改良濾料配置強化污水中氨氮的去除效果研究

王化剛

（安龍縣龍廣鎮水利站,貴州 安龍 552403）

1 引言

隨著氮素工業的發展,水體中氨氮（NH4+-N）污染物的富集不容忽視。NH4+-N 的超量排放給生態環境帶來了十分嚴重的危害,是引起水體富營養化的主要原因[1]。目前,微生物處理法、吸附法和化學氧化法等被廣泛應用于消除水中的NH4+-N 污染物。曹新等[2]采用活性污泥對聚丙烯纖維進行掛膜后處理NH4+-N 廢水,當載體使用量為12 g/L、pH為8 時,NH4+-N 去除效率最高在84%以上,生物降解過程對NH4+-N 去除的貢獻超過90%。王曉磊等[3]采用A/O 法處理濃度為6.5 mg/L~17.8 mg/L 的NH4+-N 廢水,可將NH4+-N 排放質量濃度控制在1 mg/L 以下。

人工快滲（artificial rapid infiltration,ARI）系統是一類基于土壤滲濾系統升級后的新型廢水處理技術,高效去除污水中的氨氮污染物是ARI 系統的關鍵任務。合理的濾料配置是改善ARI 系統NH4+-N 去除性能的關鍵,當濾料配置不合理時,將導致NH4+-N 去除效率低,進而影響ARI 系統最終的脫氮效果。目前傳統ARI 系統多數選用天然河砂作為基礎濾料,對污水中NH4+-N 的去除效果較差,探尋新的濾料配置方式對改善ARI 系統的NH4+-N 去除性能具有重要的現實意義。

因此,本研究將在篩選出具有良好NH4+-N 去除效果的濾料類型的基礎上,將其與天然河砂通過不同配置方式填入ARI 系統內,考察不同濾料配置方式對NH4+-N 去除效果的影響。

2 材料與方法

2.1 優勢濾料的篩選

選取火山巖、海綿鐵和麥飯石作為待選濾料,洗干凈后烘干備用。配置25 mg/L 的NH4+-N 溶液,調節pH 值為7.5,每100 mL 溶液中分別加入1 g 濾料,在25℃、180 r/min 的恒溫振蕩器中分別反應2 h、4 h、6 h、8 h、10 h。達到吸附時間后,移取溶液作離心處理后取上清液分析剩余NH4+-N 量,分別計算3 種濾料對NH4+-N 的去除率和吸附量,篩選出吸附性能最優的濾料。

2.2 實驗裝置及運行條件

構建4 個ARI 反應器,分別編號C1、C2、C3、C4,總高、內徑分別設置為700 mm、44.6 mm。柱體自上而下依次設置為進水層（A,150 mm）、緩沖層（B,25 mm）、濾料層（C,500 mm）、承托層（D,25 mm）,底部設有排水口。B、D 層填充粒徑為3 mm~8 mm 的碎石,C1 的C 層全部采用天然河砂（粒徑0.2 mm~0.5 mm）填充,C2 的C 層組成為上層30%優選濾料+下層70%天然河砂,C3 的C 層組成為上層70%天然河砂+下層30%優選濾料,C4 的C 層采用70%天然河砂+30%優選濾料均勻混合而成,優選濾料粒徑為1 mm~3 mm。實驗在室溫25℃左右開展,運行周期為1 天2 次,進水負荷控制在1 m/d,濕干比調控為1∶2。

2.3 實驗用水及接種污泥

進水取自成都市某生活污水處理廠進水池,COD、NH4+-N、TN、TP 濃度分別為235.1 mg/L~251.2 mg/L、34.7 mg/L~37.5 mg/L、35.8 mg/L~41.5 mg/L、2.2 mg/L~3.9 mg/L,pH 為7.3~8.4。活性污泥經SBR 系統曝氣反應2 周后,SV30 為42%,MLSS 約為4000 mg/L,污泥沉降性能良好,選取它作為ARI 系統的接種污泥。

2.4 分析方法

濾料表面結構特征采用ZEISS Gemini 300 掃描電鏡（SEM）進行分析,其他水質指標參照《水和廢水監測分析方法（第四版）》的要求進行分析。

3 結果與討論

3.1 濾料表面結構特征

火山巖、海綿鐵和麥飯石顆粒表面的SEM 分析結果見圖1。由圖1 可知,火山巖表面大部分區域相對較為平整,海綿鐵表面的褶皺度開始增加,而與火山巖和海綿鐵相比,麥飯石顆粒的表面更加坑洼不平,粗糙多孔,整體呈現出大量的微孔結構。粗糙的表面和豐富的孔隙結構為麥飯石提供了更多的吸附比表面和活性吸附點位,為提高其吸附性能提供了有利條件。

3.2 濾料對NH4+-N 的吸附效果

圖2 反映了3 種濾料顆粒對水中NH4+-N 的吸附效果。從圖2（a）可以看到,3 種濾料對NH4+-N 的去除率隨著反應時間由2 h增加至10 h,呈現增大趨勢,在吸附10 h后,火山巖、海綿鐵和麥飯石顆粒對NH4+-N 的去除率分別為33.99%、23.03%、49.34%,投加麥飯石最有利于NH4+-N 去除率的提高。從圖2（b）可以看到,火山巖、海綿鐵和麥飯石顆粒在吸附10 h 后,NH4+-N 吸附量分別達到0.857 mg/g、0.581 mg/g、1.244 mg/g,可見單位質量的麥飯石對NH4+-N 的吸附效果最佳。由此可見,麥飯石對NH4+-N 的吸附效果明顯優于其他2種濾料顆粒,這可能與其較大的比表面積和豐富的孔隙結構有關,故選擇它作為后續實驗的優勢濾料。

3.3 濾料配置優化

3.3.1 單一天然河砂濾料

C1 系統對污水中NH4+-N 的去除情況見圖3。由圖3 可知,進水初期C1 擁有較高的NH4+-N 去除效果,去除率達到了98%左右,之后NH4+-N 的去除率逐漸下降,但C1 運行到15 d后NH4+-N 去除率不再繼續下降而是逐漸回升,運行至53 d后NH4+-N 的去除率變化幅度較小,說明C1 已經進入穩定運行期,該階段NH4+-N 的平均去除率為70.96%。NH4+-N 在開始階段主要通過濾料的吸附效能而去除,該階段的濾料顆粒表面孔隙豐富,去污效果較好,然而吸附點位有限,吸附趨于飽和后NH4+-N 的去除效果明顯變差。在15 d 的時候NH4+-N去除效果開始回升,說明濾料顆粒表面的微生物開始發揮重要作用,并逐漸生成較為穩固的生物膜,該階段NH4+-N 的去除通過濾料吸附和功能菌轉化共同來完成。

圖3 C1 系統的啟動與穩定運行

3.3.2 上層30%麥飯石+下層70%天然河砂

圖4 反映了C2 反應器的啟動與穩定運行情況。由圖4可見,初期階段,NH4+-N 去除率變化規律與單一河砂濾料時較為一致,處于較高水平,之后NH4+-N 的去除率慢慢下降,到13 d 的時候,氨氮去除率開始逐步回升,直到47 d 后又基本趨于穩定,去除率達到75.73%。C2 從啟動到穩定運行總耗時為47 d。穩定運行時,NH4+-N 的平均出水濃度和去除率分別為8.48 mg/L 和76.41%,相比C1,前者降低了1.92 mg/L,后者提高了5.45%。由此可見,填充麥飯石后,對污水中的NH4

圖4 C2 系統的啟動與穩定運行

+-N 去除具有一定的提升效應,麥飯石對NH4+-N 良好的吸附性能在該過程中發揮了重要作用。

3.3.3 上層70%天然河砂+下層30%麥飯石

C3 反應器啟動和穩定運行期間的NH4+-N 去除情況見圖5。由圖5 可知,NH4+-N 去除率同樣呈現出先降低后升高再趨向平緩的走向,NH4+-N 去除率從運行第15 d 起開始逐漸回升,運行到第50 d 后去除效果開始趨于穩定,因此,C3 反應器從啟動到穩定運行總耗時為50 d。穩定運行時,NH4+-N 的平均出水濃度和去除率分別為10.08 mg/L 和72.13%,相比C1反應器的NH4+-N 去除性能有所提升,但是NH4+-N 的平均出水濃度比C2 增加了1.6 mg/L,平均去除率下降了4.28%,可見不同的濾料組合方式對NH4+-N 去除效果有明顯影響。

圖5 C3 系統的啟動與穩定運行

分析認為,這是由于C1 系統僅選用天然河砂作為濾料,類型相對單一,而C2、C3 系統的濾料層內增加了與天然河砂粒徑不同的麥飯石,一方面提高了對NH4+-N 污染物的吸附能力,另一方面適宜的顆粒級配為ARI 系統提供了更優的污染物截留能力,能促使形成更加穩定的生物膜,因而去污效率更高。C2 系統的啟動效率和NH4+-N 去除率要優于C3系統,其主要原因為麥飯石和天然河砂作為濾料填充的位置不同,麥飯石的孔隙率和粗糙程度要遠大于天然河砂,C2系統上層為30%的麥飯石,上層因為麥飯石的粗糙程度較大,則在上層表面有更充裕的溶解氧濃度,而C3 系統上層為70%的天然河砂,天然河砂表面沒有麥飯石粗糙,所以C3 系統上層的復氧效果相對較差。NH4+-N 的氧化需要充足的溶解氧,為好氧微生物提供有利環境,C2 系統的復氧效果優于C3,因而更有利于NH4

+-N 氧化,啟動效率也有所提高。

3.3.4 混合濾料

C4 系統的NH4+-N 去除情況見圖6。從圖6 可以看到,NH4

圖6 C4 系統的啟動與穩定運行

+-N 在運行初期的去除率較高,達到了99%左右,之后NH4

+-N 去除率逐漸下降,運行到12 d~29 d 時NH4+-N 的去除率逐漸回升然后趨于穩定,C4 從啟動到穩定運行總耗時為29 d。進入穩定運行階段,NH4+-N 的平均出水濃度和去除率分別為6.62 mg/L 和81.65%。從啟動耗時來看,C4 系統比C1、C2、C3 系統分別縮短了24 d、18 d、21 d。從脫氮效果來看,C4 在穩定階段的NH4+-N 平均去除率比C1、C2、C3分別提高了10.69%、5.24%、9.52%。由此可見,將30%麥飯石和70%天然河砂混勻后作為濾料能獲得最高的啟動效率和最優的NH4+-N 去除效果。

采用70%天然河砂和30%麥飯石混合填料的C4 反應器之所以具有相對最優的NH4+-N 去除性能,是因為麥飯石和天然河砂混合后,濾料層所有濾料顆粒之間的孔隙度相對較為適宜,復氧效果好,同時具有良好的NH4+-N 吸附和截留能力,可加速生物膜在濾料顆粒表面的生長和成熟,從而為NH4+-N 的轉化提供良好的微生物基礎,使之具備最優的NH4+-N 轉化條件,實現濾料配置的最優化。

4 結論

針對水中NH4+-N 污染物處理難的問題,采用ARI 系統作為污水處理反應器,對其濾料配置進行優化,探討不同濾料配置下的NH4+-N 去除性能,得到如下結論：

（1）相比火山巖和海綿鐵,麥飯石顆粒表面更加粗糙不平、孔隙率更豐富,具有更多的吸附表面和活性吸附點位,為提高其NH4+-N 吸附性能提供了有利條件。

（2）麥飯石顆粒對NH4+-N 的去除率和吸附量最高,分別為49.34%和1.244 mg/g,火山巖對NH4+-N 的吸附性能次之,去除率和吸附量分別為33.99%和0.857 mg/g,海綿鐵對NH4+-N的去除率和吸附量相對最低,分別僅為23.03%、0.581 mg/g,因而選擇麥飯石作為優勢濾料。

（3）采用70%天然河砂和30%麥飯石混合均勻作為濾料層的ARI 系統具有最優的NH4+-N 去除性能,啟動耗時僅需29 d,穩定運行期間NH4+-N 的平均去除率可達81.65%。后續將通過運行條件的優化,進一步提高ARI 系統對NH4+-N的去除性能,以發揮濾料配置優化的最大作用。