曹麗華，陳 娟，張忠園

(天津市塘沽鑫宇環(huán)保科技有限公司 天津300450)

沸石生物活性濾池在低濃度氨氮廢水再生回灌地下水中的應(yīng)用研究

曹麗華，陳 娟，張忠園

(天津市塘沽鑫宇環(huán)?？萍加邢薰?天津300450)

針對(duì)含低濃度氨氮的廢水再生回灌地下水中氨氮的深度處理問(wèn)題，提出了沸石生物活性濾池工藝，并對(duì)工藝的啟動(dòng)、運(yùn)行最佳參數(shù)及低溫運(yùn)行效果進(jìn)行研究。結(jié)果表明，采用動(dòng)態(tài)自然掛膜培養(yǎng)方式，約 15,d，就能形成成熟硝化菌生物膜；正常運(yùn)行時(shí)，最佳水力負(fù)荷 1,m3/m2,h，氣水比 1∶1，對(duì)氨氮的平均去除效率為 79.96%，出水氨氮滿足地表回灌水質(zhì)要求(＜1,mg/L)；在冬季低溫時(shí)，雖然可通過(guò)降低進(jìn)水流量來(lái)增大去除率，但增幅有限，低溫仍是限制氨氮去除的主要原因。

沸石生物活性濾池 低濃度氨氮 地下水回灌

0 引 言

濱海新區(qū)地處北方沿海，水資源短缺，地下水開(kāi)采是增加水資源供給的主要方式之一，但也容易引發(fā)地下水位降低、地表沉降等問(wèn)題，不利于濱海新區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)。低濃度氨氮廢水再生回灌地下水是一種新興地下水補(bǔ)給方法，因其再生成本較低、可增加地層含水量、防止海水倒灌及地面沉降而成為目前研究的熱點(diǎn)。[1]本實(shí)驗(yàn)所研究的低濃度氨氮廢水是指城鎮(zhèn)污水處理廠二級(jí)處理后的出水。該部分廢水水質(zhì)特點(diǎn)是 COD、BOD5、TP、濁度等指標(biāo)基本上能達(dá)到《城市污水再生利用——地下水回灌水質(zhì)》(GB/T 19772-2005)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)氨氮也有較好的去除效率，但仍未達(dá)到《城市污水再生利用——地下水回灌水質(zhì)》(GB/T 19772-2005)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)氨氮的限值要求(＜1,mg/L)。[2]因此低濃度氨氮的深度處理是再生水回灌地下水關(guān)鍵技術(shù)。

本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的“沸石生物活性濾池”是指利用沸石對(duì)氨氮的吸附作用和沸石作為硝化菌生長(zhǎng)載體作用，同步實(shí)現(xiàn)氨氮的吸附和硝化的一種改良型濾池。[3]它結(jié)合了物理過(guò)濾吸附和生物膜硝化的雙重特點(diǎn)，以此強(qiáng)化對(duì)低濃度氨氮的深度去除作用。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試水樣

供試水樣為塘沽某生活污水二級(jí)生化處理后的排水，水質(zhì)分析結(jié)果如表1所示。

表1 供試水樣水質(zhì)(單位：mg/L)Tab.1 Quality conditions of the water sample(Unit：mg/L)

從表 1的水質(zhì)分析結(jié)果與地表回灌標(biāo)準(zhǔn)限值的對(duì)比可看出，生活污水經(jīng)二級(jí)生化出水后，COD、TP、pH、濁度等指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)，而NH3-N超標(biāo)。

1.1.2 改性沸石

沸石外購(gòu)，粒徑為6～10目，按照文獻(xiàn)4中所述方法對(duì)其進(jìn)行微波＋NaCl改性，拓寬沸石孔道，提高對(duì)氨氮的吸附量。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

濾池裝置為直徑 200,mm，高為 1,500,mm 的有機(jī)玻璃反應(yīng)柱，內(nèi)裝改性斜發(fā)沸石高度約為1,000,mm。反應(yīng)柱采取上向流過(guò)濾形式，底部穿孔管進(jìn)水，頂部出水。同時(shí)，在反應(yīng)柱底部有 150,mm 的卵石層，曝氣管設(shè)置于其中。濾池運(yùn)行時(shí)，供試水樣由恒流泵及安裝在泵出口管線上的流量計(jì)調(diào)節(jié)后，與空壓機(jī)提供的壓縮空氣一起，由底部進(jìn)入反應(yīng)柱。氣、水混合后，由下向上流經(jīng)沸石層，使沸石處于流化狀態(tài)，出水由頂部溢流堰流出。濾池裝置如圖 1所示。[5]

圖1 沸石生物活性濾池裝置Fig.1 A bio-zeolite filter device

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 濾池掛膜啟動(dòng)

目前，研究較多的掛膜啟動(dòng)方法主要有接種法、自然掛膜法、循環(huán)掛膜法、快速排泥法。[6-7]本實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)進(jìn)水的動(dòng)態(tài)自然培養(yǎng)掛膜方式。進(jìn)水流量為100,L/h，氣水比為1∶1，水力停留時(shí)間為0.3,h。啟動(dòng)期間，早、中、晚各取樣 1次，以 NH3-N的去除率來(lái)表征濾池的啟動(dòng)歷程和沸石的掛膜成熟程度。[8]

1.3.2 濾池正常運(yùn)行

濾池正常運(yùn)行后，考察濾池在不同水力負(fù)荷、不同氣水比以及低溫環(huán)境對(duì)廢水中 NH3-N的去除率，每個(gè)工況穩(wěn)定運(yùn)行5天，每天取樣一次。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 啟動(dòng)掛膜階段

掛膜期間對(duì)氨氮的去除效果如圖2所示。

圖2 啟動(dòng)階段NH3-N去除效果Fig.2 NH3-N removal efficiency during starting period

從圖中可看出，在整個(gè)掛膜期間，氨氮的去除率出現(xiàn)了一個(gè)“低谷”。在“低谷”出現(xiàn)前，即掛膜初期，硝化生物膜尚未形成，氨氮去除主要依靠沸石吸附和離子交換。由于沸石對(duì)氨氮的良好吸附性能，使得掛膜初期氨氮平均去除率達(dá)到 91.9%。隨著氨氮在沸石表面累計(jì)，吸附逐漸達(dá)到飽和，氨氮去除率逐漸降低至“低谷”，但并未出現(xiàn)去除率接近于零的現(xiàn)象，說(shuō)明此時(shí)硝化生物膜已經(jīng)初步形成，對(duì)氨氮具有一定的硝化作用。在后期，去除率又逐漸回升并穩(wěn)定至 85.4%左右，出水氨氮平均值為 0.69,mg/L，說(shuō)明沸石表面的硝化菌生物膜成熟，可進(jìn)行穩(wěn)定的硝化作用，掛膜啟動(dòng)成功。[8-9]

2.2 正常運(yùn)行階段參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 不同水力負(fù)荷下濾池對(duì)NH3-N的去除效果

實(shí)驗(yàn)條件：氣水比1∶1；反應(yīng)溫度為18～24,℃。分別考察水力負(fù)荷為 1,m3/m2,h、2,m3/m2,h、3,m3/m2,h、4,m3/m2,h工況下濾池對(duì)NH3-N去除效果，如圖3所示。

圖3 不同水力負(fù)荷對(duì)濾池去除NH3-N影響Fig.3 Contrast of NH3-N removal efficiencies under different hydraulic loadings

從圖 3可以看出，隨著水力負(fù)荷的增加，氨氮的去除率逐漸下降。水力負(fù)荷從 1,m3/m2,h增加至2,m3/m2,h時(shí)，氨氮平均去除率從 81.2%降至 76.3%，去除率變化較小，出水氨氮濃度均小于 1,mg/L，滿足《城市污水再生利用——地下水回灌水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)中氨氮限值；水力負(fù)荷從 3,m3/m2,h增加至 4,m3/m2,h，氨氮平均去除率從 65.3%降至 43.4%，且出水氨氮大于 1,mg/L。分析原因可能有兩方面：一是水力負(fù)荷增大導(dǎo)致水力停留時(shí)間縮短，二是水力負(fù)荷增大導(dǎo)致剪切力增大，從而導(dǎo)致生物膜脫落，造成生物量損失。綜合確定最佳的水力負(fù)荷為1,m3/m2,h。

2.2.2 不同氣水比下濾池對(duì)NH3-N去除效果

實(shí)驗(yàn)條件：水力負(fù)荷為 1,m3/m2,h；反應(yīng)溫度為18～24,℃。分別考察氣水比為 1∶2、1∶1、2∶1 三種工況下濾池對(duì)NH3-N去除效果，如圖4所示。

圖4 不同氣水比下濾池對(duì)NH3-N去除效果Fig.4 Contrast of NH3-N removal efficiencies under different gas water ratios

從圖 4中可知，當(dāng)氣水比從 1∶2增加到 1∶1時(shí)，氨氮去除率有小幅度提升，平均去除率從 62.2%增加至 73.8%，出水氨氮平均濃度從 1.39,mg/L降至0.85,mg/L，達(dá)到地表回灌標(biāo)準(zhǔn)。氣水比進(jìn)一步增加到2∶1時(shí)，氨氮平均去除率為 76.1%，增幅非常小。其原因?yàn)楫?dāng)氣水比提高至 1∶1時(shí)，水中溶解氧已完全能夠滿足硝化菌的好氧硝化作用，再提高氣水比對(duì)氨氮去除率影響不大，且氣水比過(guò)大，對(duì)生物膜的剪切力增大，影響濾池處理穩(wěn)定性，增加濾池運(yùn)行能耗。綜上，確定最佳氣水比為1∶1。

2.2.3 冬季低溫環(huán)境下濾池對(duì)NH3-N的去除效果

實(shí)驗(yàn)期間從2013年11月18日至2013年12月12日，此期間環(huán)境溫度為－2～7.5,℃，實(shí)測(cè)進(jìn)水溫度為 5.5～13.5,℃。實(shí)驗(yàn)條件：氣水比 1∶1，進(jìn)水流量分別為100,L/h、50,L/h、20,L/h，結(jié)果如圖5所示。

圖5 冬季低溫條件下濾池對(duì)NH3-N去除效果Fig.5 NH3-N removal efficiency in winter

從圖 5中可以看出，在冬季低溫條件下，濾池對(duì)氨氮的去除效果較差，出水氨氮均大于 1,mg/L。當(dāng)進(jìn)水流量為 100,L/h時(shí)，平均去除效率只有 13.7%。降低進(jìn)水流量能小幅度提高去除效果，進(jìn)水流量降至20,L/h時(shí)，氨氮平均去除率僅提高至 28.2%，去除率仍較低。說(shuō)明低溫抑制硝化菌活性，降低硝化能力，使氨氮出水濃度升高。而進(jìn)水流量的降低延長(zhǎng)了水力停留時(shí)間，減弱了水流對(duì)硝化膜的擾動(dòng)，可使去除率小幅度回升。

2.3 最佳參數(shù)工況下濾池對(duì)低濃度氨氮廢水去除效果

最佳運(yùn)行參數(shù)：水力負(fù)荷 1,m3/m2,h，氣水比1∶1，反應(yīng)溫度 18～24,℃。氨氮的去除效果如圖 6所示。

圖6 最佳參數(shù)下濾池對(duì)NH3-N去除效果Fig.6 NH3-N removal efficiency under optimum parameters

從圖 6中可以看出，在最佳參數(shù)下，濾池對(duì)進(jìn)水中低濃度氨氮去除效果穩(wěn)定，氨氮平均去除率為79.96%。除個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)出水氨氮濃度接近或略微超過(guò) 1,mg/L外，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)氨氮出水濃度均小于1,mg/L，滿足《城市污水再生利用——地下水回灌水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)中氨氮限值。

3 結(jié) 論

①沸石生物活性濾池啟動(dòng)掛膜易，自然掛膜15,d左右，即可形成成熟的硝化菌生物膜。②正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)改變水力負(fù)荷和氣水比，確定了沸石生物活性濾池的最佳運(yùn)行參數(shù)為：水力負(fù)荷 1,m3/m2,h，氣水比1∶1。在此最佳參數(shù)下，對(duì)進(jìn)水低濃度氨氮的平均去除效率為 79.96%，出水氨氮滿足地表回灌水質(zhì)要求。③低溫仍是限制沸石生物活性濾池在冬季運(yùn)行的主要原因，雖然可通過(guò)降低進(jìn)水流量來(lái)增大去除率，但增幅有限。

［1］靳孟貴，羅擇嬌，梁杏. 再生水地表回灌補(bǔ)給地下水的水質(zhì)安全保障體系[J]. 地球科學(xué)——中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，37(2)：238-246.

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Application Study of Bio-zeolite Filter in Groundwater Recharge with Low Ammonia-nitrogen Reclaimed Water

CAO Lihua，CHEN Juan，ZHANG Zhongyuan
(Tianjin Tanggu Xinyu Science & Technology Environmental Protection Co.，Ltd.，Tianjin 300450，China)

To solve the problem of advanced treatment of ammonia-nitrogen in recharged groundwater，which is recycled from low concentration ammonia-nitrogen reclaimed water，a bio-zeolite filter process was proposed and the process starting parameters，optimum parameters and treatment effects at low temperature were discussed. It was indicated that after 15,days of natural biofilm cultivation，a nitrification bacteria film was formed. During normal operation，the optimum hydraulic load was 1,m3/m2,h，gas water ration was 1∶1，the average NH3-N removal efficiency was 79.96%，and NH3-N concentration in the effluent met the quality of groundwater recharge requirements(＜1,mg/L). In winter，despite the removal rate can be increased through reduction of the water flow，the growth is still limited，indicating that low temperature is still the main limiting factor that affects ammonia nitrogen removal.

bio-zeolite filter；low concentration ammonia-nitrogen；groundwater recharge

X523

A

1006-8945(2014)10-0010-03

2014-09-09