王化剛

（安龍縣龍廣鎮(zhèn)水利站,貴州 安龍 552403）

1 引言

隨著氮素工業(yè)的發(fā)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(tài)環(huán)境帶來了十分嚴重的危害,是引起水體富營養(yǎng)化的主要原因[1]。目前,微生物處理法、吸附法和化學(xué)氧化法等被廣泛應(yīng)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(zhì)量濃度控制在1 mg/L 以下。

人工快滲（artificial rapid infiltration,ARI）系統(tǒng)是一類基于土壤滲濾系統(tǒng)升級后的新型廢水處理技術(shù),高效去除污水中的氨氮污染物是ARI 系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)。合理的濾料配置是改善ARI 系統(tǒng)NH4+-N 去除性能的關(guān)鍵,當濾料配置不合理時,將導(dǎo)致NH4+-N 去除效率低,進而影響ARI 系統(tǒng)最終的脫氮效果。目前傳統(tǒng)ARI 系統(tǒng)多數(shù)選用天然河砂作為基礎(chǔ)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(tǒng)的NH4+-N 去除性能具有重要的現(xiàn)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(chǔ)上,將其與天然河砂通過不同配置方式填入ARI 系統(tǒng)內(nèi),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(yōu)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(diào)節(jié)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(yīng)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(yōu)的濾料。

2.2 實驗裝置及運行條件

構(gòu)建4 個ARI 反應(yīng)器,分別編號C1、C2、C3、C4,總高、內(nèi)徑分別設(shè)置為700 mm、44.6 mm。柱體自上而下依次設(shè)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(shè)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(yōu)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(yōu)選濾料,C4 的C 層采用70%天然河砂+30%優(yōu)選濾料均勻混合而成,優(yōu)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(diào)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?；钚晕勰嘟?jīng)SBR 系統(tǒng)曝氣反應(yīng)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(tǒng)的接種污泥。

2.4 分析方法

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

3 結(jié)果與討論

3.1 濾料表面結(jié)構(gòu)特征

火山巖、海綿鐵和麥飯石顆粒表面的SEM 分析結(jié)果見圖1。由圖1 可知,火山巖表面大部分區(qū)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(xiàn)出大量的微孔結(jié)構(gòu)。粗糙的表面和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)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(yīng)時間由2 h增加至10 h,呈現(xiàn)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(zhì)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(yōu)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(jié)構(gòu)有關(guān),故選擇它作為后續(xù)實驗的優(yōu)勢濾料。

3.3 濾料配置優(yōu)化

3.3.1 單一天然河砂濾料

C1 系統(tǒng)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(xù)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(jīng)進入穩(wěn)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(fā)揮重要作用,并逐漸生成較為穩(wěn)固的生物膜,該階段NH4+-N 的去除通過濾料吸附和功能菌轉(zhuǎn)化共同來完成。

圖3 C1 系統(tǒng)的啟動與穩(wěn)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(yīng)器的啟動與穩(wěn)定運行情況。由圖4可見,初期階段,NH4+-N 去除率變化規(guī)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(wěn)定,去除率達到75.73%。C2 從啟動到穩(wěn)定運行總耗時為47 d。穩(wěn)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(tǒng)的啟動與穩(wěn)定運行

+-N 去除具有一定的提升效應(yīng),麥飯石對NH4+-N 良好的吸附性能在該過程中發(fā)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(yīng)器啟動和穩(wěn)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(xiàn)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(wěn)定,因此,C3 反應(yīng)器從啟動到穩(wěn)定運行總耗時為50 d。穩(wěn)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(yīng)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(tǒng)的啟動與穩(wěn)定運行

分析認為,這是由于C1 系統(tǒng)僅選用天然河砂作為濾料,類型相對單一,而C2、C3 系統(tǒng)的濾料層內(nèi)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(tǒng)提供了更優(yōu)的污染物截留能力,能促使形成更加穩(wěn)定的生物膜,因而去污效率更高。C2 系統(tǒng)的啟動效率和NH4+-N 去除率要優(yōu)于C3系統(tǒng),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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)上層的復(fù)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(huán)境,C2 系統(tǒng)的復(fù)氧效果優(yōu)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(tǒng)的NH4+-N 去除情況見圖6。從圖6 可以看到,NH4

圖6 C4 系統(tǒng)的啟動與穩(wěn)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(wěn)定,C4 從啟動到穩(wěn)定運行總耗時為29 d。進入穩(wěn)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(tǒng)比C1、C2、C3 系統(tǒng)分別縮短了24 d、18 d、21 d。從脫氮效果來看,C4 在穩(wěn)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(yōu)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(yīng)器之所以具有相對最優(yōu)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(fù)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(zhuǎn)化提供良好的微生物基礎(chǔ),使之具備最優(yōu)的NH4+-N 轉(zhuǎn)化條件,實現(xiàn)濾料配置的最優(yōu)化。

4 結(jié)論

針對水中NH4+-N 污染物處理難的問題,采用ARI 系統(tǒng)作為污水處理反應(yīng)器,對其濾料配置進行優(yōu)化,探討不同濾料配置下的NH4+-N 去除性能,得到如下結(jié)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(yōu)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(tǒng)具有最優(yōu)的NH4+-N 去除性能,啟動耗時僅需29 d,穩(wěn)定運行期間NH4+-N 的平均去除率可達81.65%。后續(xù)將通過運行條件的優(yōu)化,進一步提高ARI 系統(tǒng)對NH4+-N的去除性能,以發(fā)揮濾料配置優(yōu)化的最大作用。