改性沸石吸附+生物接觸氧化組合工藝處理微污染水中氨氮的試驗(yàn)研究

劉穎詩，董浩韜，李俊義

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣州 510060）

珠江水系上游河段的微污染水源水屬于Ⅳ類水，是廣州市應(yīng)急備用水源，但存在氨氮（NH3-N）濃度突發(fā)性增高的情況。過高的氨氮濃度會(huì)影響混凝效果[1]，帶來異味，然而，傳統(tǒng)的飲用水處理技術(shù)不能有效去除氨氮，凈水廠不能達(dá)標(biāo)供水，對(duì)居民飲水安全和身體健康構(gòu)成隱患。沸石對(duì)氨氮具有很好的吸附效果[2]并可以迅速發(fā)揮作用，具有應(yīng)急處理能力，而生物接觸氧化能夠?qū)崿F(xiàn)持久運(yùn)行[3]，具有長時(shí)間處理能力，將改性沸石吸附與生物接觸氧化兩種工藝組合應(yīng)用，不僅可以實(shí)現(xiàn)迅速啟動(dòng)，又可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間運(yùn)行。

1 試驗(yàn)工藝流程

如圖1所示，改性沸石吸附與生物接觸氧化組合工藝主要包括改性沸石吸附系統(tǒng)和生物接觸氧化系統(tǒng)，分為兩種運(yùn)行模式。一是氨氮濃度突發(fā)性增高（大于5 mg/L）時(shí)，啟動(dòng)改性沸石吸附系統(tǒng)，原水先通過改性沸石進(jìn)行吸附處理，再進(jìn)入生物接觸氧化系統(tǒng)。二是原水氨氮濃度較低（不大于5 mg/L）時(shí)，原水僅利用生物接觸氧化系統(tǒng)進(jìn)行處理。改性沸石吸附系統(tǒng)設(shè)有兩個(gè)攪拌池，二者交替運(yùn)行，其中一個(gè)攪拌池內(nèi)的改性沸石吸附飽和時(shí)（攪拌池出水氨氮濃度大于5 mg/L），該攪拌池停止運(yùn)行，更換沸石，同時(shí)另一攪拌池啟動(dòng)運(yùn)行。

圖1 污水處理工藝流程

最優(yōu)運(yùn)行條件下，改性沸石吸附的沸石粒徑平均值為225 μm，沸石投加量為1.00 g/L，污水pH 等于7，反應(yīng)時(shí)間為30 min，反應(yīng)溫度為35.7 ℃；生物接觸氧化的水力停留時(shí)間為1.5 h，氣水比為2.3∶1.0，曝氣管長度為59.3 cm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

中試裝置共運(yùn)行60 d。其中，原水氨氮濃度大于5 mg/L 的共有18 d，其間運(yùn)行改性沸石吸附與生物接觸氧化組合工藝；原水氨氮濃度不大于5 mg/L 的共有42 d，其間僅運(yùn)行生物接觸氧化工藝。中試期間原水水質(zhì)如表1所示。主要監(jiān)測指標(biāo)有pH、溫度、濁度、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）和總氮（TN）。

表1 中試期間原水水質(zhì)

氨氮濃度突發(fā)性增高且大于5 mg/L 時(shí)，運(yùn)行改性沸石吸附與生物接觸氧化組合工藝，沸石投加量為1.00 g/L，改性沸石吸附系統(tǒng)出水氨氮濃度為2.78～3.65 mg/L，平均值為3.30 mg/L，去除率為44.51%；組合工藝出水氨氮濃度為0.21～0.40 mg/L，平均值為0.35 mg/L，去除率為94.17%。微污染原水樣品含有陽離子和有機(jī)污染物，陽離子與NH4+產(chǎn)生吸附競爭[4]，而且原水水樣中的雜質(zhì)極易堵塞沸石晶格的孔洞[5]，可能影響沸石吸附氨氮的效果。但是，出水氨氮濃度為2.78～3.65 mg/L，仍可滿足出水氨氮濃度小于5 mg/L 的要求。

在常規(guī)低氨氮濃度（不大于5 mg/L）的條件下，僅運(yùn)行生物接觸氧化系統(tǒng)。結(jié)果表明，出水氨氮濃度為0.22～0.40 mg/L，平均值為0.32 mg/L，去除率為91.82%。生物接觸氧化系統(tǒng)對(duì)原水中氨氮的處理能力強(qiáng)，出水水質(zhì)穩(wěn)定。

3 運(yùn)行費(fèi)用分析

在水源水氨氮濃度突發(fā)性增高的情況下，本研究對(duì)比分析改性沸石吸附與生物接觸氧化組合工藝與常規(guī)工藝的運(yùn)行費(fèi)用。改性沸石吸附與生物接觸氧化組合工藝的運(yùn)行費(fèi)用主要包括設(shè)備電耗和材料費(fèi)用，主要耗電設(shè)備有攪拌池的攪拌機(jī)和生物接觸氧化池的鼓風(fēng)機(jī)，主要材料為沸石和改性劑（氯化鈉）。常規(guī)工藝的中試流程為進(jìn)水→混凝→沉淀→過濾→消毒→出水，其運(yùn)行費(fèi)用主要包括設(shè)備電耗和藥耗，主要耗電設(shè)備為加藥泵，主要藥劑為次氯酸鈉（濃度10%）和混凝劑（液體），采用聚合氯化鋁（PAC）作為混凝劑。運(yùn)行費(fèi)用統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 至表5所示。

表2 組合工藝電耗

表3 組合工藝藥耗

表4 常規(guī)工藝電耗

表5 常規(guī)工藝藥耗

組合工藝處理1 m3水的單位耗電量為0.25 kW·h，電單價(jià)約為0.7 元/（kW·h），因此單位電耗費(fèi)用為0.175 元/m3；沸石的單位耗藥量為1.0 kg/m3，單價(jià)為0.162 元/kg，單位藥耗費(fèi)用為0.162 元/m3，改性時(shí)，氯化鈉的單位耗藥量為0.234 kg/m3，單價(jià)是0.180 元/kg，單位藥耗費(fèi)用為0.042 元/m3，改性后單位藥耗費(fèi)用共計(jì)0.204 元/m3。因此，運(yùn)行組合工藝處理氨氮濃度突發(fā)性增高的水源水，單位運(yùn)行費(fèi)用約為0.379 元/m3。

常規(guī)工藝處理1 m3水的單位耗電量為0.1 kW·h，電單價(jià)約為0.7 元/（kW·h），單位電耗費(fèi)用為0.07 元/m3，其間需要投加0.30 kg 次氯酸鈉（濃度10%）、0.15 kg 液體PAC（濃度10%），次氯酸鈉（濃度10%）的單價(jià)為0.8 元/kg，液體PAC（濃度10%）的單價(jià)為0.9 元/kg，單位藥耗費(fèi)用合計(jì)0.375 元/m3。因此，運(yùn)行常規(guī)工藝處理氨氮濃度突發(fā)性增高的水源水，單位運(yùn)行費(fèi)用約為0.445 元/m3。

綜合對(duì)比組合工藝和常規(guī)工藝的運(yùn)行費(fèi)用，處理氨氮濃度突發(fā)性增高的水源水時(shí)，組合工藝運(yùn)行費(fèi)用比常規(guī)工藝減少約0.066 元/m3，減少率為14.8%。實(shí)際運(yùn)行中，運(yùn)行費(fèi)用還應(yīng)更低，因?yàn)榉惺ㄟ^再生可以重復(fù)使用最高5 次，采用沸石的實(shí)際費(fèi)用只有上述計(jì)算的五分之一。

4 結(jié)論

水源水氨氮濃度突發(fā)性增高且大于5 mg/L 時(shí)，運(yùn)行改性沸石吸附與生物接觸氧化組合工藝，出水氨氮濃度為0.21～0.40 mg/L，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2022）的要求。改性沸石吸附處理后，出水氨氮濃度降低，平均值為3.30 mg/L，降低后續(xù)生物接觸氧化系統(tǒng)的處理負(fù)擔(dān)。在常規(guī)低濃度氨氮（不大于5 mg/L）的情況下，僅運(yùn)行生物接觸氧化系統(tǒng)，出水氨氮濃度均小于0.5 mg/L，出水水質(zhì)穩(wěn)定，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2022）的要求。水源水氨氮濃度突發(fā)性增高時(shí)，組合工藝運(yùn)行費(fèi)用比常規(guī)工藝減少約0.066 元/m3，減少率為14.8%。