牡蠣殼填料曝氣生物濾池去除水源水中的氨氮

蘇 兵，段金明，2 ，方宏達(dá)，2，鄭斌全，許東升

(1.集美大學(xué)生物工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.集美大學(xué)環(huán)境工程研究所，福建 廈門(mén) 361021)

牡蠣殼填料曝氣生物濾池去除水源水中的氨氮

蘇 兵1，段金明1，2，方宏達(dá)1，2，鄭斌全1，許東升1

(1.集美大學(xué)生物工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.集美大學(xué)環(huán)境工程研究所，福建 廈門(mén) 361021)

采用以牡蠣殼為填料的內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池，對(duì)模擬水源水中氨氮進(jìn)行處理，考察了水力停留時(shí)間、曝氣量、pH值等因素對(duì)氨氮去除效果的影響.結(jié)果表明，該系統(tǒng)在水力停留時(shí)間為4 h，曝氣量為2.0 L /min，pH=7.5～8.0的最佳條件下，對(duì)氨氮的去除率達(dá)到90%以上，出水氨氮濃度達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅱ類水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).可見(jiàn)，牡蠣殼是一種較好的曝氣生物濾池填料，內(nèi)循環(huán)可以顯著提高曝氣生物濾池脫氮效果.

牡蠣殼；內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池；水源水；氨氮

0 引言

氨氮是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素之一，其本身不僅對(duì)人體有毒害，還能在一定條件下轉(zhuǎn)化為對(duì)人體毒性更大的亞硝酸鹽.因此，如何經(jīng)濟(jì)、有效地去除飲用水源水中低濃度的氨氮，已成為人們廣泛關(guān)注的問(wèn)題[1].曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter，簡(jiǎn)稱BAF)是一種新型生物膜處理技術(shù)，具有抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、占地面積小、水力停留時(shí)間短、處理效率高等優(yōu)點(diǎn)，在水處理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[2-3].相對(duì)污水而言，水源水中有機(jī)物(碳源)的含量會(huì)低很多，而B(niǎo)AF中的生物膜能在低有機(jī)物濃度情況下保持較多的生物量，所以，BAF工藝適用于水源水處理[4-6].BAF工藝成功與否的關(guān)鍵是生物載體填料的選擇，它直接影響B(tài)AF的處理效果和運(yùn)行成本[6-7].QIU等[8]對(duì)比研究了沸石、陶粒、碳酸鹽填料的BAF的處理效能，發(fā)現(xiàn)碳酸鹽BAF具有良好的pH值緩沖能力和穩(wěn)定的硝化效率，比較適于處理低pH值或者pH值不斷變化的污水.常見(jiàn)的填料有陶粒、沸石、粉煤灰、焦炭、石英砂、活性炭、膨潤(rùn)土等[1,6-8].我國(guó)沿海地區(qū)盛產(chǎn)牡礪，大量的牡蠣殼被當(dāng)成垃圾扔掉，對(duì)沿海城市環(huán)境衛(wèi)生造成了嚴(yán)重的污染.牡蠣殼表面粗糙，比表面積大，具有較強(qiáng)的吸附能力，是BAF生物膜的理想載體[9-11].近年來(lái)已有學(xué)者以牡蠣殼作為填料，采用曝氣生物濾池去除污水中有機(jī)物、氨氮和磷，取得良好的去除效果[9-11]，但是，該方法應(yīng)用于去除水源水中低濃度氨氮的研究仍未見(jiàn)報(bào)道.本文以牡蠣殼為填料，采用自制的內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池，去除模擬水源水中低濃度氨氮，研究了氨氮的去除效果及其影響因素，以確定其最優(yōu)運(yùn)行工藝條件.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用水：進(jìn)水依據(jù)實(shí)際飲用水源水的性質(zhì)，采用人工模擬水源水， 以葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀、氨水、氯化鈣等按一定比例配制而成，其氨氮為1.2～7.8 mg/L、COD為172.8～280.3 mg/L、BOD5為56.5～92.3 mg/L、pH=7.0～7.5.

實(shí)驗(yàn)填料：牡蠣殼采集于廈門(mén)市集美水產(chǎn)品市場(chǎng)，并用清水沖洗干凈，自然晾干，粒徑為3～5 cm.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池由有機(jī)玻璃制作，由內(nèi)筒和外筒組成，內(nèi)外筒底部相連，內(nèi)筒直徑為7.5 cm，外筒直徑為15 cm，外筒高約50 cm，實(shí)驗(yàn)中有效容積7 L.其中內(nèi)外筒間填充35 cm高的牡蠣殼(孔隙率約80%).運(yùn)行方式為：空氣從反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)部分底部充入，氣體流量由空氣流量計(jì)控制，污泥在內(nèi)循環(huán)部分由于氣流的運(yùn)動(dòng)而向上運(yùn)動(dòng)，在升流管頂部進(jìn)入外循環(huán)部分，由于重力作用向下運(yùn)動(dòng)，在向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中與牡蠣殼充分接觸，到外部底部時(shí)再次進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)部分，從而在反應(yīng)器內(nèi)部形成循環(huán)流動(dòng).

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用接種掛膜，掛膜完成后，考察不同水力停留時(shí)間、pH值、曝氣量等因素對(duì)氨氮去除效果的影響.在進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度分別為2.67、3.12、4.39、5.15 mg/L時(shí)，pH值為7.5，水溫為22.3～24.5 ℃，曝氣量為2.0 L/min的條件下，考察水力停留時(shí)間(HRT)分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6 h時(shí)氨氮去除效果；在進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為5 mg/L，水溫為22.3～24.5 ℃，曝氣量為2.0 L/min的條件下，考察pH值分別為6.5、7.0、7.5、8.0和8.5時(shí)對(duì)氨氮去除效果的影響；在進(jìn)水氨氮濃度為5 mg/L，pH值為7.5，水溫為22.3～24.5 ℃的條件下，考察曝氣量分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 L/min時(shí)對(duì)氨氮去除效果的影響.氨氮、pH值均采用標(biāo)準(zhǔn)分析方法[12]，其中氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 牡蠣殼填料內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池掛膜與啟動(dòng)

本實(shí)驗(yàn)采用接種掛膜的方式，最初為了防止微生物的流失，水力停留時(shí)間保持為24 h.運(yùn)行5 d后，水力停留時(shí)間縮短至12 h，并隨著B(niǎo)AF運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，逐漸縮短水力停留時(shí)間.當(dāng)BAF運(yùn)行至第10 d時(shí)，水力停留時(shí)間縮短到6 h，至第15 d后，水力停留時(shí)間為4 h.圖2顯示了掛膜期間對(duì)氨氮的去除效果，由圖2可知，在第1 d進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為15.17 mg/L，系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率達(dá)到97.60%.此后每天逐步提高進(jìn)水氨氮濃度，到第10 d進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度提高到22.41 mg/L時(shí)，氨氮的去除率為98.01 %，此時(shí)，牡蠣殼表面還未形成生物膜，主要靠牡蠣殼的吸附和離子交換作用去除氨氮[9,13].而第13 d時(shí)，當(dāng)進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度增加到29.96 mg/L時(shí)，氨氮去除率略有下降.原因是生物膜還未完全形成，牡蠣殼的吸附作用仍然起主要作用，運(yùn)行到第13 d時(shí)，牡蠣殼吸附能力或已達(dá)到飽和狀態(tài)，所以氨氮去除率有所下降.16 d后，進(jìn)水氨氮濃度已提高到設(shè)定要求，此時(shí)，氨氮去除率仍高達(dá)97.23%，此后，氨氮的去除效果一直保持穩(wěn)定，說(shuō)明牡蠣殼表面上的生物膜逐步成熟，掛膜成功.掛膜18 d，牡蠣殼外觀變成黃褐色，通過(guò)光學(xué)顯微鏡鏡檢到線蟲(chóng)、鐘蟲(chóng)、草履蟲(chóng)等.

2.2 水力停留時(shí)間對(duì)氨氮去除率的影響

由圖3可以看出，水力停留時(shí)間由0.5 h增加至4 h時(shí)，4種不同進(jìn)水氨氮濃度的廢水經(jīng)過(guò)處理后，均呈現(xiàn)一個(gè)共同特點(diǎn)，即氨氮去除率隨水力停留時(shí)間的延長(zhǎng)而增大.當(dāng)水力停留時(shí)間超過(guò)4 h后，繼續(xù)增加水力停留時(shí)間，氨氮的去除效果卻沒(méi)有明顯變化，這說(shuō)明適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)水力停留時(shí)間可以顯著地提高反應(yīng)器的硝化脫氮效能.當(dāng)水力停留時(shí)間太短時(shí)，微生物與污染物的接觸時(shí)間較短，故難以發(fā)揮較大的作用；當(dāng)水力停留時(shí)間充足時(shí)，曝氣生物濾池內(nèi)微生物系統(tǒng)的生態(tài)結(jié)構(gòu)在生物膜內(nèi)部組成和沿水流方向的空間分布上保持著較穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡[14]，硝化細(xì)菌數(shù)量也達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，這時(shí)硝化反應(yīng)比較活躍，氨氮去除率高.但當(dāng)水力停留時(shí)間繼續(xù)增加，導(dǎo)致水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)耗盡，硝化反應(yīng)受到抑制,所以氨氮去除率基本保持不變.

2.3 不同曝氣量對(duì)氨氮去除率的影響

由圖4 可知，當(dāng)曝氣量(Q)由1 L/min增加到2.5 L/min，系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率由88.22%升高到91.04 %，出水氨氮質(zhì)量濃度由0.59 mg/L降至0.44 mg/L.可見(jiàn)，當(dāng)曝氣量在1～2.5 L/min時(shí)，系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效果變化并不明顯.究其原因，雖然好氧硝化作用隨著曝氣量增大而增強(qiáng)，但當(dāng)曝氣量在1 L/min時(shí)，系統(tǒng)對(duì)氨氮已達(dá)到較高的去除率，說(shuō)明水中的溶解氧已充足，所以繼續(xù)增大曝氣量，氨氮的去除率增加的不明顯.當(dāng)曝氣量增至3 L/min時(shí)，氨氮去除率略有下降(氨氮去除率為90.97%)，這可能有兩方面原因：一是水源水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)于生活污水較為貧乏，當(dāng)曝氣量過(guò)大時(shí)，微生物活性過(guò)度增強(qiáng)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給不足，致使生物膜發(fā)生自身氧化分解，處理效果下降[4,15]；二是曝氣量過(guò)大時(shí)，水流和氣流對(duì)牡蠣殼表面的沖刷和剪切作用過(guò)強(qiáng)，使得牡蠣殼表面的生物膜脫落并被水流攜帶出濾層，從而導(dǎo)致氨氮的去除率下降.綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)最佳曝氣量為2.0 L/min.

2.4 pH值對(duì)氨氮去除效果的影響

pH值是影響硝化菌的生長(zhǎng)及脫氮酶活性的關(guān)鍵因素.在硝化去除氨氮的過(guò)程中，硝化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生H+，致使pH值下降，而硝化菌對(duì)pH值的變化比較敏感，其生長(zhǎng)的最佳pH值為8.0～8.4[5]，低的pH值會(huì)抑制硝化菌的活性.由圖5可以看出，當(dāng)進(jìn)水pH值為6.5時(shí)，牡蠣殼填料BAF對(duì)氨氮去除率只有55.9 %，當(dāng)進(jìn)水pH值處于7.5～8.0范圍時(shí)，氨氮去除率達(dá)到90 %以上；pH值高于8.0時(shí)，氨氮去除率則低于86 %.因此pH值的適宜范圍應(yīng)為7.5～8.0.

2.5 牡蠣殼填料與其他填料在處理低濃度氨氮水源水的對(duì)比

為了評(píng)估牡蠣殼填料在處理水源水中氨氮的應(yīng)用前景，將其和瓷珠、聚烯烴塑料、陶粒、沸石等幾種填料在低濃度氨氮水源水中的處理效果進(jìn)行了比較，結(jié)果如表1所示.由表1可以看出，牡蠣殼填料相對(duì)于其他填料在處理水源水中氨氮時(shí)具有較大的優(yōu)勢(shì)，其對(duì)氨氮的去除率明顯高于其他幾種填料.其來(lái)源穩(wěn)定、價(jià)格低廉，所以在處理水源水中氨氮時(shí)具有良好的應(yīng)用前景.

表1 牡蠣殼填料與其他填料對(duì)氨氮處理效果的比較

3 結(jié)論

1)牡蠣殼填料內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池采用接種掛膜，歷時(shí)18 d掛膜期間，氨氮的平均去除率達(dá)到97.50%，反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，濾料表面生物相生長(zhǎng)良好.

2)牡蠣殼填料內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池去除氨氮的最佳運(yùn)行條件為：水力停留時(shí)間4 h，曝氣量2.0 L/min，pH=7.5～8.0，在此最佳條件下處理初始氨氮質(zhì)量濃度為5 mg/L左右的模擬水源水，氨氮去除率達(dá)到90 %以上，出水達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中II類水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(氨氮質(zhì)量濃度<0.5 mg/L)，滿足集中式生活飲用水地表水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)要求.

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(責(zé)任編輯 馬建華 英文審校 曹敏杰)

Simulation Study on Removal of Ammonia Nitrogen from Source Water with Oyster Shell by Biological Aerated Filter

SU Bing1,DUAN Jin-ming1,2，F(xiàn)ANG Hong-da1,2，ZHENG Bin-quan1,XU Dong-sheng1

(1.College of Biological Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China;2.Institute of Environmental Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China)

Internal Circulation Biological Aerated Filter (ICBAF) with oyster shell as the filler was employed for the treatment of ammonia nitrogen from simulated source water.The experiments were carried out to investigate the effect of hydraulic retention time (HRT),aeration rate and pH on the removal efficiency of ammonia-nitrogen.Results showed that oyster shells were good carriers in the ICBAF reactor,and the removal efficiency of ammonia-nitrogen was significantly enhanced by effluent recirculation.The optimal condition was HRT of 4 h,aeration rate of 2.0 L/min at pH 7.5～8.0，and the removal efficiency of ammonia-nitrogen reached higher than 90 %.The quality of the effluent reached the case II category surface water according to the standard GB 3838—2002.

oyster shell;Internal Circulation Biological Aerated Filter (ICBAF);source water;ammonia nitrogen

2013-10-10

2014-01-09 [基金項(xiàng)目]福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013N5008)；福建省教育廳資助項(xiàng)目(JA10194)；集美大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金資助項(xiàng)目(2010A007);福建省大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(Z81128)

蘇兵(1987—)，男，碩士生，從事環(huán)境微生物學(xué)研究.通訊作者：段金明(1974—)，男，副教授，博士，碩導(dǎo)，從事水處理技術(shù)研究，E-mail:duanjinming@jmu.edu.cn.

1007-7405(2014)02-0095-05

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