臭氧-生物活性炭短流程工藝應對高氨氮的控制研究

劉清華 張曉娜 何嘉莉

（東莞市水務集團供水有限公司，廣東東莞 523000）

目前我國大部分的水廠仍采用傳統(tǒng)的工藝即混凝、沉淀、過濾、消毒來處理原水，而隨著水源水質逐年下降，污染物種類和含量逐年增加的情況下，傳統(tǒng)的工藝流程面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)[1]，特別是國家標準106項的實施后部分傳統(tǒng)水廠也相應做了一些技術升級改造，以此來改善出水水質，保障飲用水供水安全達標。

目前水廠為了提高水質而進行的技術改造升級主要有：臭氧-生物活性炭[2]、膜處理[3]、砂濾池改造[4]、生物預處理[5]等，基于成本以及地方所限，部分傳統(tǒng)水廠主要會在原有構筑物的基礎上或增設較少的構筑物進行改造，基于此臭氧-生物活性炭短流程工藝即混凝、沉淀、臭氧-生物活性炭過濾、消毒工藝具有較好的處理效果以及改造優(yōu)勢。

臭氧-生物活性炭短流程工藝將砂濾池改成活性炭濾池同時增設臭氧氧化，從而有效利用臭氧的強氧化性，將水中大分子有機物氧化成小分子和更容易被生物降解的有機物，同時臭氧氧化后也提高了水中的溶解氧濃度，活性炭巨大的比表面積有利于微生物的生長附著，這樣活性炭表面的微生物降解臭氧氧化后的有機物，達到去除水中有機污染物的目的[6～9]。目前國內針對臭氧-生物活性炭短流程工藝應對突發(fā)的高氨氮原水的研究鮮見于報道，為此筆者針對臭氧-生物活性炭短流程工藝的特點，開展中試研究，旨在研究此工藝對原水中高氨氮以及有機物的處理效果，為水廠升級改造提供技術參考。

1.試驗條件

1.1 試驗工藝

試驗原水取自D江，經(jīng)過規(guī)模為5m3/h的中試裝置：混凝、沉淀（斜管沉淀）、集水池、主臭氧、活性炭過濾，其中混凝劑為聚氯化鋁，混凝沉淀后的水進入集水池，隨后投加臭氧保證余臭氧濃度為0.05～0.10mg/L，臭氧后的水進入活性炭濾池，濾池中裝有8*30目的煤質顆?；钚蕴?，高度2.0m，下設0.3m的承托層，濾速為10m/h，每3天反沖一次，反沖后第二天取樣進行測定相關指標。

表1 活性炭濾池中活性炭基本性能指標

1.2 分析項目及方法

濁度采用HACH 2100N型濁度儀測定，氨氮采用國標（GB/T5750-2006）中水楊酸法測定，UV254采用紫外可見分光光度計測定（經(jīng)0.45μm濾膜過濾后測定），TOC采用TOC儀測定，CODMn采用高錳酸鉀法測定，活性炭碘吸附值、亞甲基藍值、強度度測試方法參考GB/T7702.18-2008煤質顆?；钚蕴吭囼灧椒ㄟM行測定，消毒副產(chǎn)物采用吹掃捕集/氣相色譜-質譜儀測定。

2.結果與討論

2.1 臭氧-生物活性炭短流程工藝應對高氨氮的響應試驗

試驗過程中在原水處加入適量的氯化銨溶液，配置出所需氨氮濃度的原水，且待中間集水池的水具有穩(wěn)定的氨氮濃度后才進入臭氧接觸池及活性炭過濾，以此來模擬突發(fā)水源氨氮污染的情況。隨后依次取炭濾池出水測樣考察臭氧-生物活性炭短流程工藝對高氨氮濃度的響應情況，試驗結果見圖1所示。

圖1 試驗過程的中試工藝流程圖

從圖1（a）中可以看出，當進水的氨氮濃度突然增加到3.0mg/L左右時，經(jīng)過臭氧-生物活性炭短流程處理后出水的氨氮濃度隨著時間的推移逐漸減低，在運行27h后出水達到國標限值0.5mg/L以下。圖1（a）中出水氨氮第一個點后突然增高的原因可能是運行時間較短，炭濾池中殘留的以及活性炭吸附的低濃度氨氮水樣稀釋后的結果，導致第一個點的氨氮濃度較低，隨后的運行過程中炭濾池中殘留的以及活性炭吸附的低氨氮水樣逐漸被替換，進水的氨氮被炭濾池中的微生物處理，由于濾池中的微生物來不及應對突發(fā)的高氨氮進水，在3h后的出水時氨氮濃度較高，達到1.88mg/L，繼續(xù)運行后出水的氨氮濃度逐漸降低。圖1（b）中當進水的氨氮濃度增加到4.0mg/L左右時，經(jīng)過臭氧-生物活性炭短流程處理后出水的氨氮濃度逐漸減低，運行至9h時，出水氨氮濃度達到0.47mg/L，隨后繼續(xù)增加進水的氨氮濃度至4.5mg/L時，出水的氨氮濃度有一個短暫的增大，出水濃度由0.09mg/L升至0.44mg/L，隨后又逐漸穩(wěn)定至較低的水平，達到較好的去除氨氮的效果。圖1（c）中當進水的氨氮濃度增加到4.5mg/L左右時，經(jīng)過臭氧-生物活性炭短流程處理3h后出水的氨氮濃度顯著減低，在運行6h后出水氨氮濃度一直維持在0.5mg/L以下，具有較好的去除氨氮能力。

以上的三次試驗雖然每次之間會有12天的間隔且在間隔的12d內正常運行原水，即炭濾池進水的氨氮較低，以此來消除炭濾池中微生物因上次試驗繁殖增長帶來的影響，但是從三次的數(shù)據(jù)可以看出，12d的低氨氮運行并沒有完成完全降低炭濾池中硝化細菌的含量，從而每次的試驗效果均好于前一次，應對突發(fā)高氨氮進水的能力逐漸增強，特別是在第三次試驗過程中，進水氨氮濃度突發(fā)增加到4.5mg/L時，臭氧-生物活性炭短流程工藝能及時應對并在6h后處理的出水達到0.5mg/L以下，具有良好的應對突發(fā)高氨氮的能力。另外因為臭氧-生物活性炭短流程工藝是將混凝沉淀后的水直接引入炭濾池，很好的保留了水中的有機物及氨氮等營養(yǎng)物，為炭濾池中的微生物的生長繁殖提供養(yǎng)分，使得微生物生長良好，能更好的有效應對突發(fā)的高氨氮進水。

2.2 短流程工藝中不同炭濾池高度對高氨氮的去除

為了更好的研究臭氧-生物活性炭短流程工藝中不同炭層高度對氨氮的去除效果，試驗過程中通過穩(wěn)定進水氨氮濃度約為4.5mg/L，長時間運行情況下考察不同炭層高度對氨氮的去除效果，結果見圖2。

圖2 臭氧-生物活性炭短流程工藝對高氨氮的響應

圖3 不同炭層高度對氨氮的去除

從圖2中可以看出，隨著炭層深度的增加，氨氮濃度逐漸降低，即氨氮去除率逐漸增加，且隨著運行時間延長至69h時炭濾池對氨氮均有較好的去除效果。在0～110cm炭層中，隨著炭層深度的增加，三個運行時間后炭濾池均對氨氮的處理效果顯著增加，在110cm處時分別達到63.0%、76.8%和79.6%，在110cm～200cm的炭層處，隨著炭層深度的增加炭濾池對氨氮的去除效果也是逐漸增加，但是增加幅度不大，其原因可能是，在0～110cm的炭層內，炭濾池中活性炭表面附著的微生物較多、活性較好，且能獲取到充足的溶解氧來進行硝化作用氧化氨氮，從而該層次中的微生物能有效降解氨氮使得氨氮的去除率顯著，而在110cm～200cm的炭層中由于溶解氧、營養(yǎng)物等的受限，使得該炭層深度范圍內的微生物不能更好的進行硝化作用，從而使得110cm深度以下的炭層去除氨氮效果有限。

2.3 臭氧-生物活性炭短流程工藝對有機物等的去除試驗

為了研究臭氧-生物活性炭短流程工藝對氨氮去除的同時對有機物等的去除效果，試驗過程中測定了四次炭濾池對有機物等的去除，四次的平均效果見表2所示。

表2 試驗期間原水水質情況表

表3 臭氧-生物活性炭短流程對有機物等的去除

從表中數(shù)據(jù)可以看出，臭氧-生物活性炭短流程工藝在去除氨氮的同時，對有機物和濁度都有較好的去除效果，且隨著炭層深度的增加，去除效果也逐漸增加，整個活性炭層都發(fā)揮了作用。炭濾池對TOC、CODMn、UV254和濁度的去除率分別達到42.5%、23.4%、41.2%和86.2%，與文獻[10～11]中報道的去除效果略差。試驗中炭濾池出水的濁度維持在較低的水平，與普通砂濾池的出水濁度相當，完全可以滿足出廠水濁度的控制要求。說明臭氧-生物活性炭短流程工藝不僅能有效應對突發(fā)的高氨氮原水，同時由于炭濾池中微生物長期能維持較好的營養(yǎng)物及溶解氧，能在突發(fā)的高氨氮進水的情況下，及時作出響應來降解氨氮的同時降解有機物，截留濁度，保障出水的水質。

2.4 臭氧-生物活性炭短流程工藝討論

臭氧-生物活性炭短流程工藝相比于臭氧-生物活性炭全流程工藝而言，減少了砂濾池的過濾，水廠減少了砂濾池構筑物，水廠構筑物明顯減少，同時也減少了水頭提升費用。

臭氧-生物活性炭短流程工藝因為減少了砂濾池的過濾，混凝沉淀后的水直接進入活性炭濾池，使得水中的有機物直接進入活性炭濾池，活性炭濾池中的微生物有較多的營養(yǎng)物來進行生長繁殖，這樣微生物得以繁殖生長來降解有機物和氨氮等，達到凈化水質的目的。避免了經(jīng)過臭氧-生物活性炭全流程中的砂濾池后再經(jīng)過炭濾池而帶來的營養(yǎng)物缺乏，炭濾池中微生物長期處于貧營養(yǎng)的狀態(tài)，不能很好的進行生物降解去除有機物的目標。

臭氧-生物活性炭短流程工藝對氨氮、有機物等均有較好的去除，特別是應對突發(fā)的高氨氮的進水時，活性炭濾池能很好的應對?；钚蕴繛V池中的微生物因為長期能得到混凝沉淀后水中的營養(yǎng)物進行生長，在遇到突發(fā)的高氨氮進水時，微生物能進行快速響應，利用活性炭和微生物膜的吸附作用，先對水中的氨氮進行吸附，同時微生物利用水中充足的溶解氧進行硝化作用去除氨氮，達到降低水中氨氮濃度的能力，且降解能力是可持續(xù)的。

臭氧-生物活性炭短流程工藝對氨氮具有較好的去除，且炭層的深度與氨氮的去除有一定的關系。試驗過程中110cm厚的炭層已對氨氮具有較好的去除效果，在實際改造過程中可以結合實際情況來填加一定厚度的活性炭，以此來降低改造成本得到更好的出水水質。

臭氧-生物活性炭短流程工藝在應對高氨氮的原水的同時，對濁度的去除能力也較好，出水的濁度也能滿足要求?；钚蕴坑捎诒砻娲植跓o規(guī)則，具有一定的棱角且粒徑分布均勻即有大、小顆粒的活性炭同時存在，堆疊時能形成致密的微小縫隙讓水通過、過濾，對水中的懸浮物等濁度物質具有良好的截留作用。特別是中試試驗的活性炭炭層厚度為2m，能很好的截留去除水中的濁度，且過濾周期長，截留物質不易滲漏。

3.結論

臭氧-生物活性炭短流程工藝應對突發(fā)的高氨氮進水時，能有效的及時響應并達到去除的目的。進水突然增加氨氮濃度達到3.0mg/L左右時，經(jīng)過臭氧-生物活性炭短流程處理后出水的氨氮濃度隨著時間的推移逐漸減低，在運行27h后出水達到國標限值0.5mg/L以下。

當進水的氨氮濃度增加到4.5mg/L左右時，經(jīng)過臭氧-生物活性炭短流程處理3h后出水的氨氮濃度顯著減低，在運行6h后出水氨氮濃度一直維持在0.5mg/L以下，具有較好的去除氨氮能力，且出水濃度低于0.5mg/L的響應時間越來越及時。

隨著炭層深度的增加，氨氮濃度逐漸降低，且隨著運行時間延長至69h時炭濾池對氨氮均有較好的去除效果。

炭濾池中0～110cm炭層對氨氮的去除發(fā)揮著63.0%～79.6%的作用，在110cm～200cm的炭層處，隨著炭層深度的增加炭濾池對氨氮的去除效果也是逐漸增加，但是增加幅度不大。

臭氧-生物活性炭短流程工藝在去除氨氮的同時，對有機物和濁度都有較好的去除效果，且隨著炭層深度的增加，去除效果也逐漸增加，整個活性炭層都發(fā)揮了作用