臭氧BAC對去除污染水體中的氨氮作用

 

針對福州市某水廠原傳統(tǒng)處理工藝不能有效去除微污染水源水氨氮，出廠水氨氮不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的情況，采用臭氧－生物活性炭(O3－BAC)處理工藝對水廠進(jìn)行了中試研究，研究了臭氧投加量、水溫、臭氧接觸室氣水比、活性炭濾池空床停留時(shí)間(EBCT)、流向等因素對氨氮去除的影響。結(jié)果表明:對于氨氮濃度為0.6～2.0mg·L－1的微污染水源水質(zhì)，最佳的臭氧投加量為2mg·L－1;且當(dāng)水溫為16～24℃，臭氧接觸室氣水比為5∶3∶2，EBCT為15min時(shí)，氨氮的去除效果在75%以上;

 

此外，與下向流工藝相比，上向流工藝具有較高的去除率。日趨嚴(yán)重的水體污染使飲用水水源地受到污染，不僅降低了水的使用功能，加劇了水資源短缺的矛盾，同時(shí)也嚴(yán)重威脅到城市居民的飲用水安全和人民群眾的健康。為解決淡水資源缺乏和人民生活需水量增加，以及原水水質(zhì)下降和飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提高之間的矛盾，迫切需要新的技術(shù)解決水源水微污染問題。微污染水體中氨氮超標(biāo)最為常見，水廠傳統(tǒng)工藝對氨氮去除十分有限，出水經(jīng)常性超標(biāo)，影響最為廣泛。

 

近年來，臭氧－生物活性炭(O3－BAC)深度處理技術(shù)作為微污染水源水主要處理工藝，在國內(nèi)外得到快速的發(fā)展，然而針對不同的原水水質(zhì)，其要求的運(yùn)行控制參數(shù)也不同。

 

針對閩江水體受污染，原水氨氮時(shí)常超標(biāo)，針對不能有效去除氨氮的情況，采用O3－BAC處理工藝對水廠進(jìn)行改造，通過分析該廠微污染原水污染情況，污染物質(zhì)的變化規(guī)律，研究O3－BAC工藝在不同的臭氧投加量、水溫、臭氧接觸室氣水比、活性炭濾池空床停留時(shí)間(EBCT)等情況下，對氨氮的去除效果，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，找到與之對應(yīng)的O3－BAC工藝處理的最佳運(yùn)行工況，使水廠各項(xiàng)出水指標(biāo)達(dá)標(biāo)，并對其他水廠的改造和運(yùn)行情況提供經(jīng)驗(yàn)參考。

 

試驗(yàn)概況

 

試驗(yàn)基本情況及處理工藝選擇福州市某水廠水源水取自閩江，因受工業(yè)污水、生活污水等影響，水源水受到輕微的污染氨氮時(shí)常超標(biāo)，濃度為0.6～2.0mg·L－1，水廠常規(guī)處理工藝對氨氮的去除率不足30%，出廠水氨氮難以達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的氨氮限值(＜0.5mg·L－要求。

 

該水廠原有的水處理工藝主要為機(jī)械加速澄清池和雙閥濾池，對原水、濾前水和濾后水分三次加氯，當(dāng)仍不能有效去除氨氮，出廠水氨氮時(shí)常不能達(dá)標(biāo)，水廠不得不在高氨氮時(shí)停止生產(chǎn)，影響了原供水區(qū)域的正常供水。為保證自來水中必要的自由性余氯，原水廠增加了加氯量，繼而出現(xiàn)了消毒副產(chǎn)物、嗅味增加等不良現(xiàn)象。

 

因此急需采用新工藝對水廠進(jìn)行改造。

 

為保證運(yùn)行的可靠性，本研究在澄清池后設(shè)置了O3－BAC工藝，進(jìn)行了中試研究，規(guī)模為32m3·h－1，其工藝流程O3－BAC對氨氮的去除主要依靠臭氧的預(yù)氧化和生物活性炭的物理吸附、生物降解作用，實(shí)現(xiàn)對原水氨氮的去除。

 

利用臭氧預(yù)氧化作用，能使水中難以生物降解的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)換成短鏈的小分子有機(jī)物，同時(shí)生成相應(yīng)的有機(jī)酸，并釋放出氨;分解后的小分子有機(jī)物更容易被活性炭吸附，而被附著在活性炭上的細(xì)菌生物降解，而氨在亞硝化菌、硝化菌和反硝化菌的作用下，一部分合成細(xì)胞成分，一部分被氧化為硝酸鹽，進(jìn)而還原成氣態(tài)氮N。

 

此外，臭氧氧化還可有效去除水中的酚、氰、硫、鐵、錳，并能脫色、除嗅和味、殺藻以及殺菌消毒等。與生物預(yù)處理技術(shù)相比，O3－BAC技術(shù)具有出水水質(zhì)穩(wěn)定，對原水水質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

 

O3－BAC深度處理系統(tǒng)構(gòu)造

 

臭氧發(fā)生器及臭氧接觸設(shè)備。試驗(yàn)采用臭氧接觸塔(h=6m，Φ=1。2m)進(jìn)行臭氧氣水接觸，為了提高臭氧氣水接觸面積以及臭氧傳質(zhì)效率，特將臭氧接觸塔改成三段式臭氧接觸池。臭氧接觸池設(shè)計(jì)接觸時(shí)間為10min，每個(gè)接觸室沿水平方向各有3個(gè)鈦板曝氣頭，一共9個(gè)。臭氧發(fā)生器由提供，氣源采用液氧+蒸發(fā)器產(chǎn)生形成純氧，臭氧最大產(chǎn)量為300g·h，臭氧尾氣消除裝置采用電加熱分解消除方式。生物活性炭濾池。

 

本次試驗(yàn)根據(jù)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會指定的(CECS124:200《顆?；钚蕴课匠厮幚碓O(shè)計(jì)規(guī)程》中對活性炭選型的要求，采用煤質(zhì)顆?；钚蕴?柱狀炭)，直1。5mm，長2～3mm，碘吸附值＞900mg·g－1，亞甲基蘭吸附值＞200mg·g－1;活性炭吸附池采用V型模型濾池，濾池整體尺寸為3540mm×2296mm×4800mm，共分成兩格，每格尺寸為3540mm×1015mm×4800mm，過濾面積S=3。59m2;活性炭濾層厚度為2m，底部敷設(shè)粒徑為0.8～1。2mm，厚度為300mm的石英砂墊層;設(shè)計(jì)濾速為8。9m·h－1;濾池反沖洗方式為氣水反沖洗:氣沖強(qiáng)度15L(s·m－1，沖洗歷時(shí)3min;水沖強(qiáng)度為5L(s·m－1，沖洗時(shí)間為8min。

 

試驗(yàn)方法

 

設(shè)備調(diào)試和生物膜掛膜階段。首先進(jìn)行設(shè)備的改裝和調(diào)試，然后進(jìn)行掛膜試驗(yàn)。此次試驗(yàn)以中試試驗(yàn)為基礎(chǔ)，試驗(yàn)從7月份開始運(yùn)行，最初深度處理工藝原水取自清水池，為砂濾后出水。

 

考慮到該水廠水處理工藝濾前有加氯，對生物膜有滅活作用，后停止運(yùn)行，并把試驗(yàn)進(jìn)水調(diào)整至加濾點(diǎn)之前?；钚蕴繛V池生物膜培養(yǎng)在10月份開始，以氨氮穩(wěn)定去除作為生物膜成熟的標(biāo)志，掛膜時(shí)水溫為20～22℃。在培養(yǎng)四周后(從10月1日至10月28日)，當(dāng)氨氮濃度為1mg·L－1左右時(shí)，去除率達(dá)到70%以上，此時(shí)標(biāo)志著生物膜已經(jīng)基本成熟。掛膜成功后，生物膜穩(wěn)定生長，活性炭的反洗周期為7d，之后開始試驗(yàn)。

 

試驗(yàn)測試階段。試驗(yàn)運(yùn)用控制變量法，即通過改變臭氧投加量，臭氧接觸室氣水比，進(jìn)水氨氮濃度，濾池空床接觸時(shí)間等，研究不同水質(zhì)條件下氨氮去除情況和運(yùn)行規(guī)律，并對活性炭濾池上向流或下向流工藝對氨氮去除效果進(jìn)行對比，最終確定水廠工藝改造相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，確保出廠水氨氮濃度低于0.5mg·L－1。

 

結(jié)果與分析

 

臭氧投加量對氨氮去除的影響

 

有研究發(fā)現(xiàn)，由于臭氧在氧化有毒的或不能生物降解的有機(jī)物的同時(shí)會將一些有機(jī)氮直接氧化成氨氮，反而使水中氨氮增加;也有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，預(yù)臭氧氧化可降低混凝劑的投加量［9］。因此，確定臭氧的最佳投加量對試驗(yàn)具有重要意義。在此基礎(chǔ)上，為考察系統(tǒng)對氨氮的去除能力，控制臭氧的濃度在10%左右，臭氧化氣體中臭氧的濃度為95～135mg·L－1。最終確定臭氧投加量分別為1。進(jìn)行試驗(yàn)，此處的臭氧投加量為臭氧進(jìn)氣濃度，即臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧濃度。

 

不同臭氧投加量條件下的氨氮去除效果

 

結(jié)果表明，系統(tǒng)增加臭氧工藝對氨氮的去除有促進(jìn)作用，去除率可達(dá)到65%～90%，出水氨氮濃度能夠控制在0.5mg·L－1以下。當(dāng)臭氧投加量為1.5mg·L－1時(shí)，氨氮去除率為65.2%～76。2%。隨著臭氧投加量的提高，氨氮去除效果也隨之增大，當(dāng)臭氧投加量為2。0mg·L－1，氨氮去除率在70.8%～89。5%之間，去除效果較為穩(wěn)定，平均去除率達(dá)75%以上;臭氧投加量達(dá)到2.5mg·L－1時(shí)，氨氮去除率穩(wěn)定在75%～90%之間，去除效果較臭氧投加量為2.0mg·L－1的有部分提高。但是考慮到運(yùn)行成本，最終取定最佳的臭氧投加率為2.0mg·L－1，并且臭氧預(yù)氧化后水中殘留的O3濃度為0.54mg·L－1左右;殘留臭氧濃度較低，對生物活性炭表面的生物膜影響不大。

 

溫度對氨氮去除的影響溫度在O3－BAC工藝過程中不但會影響生物酶的反應(yīng)活性，降低生物對氨氮的降解功能，還會響水的粘度，對傳質(zhì)效果有產(chǎn)生影響。因此，需要確定最佳的溫度范圍以利于氨氮的去除。圖3為O3－BAC去除氨氮的效果隨水溫的變化情況，對其進(jìn)行了二次曲線擬合，可以發(fā)現(xiàn)，隨著水溫上升，氨氮去除率整體上隨之增加。溫度在16℃以下時(shí)，氨氮去除效果較差;當(dāng)溫度高于16℃時(shí)，該工藝對氨氮的去除效果相對較好。因此，針對福州市原水，水溫在16～24℃之間時(shí)，較有利于氨氮的去除。而在16℃時(shí)具有比較大的波動可能是受原水水質(zhì)、水溫突變等因素的影響造成的。

 

進(jìn)水氨氮濃度對氨氮去除的影響

 

O3－BAC工藝中，進(jìn)水氨氮濃度對氨氮的去除效果有一定的影響。進(jìn)水氨氮濃度很低時(shí)，由于基質(zhì)濃度小，異養(yǎng)菌無法正常生長繁殖，導(dǎo)致生物量減少，對氨氮的去除率也降低;隨著進(jìn)水氨氮濃度升高，營養(yǎng)豐富，硝化菌和亞硝化菌大量繁殖，從而加快了氨氮的去除率;隨著進(jìn)水氨氮濃度進(jìn)一步升高，由于受溶液中溶解氧濃度的限制，工藝對氨氮的去除率達(dá)到一定程度后，出現(xiàn)了下降的情況。

 

可見，出水氨氮濃度能夠控制在0.50mg·L－1以下。在低氨氮濃度下，隨著進(jìn)水氨氮濃度的上升，去除率也逐漸增加;隨著氨氮濃度提高至0.75mg·L－1以上時(shí)，氨氮的去除率保持在一個(gè)相對穩(wěn)定的水平，且能夠穩(wěn)定在70%～80%之間;但當(dāng)氨氮濃度進(jìn)一步升高到1。50mg·L－1以上時(shí)，氨氮的去除率反而有所下降。因此，氨氮進(jìn)水濃度的最佳范圍應(yīng)控制在0.75～1。50mg·L－1之間。

 

三個(gè)接觸室氣水比對氨氮去除的影響

 

試驗(yàn)中臭氧接觸池由三段接觸室組成，設(shè)置第一段接觸室主要是為了加快臭氧與反應(yīng)物質(zhì)的反應(yīng)，從而保證其出水中含有能繼續(xù)殺滅細(xì)菌、病毒、寄生蟲和氧化有機(jī)物所必需的臭氧剩余量。由于出水中臭氧剩余量太低會影響殺菌等效果，太高會殺死BAC中的生物，降低氨氮的去除效果，因此需要控制在一定的范圍內(nèi)。后續(xù)接觸室數(shù)量的確定則應(yīng)根據(jù)待處理水的水質(zhì)狀況和工藝目的來考慮。當(dāng)以殺滅細(xì)菌和病毒為目的時(shí)，一般宜再設(shè)一段;當(dāng)以殺滅寄生蟲和氧化有機(jī)物(特別是農(nóng)藥)為目的時(shí)，一般宜再設(shè)兩段。綜合考慮，本試驗(yàn)采用三段接觸室。各個(gè)接觸室不同的氣水比對臭氧的氣水傳質(zhì)效果有顯著影響。

 

本試驗(yàn)選擇三種氣水比，分別為的去除效果5可知，三個(gè)接觸室不同氣水比下，對氨氮均有較高的去除效果，去除率均可大于50%。在進(jìn)水氨氮濃度為0.79～1。39mg·L－1，氣水比2時(shí)，工藝對氨氮去除效果較提前兩種情況高，且出水水質(zhì)穩(wěn)定。

 

空床停留時(shí)間

 

(EBCT)對氨氮去除的影響活性炭濾池空床接觸時(shí)間(EBCT)對微生物的凈水效果具有重要影響。接觸時(shí)間越長，微生物的生長以及有機(jī)物的降解作用越明顯，進(jìn)而有機(jī)物和氨氮的去除效率也越高。不同停留時(shí)間臭氧活性炭工藝對氨氮的去除效果見圖6。由圖6可知，隨著活性炭濾池停留時(shí)間的延長，O3－BAC對氨氮去除率明顯上升。但是，考慮到在實(shí)際運(yùn)行中，EBCT的提高會使水力負(fù)荷下降;因而，為了保證一定的水力負(fù)荷，同時(shí)又要保證出水水質(zhì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)，綜合考慮，本次試驗(yàn)采用的EBCT值在15min左右。

 

上向流與下向流工藝對氨氮去除的影響

 

上向流過濾是一種理想的過濾方式，與傳統(tǒng)快濾池相比具有濾層截污量大，水頭損失小，濾周期長等特點(diǎn)。因此，試驗(yàn)還考察了活性炭濾池采用上向流以及下向流工藝對氨氮的去除效果。是上向流和下向流工藝對氨氮處理效果的比較。上向流與下向流工藝對氨氮去除效果對比結(jié)果顯示上向流與下向流相比，除污效果更好，氨氮平均去除率高10%左右。試驗(yàn)中，上向流濾層截污量大，使?jié)岫热コЧ玫搅艘欢ǖ奶嵘?，同時(shí)由于在活性炭底部增加了石英砂墊層，在洪水期高濁度進(jìn)水情況下(＞20出水濁度仍可符合標(biāo)準(zhǔn)要求＜0)。

 

結(jié)論

 

O3－BAC深度處理技術(shù)作為微污染水源水主要處理工藝，依靠臭氧的預(yù)氧化和生物活性炭的物理吸附、生物降解作用，對氨氮含量高達(dá)0.6～2.0mg·L－1范圍的微污染水源水有較好的去除效果，能夠保證出水氨氮濃度達(dá)標(biāo)。O3－BAC工藝對氨氮的去除效果受臭氧投加量、水溫、進(jìn)水氨氮濃度、臭氧接觸室氣水比、EBCT以及上向流或下向流工藝等因素的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該工藝最佳運(yùn)行工況如下，臭氧投加量為min時(shí)，氨氮的去除效果最佳;與下向流工藝相比，采用上向流工藝時(shí)，氨氮的去除效果可提高。