组合工艺处理上虞市总干渠微污染原水的中试启动研究

金国水,黎 园,倪 炯,黄仲慰,邓慧萍

(1.上虞市自来水公司,浙江上虞 312300;2.同济大学环境科学与工程学院,上海 200092)

浙江省上虞市上浦闸总干渠饮用水源区是上虞市的重要供水备用水源。近年来总干渠水浊度偏高、氨氮和有机物超标,呈现出微污染的水质特点。随着城市用水量的增加和水质要求的提高,优质水源供不应求而受微污染的备用水源水又难以通过常规工艺处理达到用水要求,要解决这一矛盾,急需研究适用于当地水源水质特点且高效、稳定、经济的处理工艺。

微污染水源水的处理方法,按其净化工艺可分为强化常规工艺、预处理工艺和深度处理工艺,具体涉及到吸附、氧化、生物处理以及膜分离技术[1],其中生物处理经济优势明显,对分子量小于 1.5k的DOC和氨氮的去除效果显著。曝气生物滤池(BAF)工艺是近年来国际上较为流行的一种新型水处理技术,与传统的生物处理技术相比,曝气生物滤池具有占地面积小、处理效果好、抗冲击负荷能力强、流程简单、能耗省、填料经久耐用及维护费用低等突出优点[2,3],从 20世纪 90年代起,国内微污染源水的曝气生物滤池处理技术已开始进入生产性试验研究阶段。作为 BAF的核心组成部分,填料的选择至关重要。沸石是一种优良的吸附剂和离子交换剂[4],在水处理中多应用于对氨氮的吸附,用沸石作曝气生物滤池的填料,即曝气生物沸石滤池 (ZBAF),沸石既作为离子交换剂吸附水中的氨氮,同时又作为硝化菌生物膜载体,为微生物提供生长介质[5]。ZBAF对氨氮有较好的去除能力,但对有机物的去除作用有限,而活性炭作为一种常见的水处理吸附剂,是完善常规处理工艺以去除有机污染物最成熟有效的方法之一[6]。将 ZBAF与活性炭滤池 (GAC)联用,可以达到优势互补,降低成本的同时获得较全面的处理效果。

针对总干渠微污染水浊度偏高、氨氮浓度波动范围大和有机物超标的水质特点,采取混凝沉淀 +曝气生物沸石滤池(ZBAF)+活性炭滤池(GAC)的组合工艺进行中试研究,考察运行初期 Z BAF的挂膜启动情况和组合工艺整体对此类水体的处理效果。

1 试验材料与方法

1.1 中试工艺

组合工艺流程图如图 1所示。原水由潜水泵提升至斜管沉淀池,液态聚合氯化铝混凝剂通过计量泵投加至斜管沉淀池进水管,进水经过简单混凝沉淀后上向流进入沸石滤柱,同时由鼓风机向沸石滤柱内曝气充氧为生物膜的形成提供必要条件;沸石滤柱后接下向流的活性炭滤柱,保证出水浊度和有机物的去除效果。

图1 组合工艺流程图Fig.1 Chart of combined process flows

斜管沉淀池由混合区、斜管区、沉淀区、集水区组成,外观尺寸1500mm×800mm×4500mm,斜管区填充 1500mm×800mm,φ35mm的斜管;沸石滤柱内径 φ500mm,总高 3600mm,下层为 500mm的布水布气区,水、气通过长柄滤头进入上层填料区,填料区由 200mm粒径 3～5mm沸石承托层和1500mm粒径 1～3mm浙江缙云恒通矿业产斜发沸石滤料组成;活性炭柱内径 φ500mm,总高3100mm,填料区由 200mm粒径 3～5mm石英砂承托层和 1000mm上海活性炭厂 8×30目煤质破碎炭滤料组成,出水经长柄滤头进入下层 500mm的集水区。

1.2 原水水质

试验原水取自浙江省上虞市曹娥江支流总干渠,中试启动阶段原水水质如表 1所示。

表1 原水水质Tab.1 Quality of raw water

1.3 操作条件

组合工艺正式启动之前,连续通入两天清水清洗沸石滤料和活性炭滤料内的杂质。清洗完毕后正式通入原水,运行斜管沉淀池,沉淀池出水进入沸石滤柱,ZBAF在滤速 2.5m/h、气水比 1∶2条件下挂膜运行,出水进入下向流的 G AC;待 Z BAF挂膜成功后,逐渐提高滤速至5m/h进入稳定运行阶段。

1.4 测试指标与方法

根据中试现场条件和国标方法[7],组合工艺启动阶段分析指标和测定方法如表 2所示。

2 试验结果与分析

表2 分析指标和测定方法Tab.2 Analytical indexes and methods

2.1 组合工艺对氨氮的去除

启动阶段组合工艺对氨氮的去除情况如图 2所示。启动初期,ZBAF内氨氮的去除率高达 95%;运行 3天后,去除率迅速降低,甚至出现氨氮反吐现象;运行 12天后,去除率又逐渐提高。分析这种变化过程：在 ZBAF中氨氮的去除主要通过沸石的离子交换作用以及亚硝化菌、硝化菌的生物作用[8]。启动初期,沸石离子交换作用显著,随着离子交换的进行,沸石内氨氮吸附位减少,对氨氮的去除也迅速降低;继续运行使得沸石滤料上生物膜逐渐形成,对氨氮的生物去除效果增加,后期组合工艺对氨氮去除率稳定在 85%以上,出水氨氮在 0.1mg/L以下。

由于沸石对氨氮的离子交换作用的存在,单从氨氮的去除并不能确定 ZBAF的挂膜周期。当出水的亚硝酸氮出现累积并稳定降低且硝酸盐氮稳定积累时或是氨氮转化为硝酸盐的比率较高时方可认为挂膜成功[8]。组合工艺亚硝酸盐浓度的变化和ZBAF内氨氮与硝酸盐氮的变化分别如图 3、图 4所示。

图2 组合工艺对氨氮的去除Fig.2 NH3-N removal of the combined process

从图 3可知,ZBAF在运行 7天后出现明显的亚硝酸盐累积现象,在亚硝酸盐累积的同时, ZBAF内硝酸盐的生成量也在稳定增加 (图 4)。由于在生物除氮中,氨氮主要通过亚硝化菌的亚硝化作用转化为亚硝酸盐和硝化菌进一步将亚硝酸盐转化成硝酸盐得以去除,因此 ZBAF的这一出水变化表明沸石滤料上亚硝化菌和硝化菌在大量生长, ZBAF对氨氮的生物去除作用逐渐形成并显著。此外,从图 4中可看出,氨氮的去除量要大于硝酸盐的生成量,说明生物膜形成后,氨氮不仅仅是依靠亚硝化菌、硝化菌的生物作用的去除,沸石本身也仍在发挥其对氨氮的离子交换作用。

运行 20天后 ZBAF亚硝酸盐出水浓度维持在0.1mg/L以下,ZBAF内氨氮的硝酸盐转化率 (图 4中 ZBAF的硝酸盐生成量与氨氮去除量的百分比)稳定在 60%左右,此时即可认为挂膜成功。综合考察 ZBAF内亚硝酸盐浓度变化和氨氮的硝酸盐转化情况,ZBAF在水温 25℃左右、气水比 1∶2、滤速2.5m/h下的挂膜周期为 20天。

2.2 组合工艺对有机物的去除

UV254和 CODMn均为表征水中有机物的指标：CODMn代表水中能被化学氧化剂高锰酸钾氧化的还原性物质,包括易被生物利用的有机物质以及无机还原性物质如亚硝酸盐等;UV254代表含共轭双键或苯环的有机物[9],此类物质一般难以被生物利用。组合工艺对UV254和 CODMn的去除情况如图 5、图6所示。

从图 5、图 6可知,混凝沉淀对有机物的去除作用最大,对UV254和 CODMn的去除率分别在 40%和50%左右。

生物滤池对有机物的去除机理主要包括：(1)微生物对小分子有机物的降解作用;2)微生物胞外酶对大分子有机物的分解作用; (3)生物吸附絮凝作用[10]。自运行以来,沉淀出水 UV254经 Z BAF后基本没有降低;与Z BAF相比,活性炭对UV254有明显的去除效果,尤其在运行初期,说明 G AC对UV254代表的有机物有很好的吸附作用,同时也验证了UV254代表的有机物是难以被微生物利用,因此大部分的UV254无法通过 Z BAF的生物作用得以很好的去除。随着活性炭滤料吸附的饱和,尽管 G AC对UV254的去除率有所降低,但启动运行的中后期,组合工艺对UV254的去除率仍能稳定在 70%左右。

沉淀池出水CODMn在 3mg/L左右,ZBAF出水CODMn仅略有降低,分析其原因：较低的有机物基质浓度不利于 ZBAF内异养菌的大量繁殖,并且曝气会造成部分吸附在生物膜表面的有机物甚至生物膜本体的脱落,导致 ZBAF对 CODMn的去除很有限。运行初期,GAC对 CODMn有较好的去除效果,此时生物作用尚未形成,主要依靠活性炭强大的比表面积来完成对有机物的吸附,随着工艺的运行, GAC吸附容量不断下降,但吸附在活性炭滤料上的有机物也为异氧菌的生长繁殖提供了充足的基质浓度,GAC对 CODMn的生物去除作用不断提高。启动后期,组合工艺在混凝沉淀、活性炭物理吸附和好氧异养菌的共同作用下,对 CODMn的去除率达75%,出水 CODMn稳定在 1.5mg/L以下。

2.3 组合工艺对浊度的去除

启动阶段组合工艺对浊度的去除情况如图 7所示。进水浊度在 40～400NTU之间波动,经混凝沉淀后浊度降至 20NTU以下。ZBAF出水浊度呈现出先增加后降低的变化趋势,分析认为：启动前期,浊度主要通过载体本身的机械截留和吸附作用来去除,但由于反应器内存在曝气扰动和未洗净的杂质,出水浊度高于进水浊度;后期随着生物膜的形成,反应器内生物絮凝作用[11]加强,对浊度有一定的去除作用。ZBAF出水经 GAC后,最终出水浊度可保证在 1NTU以下。组合工艺运行稳定后,对浊度的去除率达到 99%,出水浊度可保证在0.5NTU以下。

图7 组合工艺对浊度的去除Fig.7 Turbidity removal of the combined process

3 结 论

3.1 ZBAF在水温 25℃左右、气水比 1∶2、滤速2.5m/h下运行 20天即挂膜成功,氨氮的硝酸盐转化率稳定在 60%左右,出水亚硝酸盐和氨氮浓度均较低。

3.2 启动运行 20天后,组合工艺在 5m/h的滤速下对浊度、氨氮、UV254、CODMn的去除率分别达99%、85%、70%和 75%,出水水质良好,浊度、氨氮、CODMn可分别稳定在 0.5NT U、0.1mg/L、1.5 mg/L以下,达到《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)。

3.3 启动运行阶段的温度范围为 25℃～29℃,比较适合微生物的生长;冬季当地水质具有低温高氨氮的特点,势必会对生物处理造成一定的冲击负荷,但考虑到组合工艺中氨氮是在沸石的离子交换和生物膜的共同作用下得以去除,组合工艺在冬季应该能够维持较稳定的出水水质,在进一步的研究工作中将验证这一推测。

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