型重金屬在二沉池出水中分布

2.2 深床反硝化濾柱對二沉池出水中典型重金屬的去除效能

2.2.1 深床反硝化濾柱強化脫氮效能

深床反硝化濾柱在實際工程應用中的主要作用是用來強化去除二沉池出水中TN。因此，首先考察在投加和未投加碳源條件下，深床反硝化濾池對二沉池出水中TN的去除情況，如圖2所示，乙酸鈉投加量參照前期試驗結果確定為30 mg/L。

圖2 深床反硝化濾柱對二沉池出水中TN的去除效能

由圖2可知，在未投加碳源條件下深床濾柱對TN基本沒有去除效果，裝置進出水中的TN含量基本相同；碳源的投加則可以明顯強化TN的去除效果，處理后出水TN質量濃度可降至5 mg/L以內(乙酸鈉投加量為30 mg/L)。根據進出水中CODCr與TN去除的結果，去除單位質量濃度TN消耗的CODCr約為4.0 mg/L，高于反硝化的理論值(2.86 mg/L)。

進一步針對投加碳源時，深床反硝化濾柱出水中硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮的檢測結果如圖3所示，表明硝酸鹽在反硝化濾池中得到明顯去除，且去除結果與TN的去除結果相近。這表明主要通過硝酸鹽的去除來實現TN的去除，且處理過程中并沒有明顯的亞硝酸鹽累積問題。這主要是夏季溫度適宜微生物生長，微生物活性高，提高了對碳源的利用率，亞硝酸鹽被進一步還原為N2，因此，不存在明顯的亞硝酸鹽累積。此外，氨氮在處理過程中也有一定程度的降低，這與前期針對深床反硝化試驗裝置的研究及實際應用結果相似[11-12]，可能是微生物對含氮物質的吸收利用導致。在目前針對出水TN控制日益嚴格的條件下，需要結合二級處理單元對TN的去除效果來優化深床反硝化濾池的運行條件，其中最關鍵的是碳源投加時間節點與其實際投加量。碳源投加時間節點與TN的去除密切相關。針對二沉池出水TN含量的變化，當TN濃度較高時則需要在深床濾池進行碳源投加，實現反硝化脫氮。此外，碳源投加會影響微生物的生長狀況，從而導致生物量變化，對重金屬的同步去除也有一定的影響。

圖3 深床反硝化濾柱對二沉池出水中各類氮的去除效能

2.2.2 深床反硝化濾柱對典型重金屬的處理效能

針對深床反硝化濾柱脫氮所確定的典型運行工況，分別考察了投加和不投加碳源條件下對典型重金屬的去除效能，結果如圖4～圖7所示。

圖4 深床反硝化濾柱對重金屬Pb的去除

圖5 深床反硝化濾柱對重金屬As的去除

圖6 深床反硝化濾柱對重金屬Cr的去除

圖7 深床反硝化濾柱對重金屬Hg的去除

由圖4～圖7可知，在未投加碳源時，深床反硝化濾柱對二沉池出水中重金屬的去除效能較差，去除率基本都低于5%，且4種重金屬的去除效果基本相近；投加碳源后，出水中的重金屬離子質量濃度相較于進水均有所下降，其中對于重金屬Cr的去除率可提高3%左右，而對于Pb、As、Hg的去除率均有大幅度提升，最高可升至20%左右。這表明碳源的投加可以在一定程度上強化深床反硝化濾柱對4種重金屬的去除效能，并且對于不同的重金屬，強化效果也有一定的差異，其中對重金屬Pb、As、Hg均能實現明顯的強化去除。不同重金屬離子特性對其生物吸附容量會產生影響，且4種重金屬離子的濃度差異以及競爭吸附均會導致去除效果的差異性。

2.3 深床反硝化濾池(柱)去除典型重金屬的作用機制探討

水中重金屬的去除主要依靠重金屬離子形成沉淀物析出[13]、吸附材料吸附[14]以及生物吸附[15]等途徑。結合深床反硝化濾柱的基本構造、在有無碳源條件下對重金屬去除效能上的差異以及上述4種重金屬的基本特性，可以初步判斷深床反硝化濾柱對二沉池出水中重金屬的去除應該與濾料表面附著微生物的吸附作用有關。為此，進一步考察深床反硝化濾柱在處理過程中微生物的變化情況，結果如圖8所示。

圖8 深床反硝化濾柱內填料上的生物量

由圖8可知，在投加和不投加碳源時，深床反硝化濾柱填料上的生物量具有顯著的差別，投加碳源條件下的生物量顯著增加。這與深床反硝化濾柱對重金屬的去除效果具有一定的相關性。為進一步明確反硝化濾柱中生物量與重金屬去除之間的相關性，針對投加碳源條件下一個反沖洗周期內生物量與重金屬去除率的變化情況進行跟蹤檢測，結果如圖9所示。濾柱內生物量隨著使用時間呈現逐步增加趨勢，而與之對應的是重金屬Pb的去除率也隨之同步增加。這也進一步說明了生物吸附作用是深床反硝化過濾工藝對重金屬去除的主要途徑。而相關的研究結果也表明，微生物細胞表面的成分與重金屬離子之間發生配位、螯合、離子交換、物理吸附以及沉淀等作用，實現金屬離子的快速吸附過程，并有可能通過生物積累作用轉移至生物體內[16]。這可以很好地解釋本研究中深床反硝化濾柱對重金屬的去除結果。

圖9 一個周期內生物量與重金屬去除率的相關關系

綜合圖4～圖7的結果可知，深床反硝化濾池(柱)對典型重金屬的去除效果相對較差，尚不足以保障出水中重金屬的去除需求，在特定條件下需要考慮增設相應的強化處理工藝，以進一步降低污水廠出水中的重金屬含量。在生物吸附作用達不到要求時，可以通過與其他高效除重金屬的方法(例如高效材料吸附等)組合使用來強化重金屬離子的去除，這需要在后續的研究中予以明確。

3 結論

(1)J污水廠二級處理出水中Pb、Hg、As、Cr均處于相對較低的水平，且會隨著季節呈現一定的變化。

(2)未投加碳源時，深床反硝化濾柱對水中典型重金屬基本沒有去除效能；投加碳源時，去除效能可提升至20%左右。

(3)深床反硝化濾柱內微生物細胞對重金屬離子的吸附是去除重金屬的主要作用機制，該去除效果與濾柱內的生物量具有一定的相關性。