多級濾池工藝去除地下水硝酸鹽的效能與安全性

趙汗青，劉永澤,*，朱 琳，張立秋，封 莉

(1.北京林業大學環境科學與工程學院，北京 100083；2.中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044)

1 試驗部分

1.1 試驗水質

針對遼寧省某縣農村地區地下水硝酸鹽嚴重超標的問題，對該地區地下水進行隨機取樣調查，各水質指標如表1所示。

表1 遼寧省某縣農村地區地下水水質指標調查Tab.1 Investigation on Groundwater Quality Indices in Rural Areas of Liaoning Province

1.2 試驗設計與運行

試驗中反硝化生物濾料與曝氣生物濾料均取自再生水廠成熟濾料，濾料本底為陶粒，觸感光滑，表面已形成一層生物膜，其厚度約為1～3 mm。試驗啟動期，將質量濃度為240 mg/L的蔗糖(CODCr約為270 mg/L)作為營養物質加入試驗原水中，利用蠕動泵將試驗原水以80 mL/h的設計流速連續供入試驗裝置，不間斷連續運行21 d以增加生物濾池濾料上的生物量。運行期間溫度保持在25 ℃，反硝化濾池保持厭氧條件，其DO質量濃度小于1 mg/L，曝氣生物濾池保持好氧條件，維持其DO質量濃度在9 mg/L。

經21 d的連續運行后，肉眼可見反硝化濾池內生成了淡黃色的生物膜，并且清水區內產生了大量氣泡；曝氣生物濾池內生成了咖啡色生物膜。二者濾料上生物膜厚度分別約為1.8～3.2、1.6～3.0 mm。在兩個濾池內各取3個平行樣進行16S rRNA高通量測序[9]，測得反硝化濾池與曝氣生物濾池濾料上微生物群落組成如圖1 所示。由圖1(a)可知，反硝化濾池中的優勢菌群為變形菌門(Proteobacteria，占66.8%)與放線菌門(Actinobacteria，占15.6%)，它們大都為兼性異養型微生物，具有利用有機物還原硝酸鹽的能力[10]。由圖1(b)可知，曝氣生物濾池中的優勢菌群為變形菌門(Proteobacteria，占38.6%)、擬桿菌門(Bacteroidetes，占20.8%)與厚壁菌門(Firmicutes，占19.6%)，它們都具有降解COD去除有機物的作用[11]。

圖1 微生物群落組成Fig.1 Composition of Microbial Communities

1.3 試驗工藝與裝置

圖2 多級濾池試驗裝置圖Fig.2 Diagram of Multistage Filtration Test Device

試驗裝置各功能參數如下。

曝氣生物濾池：主要用于去除水中剩余碳源，在好氧條件下運行，供氣量約90 mg/h，保證其中DO質量濃度大于9 mg/L；濾料同樣選擇生物陶粒；設計HRT為2.5～7.5 h(跟隨進水量大小變化)，每3 d反沖洗一次，每次5 min，水洗強度為10 L/(m2·s)。

兩級砂濾池：主要用于截留上兩級生物濾池中可能泄露的微生物以及降低最終出水的渾濁度；設計空床接觸時間一級砂濾池為9.0～26.0 h，二級砂濾池為9.2～28.0 h，均跟隨進水量大小變化，并且二者均為每3 d反沖洗一次，每次5 min，水洗強度為10 L/(m2·s)。

活性炭濾池：用于去除反硝化濾池與曝氣生物濾池中無法完全去除的硝酸鹽與有機物，吸附水中有毒有害物質，并充分降低出水渾濁度;設計空床接觸時間為17.5～52.5 h(跟隨進水量大小變化)，每3 d反沖洗一次，每次5 min，水洗強度為6 L/(m2·s)。

1.4 檢測方法

2 結果與討論

2.1 不同影響因素對硝酸鹽去除效能的影響

2.1.1 溫度對硝酸鹽去除效能的影響

試驗條件：進水質量濃度為60.00 mg/L、C/N(質量比)為3∶1、反硝化HRT為2.0 h圖3 溫度對多級濾池出水中和CODCr濃度的影響Fig.3 Effect of Temperature on Concentrations of and CODCr in Multistage Filtration Process

試驗條件：溫度為25～30 ℃、C/N(質量比)為3∶1、反硝化HRT為2.0 h圖4 進水濃度對多級濾池工藝出水和CODCr的影響Fig.4 Effect of Initial Concentration on Removal of and CODCr in Multistage Filtration Process

2.1.3 C/N(質量比)對硝酸鹽去除效能的影響

試驗條件：進水質量濃度為90.00 mg/L、溫度為25～30 ℃、反硝化HRT為4.0 h圖5 C/N(質量比)對多級濾池工藝中和CODCr的影響Fig.5 Effect of C/N (Mass Ratio) on Removal of and CODCr in Multistage Filtration Process

2.1.4 HRT對硝酸鹽去除效能的影響

試驗條件：進水質量濃度為90.00 mg/L、溫度為25～30 ℃、C/N(質量比)為4∶1圖6 HRT對多級濾池工藝中和CODCr的影響Fig.6 Effect of HRT on Removal of and CODCr in Multistage Filtration Process

2.2 多級濾池工藝處理地下水硝酸鹽的安全性分析

注：Ⅰ～Ⅳ分別為一級砂濾池出水、二級砂濾池出水、活性炭濾池出水與最終消毒后出水中的細菌菌落總數 圖7 濾池出水菌落數量Fig.7 Colonies Number in Multistage Filtration Process

2.3 藥劑成本

表2 飲用水處理硝酸鹽工藝成本比較Tab.2 Cost Comparison of Different Treatment Processes for Nitrate Nemoval

2.4 問題與展望

值得注意的是，雖然多級濾池工藝的藥劑成本并不高昂，但目前的試驗結論僅處于初步研究階段，研究結果均由實驗室小試獲得。試驗裝置受限于規模較小、濾池濾料層厚度較低、以及過濾的過程中存在短流現象，導致兩級砂濾池與活性炭濾池對微生物的截留效果不佳與反沖洗頻繁等問題，因此，目前所得的兩級砂濾池與活性炭濾池的HRT與實際工程存在較大差距。為更好地優化多級濾池工藝去除地下水硝酸鹽，未來需要進行中試及工程示范研究，進一步優化各濾池的HRT與反沖洗周期等工藝參數，并降低多級濾池工藝的運行與制水成本。

3 結論

本研究針對農村地區地下水僅硝酸鹽質量濃度超標的問題，探索提出基于“反硝化濾池-曝氣生物濾池-兩級砂濾池-活性炭濾池”的多級濾池工藝去除地下水中硝酸鹽。

(1)最終優化研究得到的工藝運行參數為在溫度為25～30 ℃和C/N(質量比)為4∶1的條件下，反硝化濾池HRT=6.0 h，曝氣生物濾池HRT=7.5 h，一級砂濾池HRT=13.5 h，二級砂濾池HRT=14.0 h，活性炭濾池HRT=21.0 h。

(3)多級濾池工藝的日常運行噸水藥劑成本核算約為0.76 元/m3。

上述結果表明多級濾池工藝能夠有效去除地下水中較高濃度的硝酸鹽，同時有效解決了生物法帶來的二次污染問題，為我國農村地區地下水中硝酸鹽的控制提供了技術參考。