沸石人工濕地填料對(duì)氨氮的去除效果

陳永裕，李赫龍，盧 斌，劉昊臻，林 靜

（1.中建水務(wù)環(huán)保有限公司，北京100037；2.深圳市碧園環(huán)保技術(shù)有限公司，廣東 深圳518000）

人工濕地是污水處理中常用的技術(shù)。垂直流人工濕地由于占地面積相對(duì)少、污染物去除率高且不易堵塞，被廣泛應(yīng)用。在人工濕地中，基質(zhì)中的填料是人工濕地處理污水的重要部分，對(duì)處理效果有重要影響。填料在為植物和微生物提供生長(zhǎng)介質(zhì)的同時(shí)，還能夠通過(guò)沉淀、過(guò)濾和吸附等作用直接去除污染物[1]。填料的種類、級(jí)配等會(huì)直接影響沉淀、過(guò)濾和吸附效果[2]。在人工濕地污水處理中，氨氮是一類重要的污水去除指標(biāo)，為了有效提高其去除效果，眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛研究。眾多研究均表明，浮石[3]、煤渣[4]、沸石[5]、蛭石[6]等對(duì)氨氮的去除相比于其他的填料更有優(yōu)勢(shì)。

然而，人工濕地對(duì)氨氮的去除受填料影響外，還會(huì)受其他因素影響[7-9]，這些研究主要集中在水力負(fù)荷、溫度、pH值上。在水力負(fù)荷方面，于海霞等[10]認(rèn)為低水力負(fù)荷條件下更有利于氨氮的去除；李紫霞[11]認(rèn)為水力負(fù)荷為0.5m3/（m2·d）時(shí)，人工濕地對(duì)污染物的去除效果較好。在pH值的影響中，趙發(fā)敏[12]認(rèn)為pH值為5～7時(shí)，氨氮的去除率達(dá)到88%以上，當(dāng)pH值大于7或小于5時(shí)，氨氮的去除率迅速下降；韓曉麗[13]認(rèn)為進(jìn)水水質(zhì)偏酸性時(shí)，氨氮的去除效果會(huì)更好。而在溫度方面，李維垚[14]認(rèn)為水溫降低會(huì)影響氨氮的去除效率，較高溫度有利于氨氮的去除；胡杰軍[15]認(rèn)為溫度對(duì)生物沸石人工濕地氨氮硝化率的影響顯著，水溫在25～40℃最為適宜。

不同類型的人工濕地以及人工濕地條件，對(duì)污染物有著不同的去除效果，針對(duì)特定的進(jìn)水水質(zhì)，選擇合適的填料和運(yùn)行方式至關(guān)重要?；诖耍鶕?jù)前人的研究，本研究選取沸石作為人工濕地填料，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室小試和室外模擬，選取不同的水力負(fù)荷、污染負(fù)荷和運(yùn)行方式，研究沸石對(duì)氨氮的去除效果。

1 材料與方法

為研究沸石對(duì)污水廠尾水中氨氮的處理效果，將沸石和普通砂石進(jìn)行對(duì)比研究。本次研究中，沸石材料的特性為粒徑4～10mm，吸氨值為113.30 mmol/100 g；砂石的粒徑為0.25～0.5mm。

1.1 氨氮吸附特性

在兩個(gè)錐形瓶中分別放入5 g的沸石和砂石，緩緩倒入配制好的濃度為5 mg/L的氨氮溶液200 mL，檢測(cè)兩種材質(zhì)對(duì)氨氮的吸附效果。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，分別于15min、30min、1 h、3 h、6 h、1 d、3 d、7 d取5 mL水樣進(jìn)行氨氮濃度檢測(cè)，采用納氏試劑分光光度法檢測(cè)。

1.2 水力負(fù)荷實(shí)驗(yàn)

搭建人工濕地小試裝置實(shí)驗(yàn)池，實(shí)驗(yàn)池規(guī)格為2 m×3 m×1.8 m（長(zhǎng)×寬×高），池子由三層填料填鋪而成，分別為過(guò)濾層90 cm（A組為90 cm砂石，B組為30 cm沸石+60 cm砂石），承托層（粒徑4～8 mm碎石）30 cm，透水層（粒徑8～16mm碎石）30 cm。實(shí)驗(yàn)池表層種植風(fēng)車草。實(shí)驗(yàn)裝置每天的進(jìn)水量和進(jìn)水時(shí)間由自動(dòng)閥門控制，污水水樣來(lái)自深圳市某污水處理廠尾水，其水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。為研究氨氮在相同進(jìn)水水質(zhì)情況下，對(duì)不同水力負(fù)荷處理效果，實(shí)驗(yàn)池在進(jìn)水時(shí)，分別按照高負(fù)荷（2m3·m-2·d-1）、中負(fù)荷（1m3·m-2·d-1）、低負(fù)荷（0.5m3·m-2·d-1）3個(gè)階段進(jìn)行，以探究沸石填料在不同水力負(fù)荷下對(duì)氨氮的處理效果及穩(wěn)定程度。

1.3 污染負(fù)荷實(shí)驗(yàn)

待水力負(fù)荷實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在污水處理廠尾水進(jìn)入人工濕地實(shí)驗(yàn)池前，先加入硫酸銨將污水配置成氨氮濃度分別為80 mg/L和5 mg/L的溶液，然后進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)池，以探究沸石填料在不同氨氮濃度下的處理效果及穩(wěn)定程度。

1.4 運(yùn)行方式影響

上述實(shí)驗(yàn)完成后，在6個(gè)上述人工濕地實(shí)驗(yàn)池中研究各運(yùn)行條件下沸石對(duì)氨氮的處理效果，各實(shí)驗(yàn)池運(yùn)行狀態(tài)見(jiàn)表1。其中，運(yùn)行周期包括進(jìn)水時(shí)間和間歇時(shí)間，兩者的時(shí)間比為1∶2。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前先進(jìn)行半個(gè)月的調(diào)試運(yùn)行，待實(shí)驗(yàn)池運(yùn)行穩(wěn)定后，每隔5 d分別進(jìn)行一次取樣，進(jìn)行氨氮水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 沸石對(duì)氨氮的去除效果

沸石和砂石對(duì)氨氮的吸附效果見(jiàn)圖1。由圖1可以看出，兩種材質(zhì)對(duì)氨氮的吸附速率均較大，在24 h基本達(dá)到平衡。相比于砂石，沸石的去除效果更顯著，168 h后，沸石對(duì)氨氮的去除率為85.5%，同期砂石只有42.3%。此時(shí)，沸石對(duì)氨氮的吸附容量為1.19 mg/g，砂石僅為0.604 mg/g。沸石是火山熔巖形成的一種表現(xiàn)為架狀結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽礦物，具有獨(dú)特的吸附性和離子交換特性，能通過(guò)陽(yáng)離子交換和吸附水體中的NH4+離子，且吸附后的化合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[16]，說(shuō)明沸石適用于氨氮的去除，可作為人工濕地特殊填料強(qiáng)化污水中氨氮的處理。

表1 人工濕地實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行方式

圖1 沸石對(duì)氨氮的吸附效果

2.2 水力負(fù)荷的影響

3種水力負(fù)荷下，沸石和砂石對(duì)氨氮的處理效果見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在去除效果上，砂石組對(duì)氨氮的去除率為35%～60%。相比于砂石，沸石組對(duì)氨氮的去除率明顯較高，相同條件下氨氮去除率為70%～90%。在不同的水力負(fù)荷下，兩組實(shí)驗(yàn)池均表現(xiàn)為水力負(fù)荷越低，氨氮去除效率越高，且低負(fù)荷下去除率更穩(wěn)定，出水水質(zhì)波動(dòng)越小，其中，沸石相比于砂石更穩(wěn)定。

圖2 3種水力負(fù)荷氨氮去除效果

水力負(fù)荷是影響人工濕地污水處理效果及長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。過(guò)高的水力負(fù)荷不僅影響出水水質(zhì)，而且也會(huì)縮短人工濕地的使用壽命，過(guò)低的水力負(fù)荷則降低人工濕地污水處理效率。而沸石在3種水力負(fù)荷條件下，均對(duì)氨氮有很好的去除效果，且受水力負(fù)荷影響不大，說(shuō)明沸石填料適用于人工濕地氨氮的去除。

2.3 污染負(fù)荷的影響

在水力負(fù)荷均為0.5 m3/（m2·d）時(shí)，通過(guò)添加硫酸銨將尾水進(jìn)水氨氮濃度調(diào)成80 mg/L和5mg/L，研究?jī)煞N污染負(fù)荷下，沸石對(duì)氨氮的去除效果，結(jié)果見(jiàn)圖3。在污染負(fù)荷為5 mg/L下，沸石對(duì)氨氮的去除效果明顯，平均去除率為83.26%，最高去除率達(dá)到91.6%。隨著時(shí)間的推進(jìn)，沸石對(duì)氨氮的去除效果有提高的趨勢(shì)，其原因可能是沸石表層微生物膜的形成強(qiáng)化了對(duì)氨氮的去除。與此同時(shí)，砂石對(duì)氨氮的平均去除率為50.67%，表現(xiàn)出不錯(cuò)的去除效果。

而在污染負(fù)荷為80mg/L時(shí)，沸石對(duì)氨氮的去除效果依然明顯，平均去除率為90.98%，與5mg/L時(shí)相比差別不大。而此時(shí)砂石對(duì)氨氮的去除效果明顯降低，研究期間平均率僅為25.22%，不僅遠(yuǎn)低于相同污染負(fù)荷下的沸石，也低于氨氮濃度為5 mg/L時(shí)的去除效果。而從穩(wěn)定性來(lái)看，砂石組在80mg/L時(shí)波動(dòng)明顯，沸石組依舊保持穩(wěn)定，其原因是砂石對(duì)NH4+的容納有限，存在吸附與解吸附過(guò)程，而沸石在該濃度下依舊未達(dá)到飽和狀態(tài)，可繼續(xù)進(jìn)行吸附。以上進(jìn)一步說(shuō)明，在高污染負(fù)荷下，沸石對(duì)氨氮的去除效果依舊很好，并且出水水質(zhì)也相對(duì)穩(wěn)定。

圖3 不同污染負(fù)荷下沸石和砂石對(duì)氨氮的去除效果

2.4 運(yùn)行方式的影響

在不同的水力負(fù)荷條件下，各進(jìn)水間歇周期運(yùn)行方式的氨氮去除效果見(jiàn)圖4。在水力負(fù)荷為0.4 m3/（m2·d）時(shí)，不同間歇周期運(yùn)行方式下，氨氮去除率最好的為6 h和4 h，去除率均為83.05%。在水力負(fù)荷為0.4 m3/（m2·d）時(shí)，不同間歇周期運(yùn)行方式下，氨氮去除率最好的為6 h和4 h，去除率均為83.05%。在水力負(fù)荷為0.52 m3/（m2·d）時(shí)，氨氮去除率最好的為6 h和2 h，去除率分別為77.36%和73.58%。在水力負(fù)荷為0.6 m3/（m2·d）時(shí)，氨氮去除率最好的為6 h和2 h，去除率分別為70.97%和69.35%。以上情況均表明，6 h間歇周期運(yùn)行下，沸石填料對(duì)氨氮的去除效果好于其他間歇周期。與此同時(shí)，氨氮去除效果較差的為連續(xù)運(yùn)行和12 h間歇周期運(yùn)行。

人工濕地填料中，氨氮的去除一方面利用沸石中的陽(yáng)離子與廢水中的NH4+進(jìn)行交換以達(dá)到脫氮的目的[17]；另一方面則通過(guò)亞硝酸鹽菌和硝酸鹽菌的作用，將氨氮氧化成亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮，而此過(guò)程需要消耗溶解氧，當(dāng)溶解氧不足時(shí)，該過(guò)程就會(huì)受到影響。在不同水力負(fù)荷下，實(shí)驗(yàn)中6 h間歇周期運(yùn)行效果均強(qiáng)于連續(xù)運(yùn)行，其原因是間歇運(yùn)行下，人工濕地填料在不進(jìn)水時(shí)可以得到充分復(fù)氧，提高了硝化反應(yīng)對(duì)氨氮的去除。6 h間歇周期運(yùn)行效果強(qiáng)于8 h和12 h，則是由于間歇運(yùn)行時(shí)，沸石中的陽(yáng)離子與廢水中的NH4+更容易進(jìn)行充分交換以達(dá)到脫氮效果。

圖4 運(yùn)行方式對(duì)氨氮去除效果的影響

3 結(jié)論

沸石和砂石對(duì)氨氮的吸附容量分別為1.19mg/g和0.604mg/g。5mg/L氨氮濃度下，沸石和砂石對(duì)氨氮的吸附容量分別為1.19mg/g和0.604mg/g，砂石對(duì)氨氮的去除率為42.3%，而沸石可達(dá)到85.5%，沸石可作為人工濕地特殊填料強(qiáng)化污水中氨氮的處理效果。水力負(fù)荷會(huì)影響沸石對(duì)氨氮的去除，低水力負(fù)荷下的處理效果最好，出水水質(zhì)最為穩(wěn)定，水質(zhì)去除效果大致表現(xiàn)為低負(fù)荷＞中負(fù)荷＞高負(fù)荷的趨勢(shì)。高污染物濃度下，沸石對(duì)氨氮的處理效果依舊保持穩(wěn)定；當(dāng)濃度為80 mg/L時(shí)，沸石對(duì)氨氮的去除效果依然較好，平均去除率為90.98%，與5mg/L時(shí)相比差別不大。在4種運(yùn)行方式下，6 h間歇周期運(yùn)行時(shí)，沸石填料對(duì)氨氮的去除效果好于其他間歇周期。