改性沸石吸附+生物接觸氧化組合工藝處理微污染水中氨氮的試驗研究

劉穎詩，董浩韜，李俊義

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣州 510060）

珠江水系上游河段的微污染水源水屬于Ⅳ類水，是廣州市應急備用水源，但存在氨氮（NH3-N）濃度突發性增高的情況。過高的氨氮濃度會影響混凝效果[1]，帶來異味，然而，傳統的飲用水處理技術不能有效去除氨氮，凈水廠不能達標供水，對居民飲水安全和身體健康構成隱患。沸石對氨氮具有很好的吸附效果[2]并可以迅速發揮作用，具有應急處理能力，而生物接觸氧化能夠實現持久運行[3]，具有長時間處理能力，將改性沸石吸附與生物接觸氧化兩種工藝組合應用，不僅可以實現迅速啟動，又可以實現長時間運行。

1 試驗工藝流程

如圖1所示，改性沸石吸附與生物接觸氧化組合工藝主要包括改性沸石吸附系統和生物接觸氧化系統，分為兩種運行模式。一是氨氮濃度突發性增高（大于5 mg/L）時，啟動改性沸石吸附系統，原水先通過改性沸石進行吸附處理，再進入生物接觸氧化系統。二是原水氨氮濃度較低（不大于5 mg/L）時，原水僅利用生物接觸氧化系統進行處理。改性沸石吸附系統設有兩個攪拌池，二者交替運行，其中一個攪拌池內的改性沸石吸附飽和時（攪拌池出水氨氮濃度大于5 mg/L），該攪拌池停止運行，更換沸石，同時另一攪拌池啟動運行。

圖1 污水處理工藝流程

最優運行條件下，改性沸石吸附的沸石粒徑平均值為225 μm，沸石投加量為1.00 g/L，污水pH 等于7，反應時間為30 min，反應溫度為35.7 ℃；生物接觸氧化的水力停留時間為1.5 h，氣水比為2.3∶1.0，曝氣管長度為59.3 cm。

2 試驗結果與分析

中試裝置共運行60 d。其中，原水氨氮濃度大于5 mg/L 的共有18 d，其間運行改性沸石吸附與生物接觸氧化組合工藝；原水氨氮濃度不大于5 mg/L 的共有42 d，其間僅運行生物接觸氧化工藝。中試期間原水水質如表1所示。主要監測指標有pH、溫度、濁度、氨氮、高錳酸鹽指數（CODMn）和總氮（TN）。

表1 中試期間原水水質

氨氮濃度突發性增高且大于5 mg/L 時，運行改性沸石吸附與生物接觸氧化組合工藝，沸石投加量為1.00 g/L，改性沸石吸附系統出水氨氮濃度為2.78～3.65 mg/L，平均值為3.30 mg/L，去除率為44.51%；組合工藝出水氨氮濃度為0.21～0.40 mg/L，平均值為0.35 mg/L，去除率為94.17%。微污染原水樣品含有陽離子和有機污染物，陽離子與NH4+產生吸附競爭[4]，而且原水水樣中的雜質極易堵塞沸石晶格的孔洞[5]，可能影響沸石吸附氨氮的效果。但是，出水氨氮濃度為2.78～3.65 mg/L，仍可滿足出水氨氮濃度小于5 mg/L 的要求。

在常規低氨氮濃度（不大于5 mg/L）的條件下，僅運行生物接觸氧化系統。結果表明，出水氨氮濃度為0.22～0.40 mg/L，平均值為0.32 mg/L，去除率為91.82%。生物接觸氧化系統對原水中氨氮的處理能力強，出水水質穩定。

3 運行費用分析

在水源水氨氮濃度突發性增高的情況下，本研究對比分析改性沸石吸附與生物接觸氧化組合工藝與常規工藝的運行費用。改性沸石吸附與生物接觸氧化組合工藝的運行費用主要包括設備電耗和材料費用，主要耗電設備有攪拌池的攪拌機和生物接觸氧化池的鼓風機，主要材料為沸石和改性劑（氯化鈉）。常規工藝的中試流程為進水→混凝→沉淀→過濾→消毒→出水，其運行費用主要包括設備電耗和藥耗，主要耗電設備為加藥泵，主要藥劑為次氯酸鈉（濃度10%）和混凝劑（液體），采用聚合氯化鋁（PAC）作為混凝劑。運行費用統計結果如表2 至表5所示。

表2 組合工藝電耗

表3 組合工藝藥耗

表4 常規工藝電耗

表5 常規工藝藥耗

組合工藝處理1 m3水的單位耗電量為0.25 kW·h，電單價約為0.7 元/（kW·h），因此單位電耗費用為0.175 元/m3；沸石的單位耗藥量為1.0 kg/m3，單價為0.162 元/kg，單位藥耗費用為0.162 元/m3，改性時，氯化鈉的單位耗藥量為0.234 kg/m3，單價是0.180 元/kg，單位藥耗費用為0.042 元/m3，改性后單位藥耗費用共計0.204 元/m3。因此，運行組合工藝處理氨氮濃度突發性增高的水源水，單位運行費用約為0.379 元/m3。

常規工藝處理1 m3水的單位耗電量為0.1 kW·h，電單價約為0.7 元/（kW·h），單位電耗費用為0.07 元/m3，其間需要投加0.30 kg 次氯酸鈉（濃度10%）、0.15 kg 液體PAC（濃度10%），次氯酸鈉（濃度10%）的單價為0.8 元/kg，液體PAC（濃度10%）的單價為0.9 元/kg，單位藥耗費用合計0.375 元/m3。因此，運行常規工藝處理氨氮濃度突發性增高的水源水，單位運行費用約為0.445 元/m3。

綜合對比組合工藝和常規工藝的運行費用，處理氨氮濃度突發性增高的水源水時，組合工藝運行費用比常規工藝減少約0.066 元/m3，減少率為14.8%。實際運行中，運行費用還應更低，因為沸石通過再生可以重復使用最高5 次，采用沸石的實際費用只有上述計算的五分之一。

4 結論

水源水氨氮濃度突發性增高且大于5 mg/L 時，運行改性沸石吸附與生物接觸氧化組合工藝，出水氨氮濃度為0.21～0.40 mg/L，滿足《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2022）的要求。改性沸石吸附處理后，出水氨氮濃度降低，平均值為3.30 mg/L，降低后續生物接觸氧化系統的處理負擔。在常規低濃度氨氮（不大于5 mg/L）的情況下，僅運行生物接觸氧化系統，出水氨氮濃度均小于0.5 mg/L，出水水質穩定，滿足《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2022）的要求。水源水氨氮濃度突發性增高時，組合工藝運行費用比常規工藝減少約0.066 元/m3，減少率為14.8%。