組合工藝處理上虞市總干渠微污染原水的中試啟動(dòng)研究

金國(guó)水,黎 園,倪 炯,黃仲慰,鄧慧萍

(1.上虞市自來(lái)水公司,浙江上虞 312300;2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092)

浙江省上虞市上浦閘總干渠飲用水源區(qū)是上虞市的重要供水備用水源。近年來(lái)總干渠水濁度偏高、氨氮和有機(jī)物超標(biāo),呈現(xiàn)出微污染的水質(zhì)特點(diǎn)。隨著城市用水量的增加和水質(zhì)要求的提高,優(yōu)質(zhì)水源供不應(yīng)求而受微污染的備用水源水又難以通過(guò)常規(guī)工藝處理達(dá)到用水要求,要解決這一矛盾,急需研究適用于當(dāng)?shù)厮此|(zhì)特點(diǎn)且高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的處理工藝。

微污染水源水的處理方法,按其凈化工藝可分為強(qiáng)化常規(guī)工藝、預(yù)處理工藝和深度處理工藝,具體涉及到吸附、氧化、生物處理以及膜分離技術(shù)[1],其中生物處理經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯,對(duì)分子量小于 1.5k的DOC和氨氮的去除效果顯著。曝氣生物濾池(BAF)工藝是近年來(lái)國(guó)際上較為流行的一種新型水處理技術(shù),與傳統(tǒng)的生物處理技術(shù)相比,曝氣生物濾池具有占地面積小、處理效果好、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、流程簡(jiǎn)單、能耗省、填料經(jīng)久耐用及維護(hù)費(fèi)用低等突出優(yōu)點(diǎn)[2,3],從 20世紀(jì) 90年代起,國(guó)內(nèi)微污染源水的曝氣生物濾池處理技術(shù)已開(kāi)始進(jìn)入生產(chǎn)性試驗(yàn)研究階段。作為 BAF的核心組成部分,填料的選擇至關(guān)重要。沸石是一種優(yōu)良的吸附劑和離子交換劑[4],在水處理中多應(yīng)用于對(duì)氨氮的吸附,用沸石作曝氣生物濾池的填料,即曝氣生物沸石濾池 (ZBAF),沸石既作為離子交換劑吸附水中的氨氮,同時(shí)又作為硝化菌生物膜載體,為微生物提供生長(zhǎng)介質(zhì)[5]。ZBAF對(duì)氨氮有較好的去除能力,但對(duì)有機(jī)物的去除作用有限,而活性炭作為一種常見(jiàn)的水處理吸附劑,是完善常規(guī)處理工藝以去除有機(jī)污染物最成熟有效的方法之一[6]。將 ZBAF與活性炭濾池 (GAC)聯(lián)用,可以達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),降低成本的同時(shí)獲得較全面的處理效果。

針對(duì)總干渠微污染水濁度偏高、氨氮濃度波動(dòng)范圍大和有機(jī)物超標(biāo)的水質(zhì)特點(diǎn),采取混凝沉淀 +曝氣生物沸石濾池(ZBAF)+活性炭濾池(GAC)的組合工藝進(jìn)行中試研究,考察運(yùn)行初期 Z BAF的掛膜啟動(dòng)情況和組合工藝整體對(duì)此類(lèi)水體的處理效果。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 中試工藝

組合工藝流程圖如圖 1所示。原水由潛水泵提升至斜管沉淀池,液態(tài)聚合氯化鋁混凝劑通過(guò)計(jì)量泵投加至斜管沉淀池進(jìn)水管,進(jìn)水經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單混凝沉淀后上向流進(jìn)入沸石濾柱,同時(shí)由鼓風(fēng)機(jī)向沸石濾柱內(nèi)曝氣充氧為生物膜的形成提供必要條件;沸石濾柱后接下向流的活性炭濾柱,保證出水濁度和有機(jī)物的去除效果。

圖1 組合工藝流程圖Fig.1 Chart of combined process flows

斜管沉淀池由混合區(qū)、斜管區(qū)、沉淀區(qū)、集水區(qū)組成,外觀尺寸1500mm×800mm×4500mm,斜管區(qū)填充 1500mm×800mm,φ35mm的斜管;沸石濾柱內(nèi)徑 φ500mm,總高 3600mm,下層為 500mm的布水布?xì)鈪^(qū),水、氣通過(guò)長(zhǎng)柄濾頭進(jìn)入上層填料區(qū),填料區(qū)由 200mm粒徑 3～5mm沸石承托層和1500mm粒徑 1～3mm浙江縉云恒通礦業(yè)產(chǎn)斜發(fā)沸石濾料組成;活性炭柱內(nèi)徑 φ500mm,總高3100mm,填料區(qū)由 200mm粒徑 3～5mm石英砂承托層和 1000mm上?；钚蕴繌S 8×30目煤質(zhì)破碎炭濾料組成,出水經(jīng)長(zhǎng)柄濾頭進(jìn)入下層 500mm的集水區(qū)。

1.2 原水水質(zhì)

試驗(yàn)原水取自浙江省上虞市曹娥江支流總干渠,中試啟動(dòng)階段原水水質(zhì)如表 1所示。

表1 原水水質(zhì)Tab.1 Quality of raw water

1.3 操作條件

組合工藝正式啟動(dòng)之前,連續(xù)通入兩天清水清洗沸石濾料和活性炭濾料內(nèi)的雜質(zhì)。清洗完畢后正式通入原水,運(yùn)行斜管沉淀池,沉淀池出水進(jìn)入沸石濾柱,ZBAF在濾速 2.5m/h、氣水比 1∶2條件下掛膜運(yùn)行,出水進(jìn)入下向流的 G AC;待 Z BAF掛膜成功后,逐漸提高濾速至5m/h進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。

1.4 測(cè)試指標(biāo)與方法

根據(jù)中試現(xiàn)場(chǎng)條件和國(guó)標(biāo)方法[7],組合工藝啟動(dòng)階段分析指標(biāo)和測(cè)定方法如表 2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表2 分析指標(biāo)和測(cè)定方法Tab.2 Analytical indexes and methods

2.1 組合工藝對(duì)氨氮的去除

啟動(dòng)階段組合工藝對(duì)氨氮的去除情況如圖 2所示。啟動(dòng)初期,ZBAF內(nèi)氨氮的去除率高達(dá) 95%;運(yùn)行 3天后,去除率迅速降低,甚至出現(xiàn)氨氮反吐現(xiàn)象;運(yùn)行 12天后,去除率又逐漸提高。分析這種變化過(guò)程：在 ZBAF中氨氮的去除主要通過(guò)沸石的離子交換作用以及亞硝化菌、硝化菌的生物作用[8]。啟動(dòng)初期,沸石離子交換作用顯著,隨著離子交換的進(jìn)行,沸石內(nèi)氨氮吸附位減少,對(duì)氨氮的去除也迅速降低;繼續(xù)運(yùn)行使得沸石濾料上生物膜逐漸形成,對(duì)氨氮的生物去除效果增加,后期組合工藝對(duì)氨氮去除率穩(wěn)定在 85%以上,出水氨氮在 0.1mg/L以下。

由于沸石對(duì)氨氮的離子交換作用的存在,單從氨氮的去除并不能確定 ZBAF的掛膜周期。當(dāng)出水的亞硝酸氮出現(xiàn)累積并穩(wěn)定降低且硝酸鹽氮穩(wěn)定積累時(shí)或是氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的比率較高時(shí)方可認(rèn)為掛膜成功[8]。組合工藝亞硝酸鹽濃度的變化和ZBAF內(nèi)氨氮與硝酸鹽氮的變化分別如圖 3、圖 4所示。

圖2 組合工藝對(duì)氨氮的去除Fig.2 NH3-N removal of the combined process

從圖 3可知,ZBAF在運(yùn)行 7天后出現(xiàn)明顯的亞硝酸鹽累積現(xiàn)象,在亞硝酸鹽累積的同時(shí), ZBAF內(nèi)硝酸鹽的生成量也在穩(wěn)定增加 (圖 4)。由于在生物除氮中,氨氮主要通過(guò)亞硝化菌的亞硝化作用轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝化菌進(jìn)一步將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化成硝酸鹽得以去除,因此 ZBAF的這一出水變化表明沸石濾料上亞硝化菌和硝化菌在大量生長(zhǎng), ZBAF對(duì)氨氮的生物去除作用逐漸形成并顯著。此外,從圖 4中可看出,氨氮的去除量要大于硝酸鹽的生成量,說(shuō)明生物膜形成后,氨氮不僅僅是依靠亞硝化菌、硝化菌的生物作用的去除,沸石本身也仍在發(fā)揮其對(duì)氨氮的離子交換作用。

運(yùn)行 20天后 ZBAF亞硝酸鹽出水濃度維持在0.1mg/L以下,ZBAF內(nèi)氨氮的硝酸鹽轉(zhuǎn)化率 (圖 4中 ZBAF的硝酸鹽生成量與氨氮去除量的百分比)穩(wěn)定在 60%左右,此時(shí)即可認(rèn)為掛膜成功。綜合考察 ZBAF內(nèi)亞硝酸鹽濃度變化和氨氮的硝酸鹽轉(zhuǎn)化情況,ZBAF在水溫 25℃左右、氣水比 1∶2、濾速2.5m/h下的掛膜周期為 20天。

2.2 組合工藝對(duì)有機(jī)物的去除

UV254和 CODMn均為表征水中有機(jī)物的指標(biāo)：CODMn代表水中能被化學(xué)氧化劑高錳酸鉀氧化的還原性物質(zhì),包括易被生物利用的有機(jī)物質(zhì)以及無(wú)機(jī)還原性物質(zhì)如亞硝酸鹽等;UV254代表含共軛雙鍵或苯環(huán)的有機(jī)物[9],此類(lèi)物質(zhì)一般難以被生物利用。組合工藝對(duì)UV254和 CODMn的去除情況如圖 5、圖6所示。

從圖 5、圖 6可知,混凝沉淀對(duì)有機(jī)物的去除作用最大,對(duì)UV254和 CODMn的去除率分別在 40%和50%左右。

生物濾池對(duì)有機(jī)物的去除機(jī)理主要包括：(1)微生物對(duì)小分子有機(jī)物的降解作用;2)微生物胞外酶對(duì)大分子有機(jī)物的分解作用; (3)生物吸附絮凝作用[10]。自運(yùn)行以來(lái),沉淀出水 UV254經(jīng) Z BAF后基本沒(méi)有降低;與Z BAF相比,活性炭對(duì)UV254有明顯的去除效果,尤其在運(yùn)行初期,說(shuō)明 G AC對(duì)UV254代表的有機(jī)物有很好的吸附作用,同時(shí)也驗(yàn)證了UV254代表的有機(jī)物是難以被微生物利用,因此大部分的UV254無(wú)法通過(guò) Z BAF的生物作用得以很好的去除。隨著活性炭濾料吸附的飽和,盡管 G AC對(duì)UV254的去除率有所降低,但啟動(dòng)運(yùn)行的中后期,組合工藝對(duì)UV254的去除率仍能穩(wěn)定在 70%左右。

沉淀池出水CODMn在 3mg/L左右,ZBAF出水CODMn僅略有降低,分析其原因：較低的有機(jī)物基質(zhì)濃度不利于 ZBAF內(nèi)異養(yǎng)菌的大量繁殖,并且曝氣會(huì)造成部分吸附在生物膜表面的有機(jī)物甚至生物膜本體的脫落,導(dǎo)致 ZBAF對(duì) CODMn的去除很有限。運(yùn)行初期,GAC對(duì) CODMn有較好的去除效果,此時(shí)生物作用尚未形成,主要依靠活性炭強(qiáng)大的比表面積來(lái)完成對(duì)有機(jī)物的吸附,隨著工藝的運(yùn)行, GAC吸附容量不斷下降,但吸附在活性炭濾料上的有機(jī)物也為異氧菌的生長(zhǎng)繁殖提供了充足的基質(zhì)濃度,GAC對(duì) CODMn的生物去除作用不斷提高。啟動(dòng)后期,組合工藝在混凝沉淀、活性炭物理吸附和好氧異養(yǎng)菌的共同作用下,對(duì) CODMn的去除率達(dá)75%,出水 CODMn穩(wěn)定在 1.5mg/L以下。

2.3 組合工藝對(duì)濁度的去除

啟動(dòng)階段組合工藝對(duì)濁度的去除情況如圖 7所示。進(jìn)水濁度在 40～400NTU之間波動(dòng),經(jīng)混凝沉淀后濁度降至 20NTU以下。ZBAF出水濁度呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì),分析認(rèn)為：?jiǎn)?dòng)前期,濁度主要通過(guò)載體本身的機(jī)械截留和吸附作用來(lái)去除,但由于反應(yīng)器內(nèi)存在曝氣擾動(dòng)和未洗凈的雜質(zhì),出水濁度高于進(jìn)水濁度;后期隨著生物膜的形成,反應(yīng)器內(nèi)生物絮凝作用[11]加強(qiáng),對(duì)濁度有一定的去除作用。ZBAF出水經(jīng) GAC后,最終出水濁度可保證在 1NTU以下。組合工藝運(yùn)行穩(wěn)定后,對(duì)濁度的去除率達(dá)到 99%,出水濁度可保證在0.5NTU以下。

圖7 組合工藝對(duì)濁度的去除Fig.7 Turbidity removal of the combined process

3 結(jié) 論

3.1 ZBAF在水溫 25℃左右、氣水比 1∶2、濾速2.5m/h下運(yùn)行 20天即掛膜成功,氨氮的硝酸鹽轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定在 60%左右,出水亞硝酸鹽和氨氮濃度均較低。

3.2 啟動(dòng)運(yùn)行 20天后,組合工藝在 5m/h的濾速下對(duì)濁度、氨氮、UV254、CODMn的去除率分別達(dá)99%、85%、70%和 75%,出水水質(zhì)良好,濁度、氨氮、CODMn可分別穩(wěn)定在 0.5NT U、0.1mg/L、1.5 mg/L以下,達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)。

3.3 啟動(dòng)運(yùn)行階段的溫度范圍為 25℃～29℃,比較適合微生物的生長(zhǎng);冬季當(dāng)?shù)厮|(zhì)具有低溫高氨氮的特點(diǎn),勢(shì)必會(huì)對(duì)生物處理造成一定的沖擊負(fù)荷,但考慮到組合工藝中氨氮是在沸石的離子交換和生物膜的共同作用下得以去除,組合工藝在冬季應(yīng)該能夠維持較穩(wěn)定的出水水質(zhì),在進(jìn)一步的研究工作中將驗(yàn)證這一推測(cè)。

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