中小型河流突發(fā)氨氮污染應(yīng)急處理技術(shù)研究

匡 武1， 劉 群2， 鄭西強(qiáng)1*，潘成榮1

(1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽省污水處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230061； 2.安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽合肥 230601)

摘要針對(duì)中小型河流突發(fā)性水體污染，以突發(fā)氨氮污染為例，探究水體污染應(yīng)急處理技術(shù)。結(jié)果表明，氨氮濃度為10 mg/L左右時(shí)，平均自然降解系數(shù)KN為0.009 d-1；同一工況下，不同工藝對(duì)水中氨氮的去除能力表現(xiàn)為活性炭吸附>自然曝氣+沸石>自然曝氣。但在實(shí)際工程操作過(guò)程中，綜合考慮工程的經(jīng)濟(jì)及可行性，在處理突發(fā)性氨氮污染時(shí)，建議主要采用自然曝氣+沸石法去除氨氮，活性炭作為輔助吸附劑，從而提高氨氮的整體去除效果。

關(guān)鍵詞河流；污染；氨氮；應(yīng)急處理

中圖分類號(hào)S181.3

基金項(xiàng)目安徽省省級(jí)環(huán)保科研課題(2013-003)。

作者簡(jiǎn)介匡武(1972- )，男，安徽六安人，高級(jí)工程師，碩士，從事環(huán)境規(guī)劃及水污染控制技術(shù)研究。*

收稿日期2015-06-09

The Sudden Ammonia Nitrogen Pollution and Emergency Treatment Technology of Small and Medium-sized Rivers

KUANG Wu1, LIU Qun2, ZHENG Xi-qiang1*et al (1. Anhui Provincial Key Laboratory of Wastewater Treatment Technology, Anhui Academy of Environmental Science Research, Hefei, Anhui 230061; 2. Anhui Sanlian University, Hefei, Anhui 230601)

AbstractAccording to the small and medium-sized rivers of sudden water pollution, water contamination in ammonia nitrogen pollution, for example, to explore the emergency treatment technology. The results showed that the concentration of ammonia nitrogen was about 10 mg/L, average natural degradation coefficient KN=0.009 d-1, the removal of ammonia nitrogen in water capacity under the same condition, respectively was: activated carbon adsorption >natural aeration + zeolite > natural aeration. But in the actual project operation process, to comprehensively consider the economy and feasibility of engineering, in the event of a sudden the ammonia nitrogen pollution in processing, recommend using natural aeration + zeolite method as main ammonia nitrogen removal method, active carbon as auxiliary adsorbent, thus improve the ammonia nitrogen removal efficiency as a whole.

Key wordsRiver; Pollution; Ammonia nitrogen; Emergency treatment

近年來(lái)，我國(guó)水污染事件頻發(fā)，不僅對(duì)水環(huán)境造成巨大破壞，而且給當(dāng)?shù)卦斐蓳p失，甚至給城市水源地供水安全帶來(lái)巨大隱患。2013年1月，河南省境內(nèi)惠濟(jì)河?xùn)|孫營(yíng)閘開閘泄洪，下泄水中氨氮最高濃度達(dá)16 mg/L，導(dǎo)致下游安徽省境內(nèi)渦河亳州段的水體氨氮嚴(yán)重超標(biāo)，當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)箱養(yǎng)魚大面積死亡[1]。

氨氮是水中常見污染物之一，當(dāng)氨氮濃度達(dá)到一定水平時(shí)影響水環(huán)境質(zhì)量，并且對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)具有一定的破壞性[2]，它能引發(fā)水體爆發(fā)“水華”現(xiàn)象，對(duì)水生動(dòng)植物存在較大毒性。在飲用水源地，隨著水中氨氮濃度的增加，傳統(tǒng)給水工藝根本無(wú)法去除突發(fā)性高濃度氨氮，出水氨氮濃度難以達(dá)到安全供水的水質(zhì)要求。因此，在中小型河流發(fā)生突發(fā)性氨氮污染事件后，為了迅速、有效地去除水中高濃度氨氮污染物，最大程度地減輕或減少環(huán)境破壞及經(jīng)濟(jì)損失，快捷有效的處理方法對(duì)突發(fā)氨氮水污染應(yīng)急具有重大的意義。筆者以氨氮為研究對(duì)象，比較幾種吸附材料對(duì)水中氨氮的去除效果，優(yōu)化處理技術(shù)參數(shù)，以期為中小型河流水體突發(fā)氨氮污染應(yīng)急處理提供技術(shù)參考。

1材料與方法

1.1材料與設(shè)備材料包括天然沸石、活性炭、脫脂紗布、細(xì)繩等。天然沸石分子式為Na2O·Al2O3·xSiO2·yH2O，粒度為40～60目，鈣離子交換能力≥20 mg/g，灼燒失重15%～30%，可溶性鹽類1.50%?；钚蕴苛?.4～3 mm，碘值800～1 100 mg/g，亞甲基藍(lán)吸附值120～150 mg/g，苯酚吸附值≥450 mg/g，亞甲基藍(lán)脫色率≥11 ml，比表面積900～1 300 m2/g，堆比重0.40～0.55 g/cm3，強(qiáng)度≥90%，總孔容率0.8～1 cm3g，灰分≤5%，水分≤10%。設(shè)備包括自制模擬河道、計(jì)量泵、小型充氧泵等。充氧曝氣機(jī)型號(hào)為AP-004，功率2 W，排氣量1.5 L/min，壓力0.02 MPa，氣口直徑0.5 cm，1個(gè)氣口，電線長(zhǎng)70 cm，規(guī)格尺寸11 cm×6 cm×4.5 cm。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1模擬河道的制作。根據(jù)有關(guān)河道水文資料，在實(shí)驗(yàn)室用亞克力板自制模擬河道，整體長(zhǎng)×寬為2.4 m×1.2 m，模擬河道呈環(huán)形，河道寬度20 cm。選擇水流平均流速0.04 m/s，寬深比為4∶1，利用計(jì)量泵使水體循環(huán)。

1.2.2吸附材料的組裝。使用不同的吸附材料進(jìn)行試驗(yàn)，篩選出對(duì)氨氮去除效果最佳的吸附材料。在試驗(yàn)及實(shí)際工程應(yīng)用中，為方便吸附材料的放置與更換，采用自制吸附材料包。

1.2.3配制模擬河水。稱取適量硫酸銨加入水中，按試驗(yàn)要求配制不同氨氮濃度的模擬河水，水中氨氮濃度以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)。

1.3氨氮測(cè)定方法測(cè)定水中氨氮的方法有納氏試劑分光光度法、水楊酸-次氯酸鹽分光光度法、蒸餾滴定法、電極法和氣相分子吸收光譜法，該試驗(yàn)采用納氏試劑分光光度法[3]，且同一水樣同時(shí)測(cè)定3次，取平均值進(jìn)行計(jì)算分析。

1.4氨氮自然降解系數(shù)的計(jì)算氨氮的降解過(guò)程，可按一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)關(guān)系[4]表達(dá):

dCN/dt=-KNCN

其積分式為:

CN=CN0exp(-KNt)

則KN的計(jì)算式為:

KN=1/tln(CN0/CN)

式中，t為反應(yīng)時(shí)間，d;KN為氨氮的綜合降解系數(shù)，d-1;CN為t時(shí)的氨氮濃度， mg/L;CN0為初始氨氮濃度， mg/L。

2結(jié)果與分析

2.1氨氮自然降解系數(shù)的確定試驗(yàn)配制氨氮濃度約為10 mg/L的模擬河水，選擇在不同時(shí)間段(3月17～28日和4月15～25日)取樣檢測(cè)氨氮濃度，并計(jì)算得到氨氮的降解系數(shù)(表1)。由兩次試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算可得，在模擬試驗(yàn)工況下，氨氮濃度為10 mg/L左右時(shí)，平均自然降解系數(shù)KN為0.009 d-1，在下文的氨氮濃度計(jì)算中均已扣除其自然降解部分。

2.2自然曝氣對(duì)氨氮的去除效果自然曝氣法去除自然河水中氨氮的機(jī)理是利用微生物的硝化、反硝化作用去除或轉(zhuǎn)化。但在自然河流中，由于接觸空氣，難以進(jìn)行有效的反硝化反應(yīng)(河流底層除外)，硝化過(guò)程中氨氮先被亞硝化菌氧化成亞硝酸氮，然后被硝化菌氧化成硝酸鹽氮。為研究自然曝氣對(duì)水中氨氮的去除效果，分別配制氨氮濃度約為20、10 mg/L的模擬河水，使用淺水層簡(jiǎn)易水體充氧曝氣機(jī)，將8個(gè)曝氣機(jī)按均勻間隔放入模擬河道內(nèi)，總充氣量約為720 L/h，河道內(nèi)水的總體積為192 L。由圖1可知，在自然曝氣下，高濃度氨氮模擬河水中剩余氨氮含量逐漸降低，但總體變化量較小，氨氮的整體去除率也偏低；低濃度氨氮模擬河水中剩余氨氮含量變化趨勢(shì)與高濃度大致相同，只是氨氮的整體去除率略高于高濃度模擬河水，最高達(dá)7%左右，但去除氨氮的量遠(yuǎn)低于前者。說(shuō)明在試驗(yàn)期間內(nèi)(32 h)，自然曝氣對(duì)氨氮的去除表現(xiàn)雖高濃度略優(yōu)于低濃度，但整體去除效果不明顯。

表1　氨氮自然降解系數(shù)

2.3自然曝氣+沸石法對(duì)氨氮的去除效果在自然曝氣下，往模擬河道中添加沸石，探究該組合工藝對(duì)氨氮去除的效果。分別在高、低氨氮濃度的模擬河水中放入8個(gè)簡(jiǎn)易水體充氧曝氣機(jī)，并在曝氣機(jī)處放置自制沸石包，重量約為38 g/包，共計(jì)加入300 g沸石，在不同時(shí)間段取樣檢測(cè)氨氮濃度。由圖2可知，在投加沸石并且同時(shí)曝氣條件下，兩種氨氮濃度的模擬河水中剩余氨氮含量降低趨勢(shì)較自然曝氣明顯，氨氮的整體去除率相比之下也略為偏高，這可能與沸石吸附及離子交換有關(guān)。沸石粒徑越小，對(duì)氨氮吸附效果越好；沸石粒徑越大，沸石顆粒的總表面積越小，吸附質(zhì)向沸石內(nèi)部細(xì)孔擴(kuò)散時(shí)所受到的阻力越大，NH4+與沸石的接觸量越低，氨氮吸附效果越差?？紤]實(shí)際工程化操作時(shí)投加的沸石包顆粒不宜過(guò)小，試驗(yàn)中選取的沸石粒徑偏大，未能達(dá)到最佳吸附效果。

2.4活性炭吸附對(duì)氨氮的去除效果利用活性炭較強(qiáng)的吸附能力，探究其對(duì)水中氨氮的去除效果。分別將自制等量活性炭包均勻放置在高、低氨氮濃度的模擬河水中，活性炭包的重量為38 g/包，總投加量為300 g，在不同時(shí)間段取樣檢測(cè)氨氮濃度。由圖3可知，活性炭對(duì)水中氨氮的吸附去除率隨時(shí)間逐漸增加，高、低濃度氨氮的吸附去除率相差較大，最高值分別為16.5%、24.5%；吸附飽和時(shí)間也大不相同，低濃度較高濃度快；活性炭對(duì)氨氮的吸附量也隨時(shí)間延長(zhǎng)的而逐漸增大，且高濃度明顯快于低濃度，這與吸附機(jī)理有關(guān)，吸附質(zhì)濃度愈高，吸附速率越快?？梢?，在活性炭量相同的條件下，去除高濃度氨氮的效果優(yōu)于低濃度。

為進(jìn)一步研究活性炭對(duì)氨氮的吸附量與投加量的關(guān)系，在低濃度氨氮的模擬河水中將活性炭量增至500 g，在不同時(shí)間段取樣檢測(cè)氨氮濃度。在氨氮濃度相同的條件下，增加活性炭投加量不僅提高了吸附速率，而且大大提高了活性炭對(duì)氨氮的吸附量(圖4)?；钚蕴客都恿繛?00 g時(shí)，吸附飽和時(shí)間約為26 h(圖3)；投加量為500 g時(shí)，吸附飽和時(shí)間提前至7 h左右(圖4)，此時(shí)的吸附量仍高于前者的最大吸附量。增加活性炭的投加量，雖提高了單位吸附量以及去除率，但投入成本也相應(yīng)增大。

3結(jié)論

(1)在模擬試驗(yàn)工況下，氨氮濃度為10 mg/L左右時(shí)，平均自然降解系數(shù)KN為0.009 d-1。

(2)自然曝氣對(duì)氨氮的去除有一定的效果，在試驗(yàn)期間內(nèi)(32 h)，氨氮去除表現(xiàn)雖高濃度略優(yōu)于低濃度，但整體去除效果不明顯，未能及時(shí)有效降解水中的氨氮；在投加沸石且同時(shí)曝氣條件下，兩種不同氨氮濃度的模擬河水中剩余氨氮濃度降低趨勢(shì)較自然曝氣明顯，氨氮的整體去除率相比之下也有所提高，這可能與沸石吸附及離子交換有關(guān)；活性炭對(duì)氨氮的吸附量也隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，且增加的速率高濃度明顯快于低濃度，在活性炭投加量相同條件下，去除高濃度氨氮的效果優(yōu)于低濃度，且去降率均高于自然曝氣+沸石及自然曝氣工藝。增加活性炭的投加量，提高了氨氮的單位吸附量以及去除率，但投入成本也相應(yīng)增大。

(3)在相同工況下，3種工藝對(duì)水中氨氮的去除能力表現(xiàn)為活性炭吸附>自然曝氣+沸石>自然曝氣。但在實(shí)際工程操作過(guò)程中，要綜合考慮工程的經(jīng)濟(jì)及可行性，活性炭的價(jià)格約為沸石的10倍，但兩者實(shí)際去除能力遠(yuǎn)未相差10倍。因此，在處理突發(fā)性氨氮污染時(shí)，建議主要采用自然曝氣+沸石法去除氨氮，活性炭作為輔助吸附劑去除水體中的部分有機(jī)物，從而提高氨氮的整體去除效果。

參考文獻(xiàn)

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