沸石生物活性滤池在低浓度氨氮废水再生回灌地下水中的应用研究

曹丽华，陈 娟，张忠园

(天津市塘沽鑫宇环保科技有限公司 天津300450)

沸石生物活性滤池在低浓度氨氮废水再生回灌地下水中的应用研究

曹丽华，陈 娟，张忠园

(天津市塘沽鑫宇环保科技有限公司 天津300450)

针对含低浓度氨氮的废水再生回灌地下水中氨氮的深度处理问题，提出了沸石生物活性滤池工艺，并对工艺的启动、运行最佳参数及低温运行效果进行研究。结果表明，采用动态自然挂膜培养方式，约 15,d，就能形成成熟硝化菌生物膜；正常运行时，最佳水力负荷 1,m3/m2,h，气水比 1∶1，对氨氮的平均去除效率为 79.96%，出水氨氮满足地表回灌水质要求(＜1,mg/L)；在冬季低温时，虽然可通过降低进水流量来增大去除率，但增幅有限，低温仍是限制氨氮去除的主要原因。

沸石生物活性滤池 低浓度氨氮 地下水回灌

0 引 言

滨海新区地处北方沿海，水资源短缺，地下水开采是增加水资源供给的主要方式之一，但也容易引发地下水位降低、地表沉降等问题，不利于滨海新区生态环境建设。低浓度氨氮废水再生回灌地下水是一种新兴地下水补给方法，因其再生成本较低、可增加地层含水量、防止海水倒灌及地面沉降而成为目前研究的热点。[1]本实验所研究的低浓度氨氮废水是指城镇污水处理厂二级处理后的出水。该部分废水水质特点是 COD、BOD5、TP、浊度等指标基本上能达到《城市污水再生利用——地下水回灌水质》(GB/T 19772-2005)标准，对氨氮也有较好的去除效率，但仍未达到《城市污水再生利用——地下水回灌水质》(GB/T 19772-2005)标准中对氨氮的限值要求(＜1,mg/L)。[2]因此低浓度氨氮的深度处理是再生水回灌地下水关键技术。

本实验构建的“沸石生物活性滤池”是指利用沸石对氨氮的吸附作用和沸石作为硝化菌生长载体作用，同步实现氨氮的吸附和硝化的一种改良型滤池。[3]它结合了物理过滤吸附和生物膜硝化的双重特点，以此强化对低浓度氨氮的深度去除作用。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试水样

供试水样为塘沽某生活污水二级生化处理后的排水，水质分析结果如表1所示。

表1 供试水样水质(单位：mg/L)Tab.1 Quality conditions of the water sample(Unit：mg/L)

从表 1的水质分析结果与地表回灌标准限值的对比可看出，生活污水经二级生化出水后，COD、TP、pH、浊度等指标均满足标准，而NH3-N超标。

1.1.2 改性沸石

沸石外购，粒径为6～10目，按照文献4中所述方法对其进行微波＋NaCl改性，拓宽沸石孔道，提高对氨氮的吸附量。

1.2 实验装置

滤池装置为直径 200,mm，高为 1,500,mm 的有机玻璃反应柱，内装改性斜发沸石高度约为1,000,mm。反应柱采取上向流过滤形式，底部穿孔管进水，顶部出水。同时，在反应柱底部有 150,mm 的卵石层，曝气管设置于其中。滤池运行时，供试水样由恒流泵及安装在泵出口管线上的流量计调节后，与空压机提供的压缩空气一起，由底部进入反应柱。气、水混合后，由下向上流经沸石层，使沸石处于流化状态，出水由顶部溢流堰流出。滤池装置如图 1所示。[5]

图1 沸石生物活性滤池装置Fig.1 A bio-zeolite filter device

1.3 实验方法

1.3.1 滤池挂膜启动

目前，研究较多的挂膜启动方法主要有接种法、自然挂膜法、循环挂膜法、快速排泥法。[6-7]本实验采用连续进水的动态自然培养挂膜方式。进水流量为100,L/h，气水比为1∶1，水力停留时间为0.3,h。启动期间，早、中、晚各取样 1次，以 NH3-N的去除率来表征滤池的启动历程和沸石的挂膜成熟程度。[8]

1.3.2 滤池正常运行

滤池正常运行后，考察滤池在不同水力负荷、不同气水比以及低温环境对废水中 NH3-N的去除率，每个工况稳定运行5天，每天取样一次。

2 实验结果与分析

2.1 启动挂膜阶段

挂膜期间对氨氮的去除效果如图2所示。

图2 启动阶段NH3-N去除效果Fig.2 NH3-N removal efficiency during starting period

从图中可看出，在整个挂膜期间，氨氮的去除率出现了一个“低谷”。在“低谷”出现前，即挂膜初期，硝化生物膜尚未形成，氨氮去除主要依靠沸石吸附和离子交换。由于沸石对氨氮的良好吸附性能，使得挂膜初期氨氮平均去除率达到 91.9%。随着氨氮在沸石表面累计，吸附逐渐达到饱和，氨氮去除率逐渐降低至“低谷”，但并未出现去除率接近于零的现象，说明此时硝化生物膜已经初步形成，对氨氮具有一定的硝化作用。在后期，去除率又逐渐回升并稳定至 85.4%左右，出水氨氮平均值为 0.69,mg/L，说明沸石表面的硝化菌生物膜成熟，可进行稳定的硝化作用，挂膜启动成功。[8-9]

2.2 正常运行阶段参数优化

2.2.1 不同水力负荷下滤池对NH3-N的去除效果

实验条件：气水比1∶1；反应温度为18～24,℃。分别考察水力负荷为 1,m3/m2,h、2,m3/m2,h、3,m3/m2,h、4,m3/m2,h工况下滤池对NH3-N去除效果，如图3所示。

图3 不同水力负荷对滤池去除NH3-N影响Fig.3 Contrast of NH3-N removal efficiencies under different hydraulic loadings

从图 3可以看出，随着水力负荷的增加，氨氮的去除率逐渐下降。水力负荷从 1,m3/m2,h增加至2,m3/m2,h时，氨氮平均去除率从 81.2%降至 76.3%，去除率变化较小，出水氨氮浓度均小于 1,mg/L，满足《城市污水再生利用——地下水回灌水质》标准中氨氮限值；水力负荷从 3,m3/m2,h增加至 4,m3/m2,h，氨氮平均去除率从 65.3%降至 43.4%，且出水氨氮大于 1,mg/L。分析原因可能有两方面：一是水力负荷增大导致水力停留时间缩短，二是水力负荷增大导致剪切力增大，从而导致生物膜脱落，造成生物量损失。综合确定最佳的水力负荷为1,m3/m2,h。

2.2.2 不同气水比下滤池对NH3-N去除效果

实验条件：水力负荷为 1,m3/m2,h；反应温度为18～24,℃。分别考察气水比为 1∶2、1∶1、2∶1 三种工况下滤池对NH3-N去除效果，如图4所示。

图4 不同气水比下滤池对NH3-N去除效果Fig.4 Contrast of NH3-N removal efficiencies under different gas water ratios

从图 4中可知，当气水比从 1∶2增加到 1∶1时，氨氮去除率有小幅度提升，平均去除率从 62.2%增加至 73.8%，出水氨氮平均浓度从 1.39,mg/L降至0.85,mg/L，达到地表回灌标准。气水比进一步增加到2∶1时，氨氮平均去除率为 76.1%，增幅非常小。其原因为当气水比提高至 1∶1时，水中溶解氧已完全能够满足硝化菌的好氧硝化作用，再提高气水比对氨氮去除率影响不大，且气水比过大，对生物膜的剪切力增大，影响滤池处理稳定性，增加滤池运行能耗。综上，确定最佳气水比为1∶1。

2.2.3 冬季低温环境下滤池对NH3-N的去除效果

实验期间从2013年11月18日至2013年12月12日，此期间环境温度为－2～7.5,℃，实测进水温度为 5.5～13.5,℃。实验条件：气水比 1∶1，进水流量分别为100,L/h、50,L/h、20,L/h，结果如图5所示。

图5 冬季低温条件下滤池对NH3-N去除效果Fig.5 NH3-N removal efficiency in winter

从图 5中可以看出，在冬季低温条件下，滤池对氨氮的去除效果较差，出水氨氮均大于 1,mg/L。当进水流量为 100,L/h时，平均去除效率只有 13.7%。降低进水流量能小幅度提高去除效果，进水流量降至20,L/h时，氨氮平均去除率仅提高至 28.2%，去除率仍较低。说明低温抑制硝化菌活性，降低硝化能力，使氨氮出水浓度升高。而进水流量的降低延长了水力停留时间，减弱了水流对硝化膜的扰动，可使去除率小幅度回升。

2.3 最佳参数工况下滤池对低浓度氨氮废水去除效果

最佳运行参数：水力负荷 1,m3/m2,h，气水比1∶1，反应温度 18～24,℃。氨氮的去除效果如图 6所示。

图6 最佳参数下滤池对NH3-N去除效果Fig.6 NH3-N removal efficiency under optimum parameters

从图 6中可以看出，在最佳参数下，滤池对进水中低浓度氨氮去除效果稳定，氨氮平均去除率为79.96%。除个别监测点出水氨氮浓度接近或略微超过 1,mg/L外，其他监测点氨氮出水浓度均小于1,mg/L，满足《城市污水再生利用——地下水回灌水质》标准中氨氮限值。

3 结 论

①沸石生物活性滤池启动挂膜易，自然挂膜15,d左右，即可形成成熟的硝化菌生物膜。②正常运行时，通过改变水力负荷和气水比，确定了沸石生物活性滤池的最佳运行参数为：水力负荷 1,m3/m2,h，气水比1∶1。在此最佳参数下，对进水低浓度氨氮的平均去除效率为 79.96%，出水氨氮满足地表回灌水质要求。③低温仍是限制沸石生物活性滤池在冬季运行的主要原因，虽然可通过降低进水流量来增大去除率，但增幅有限。

［1］靳孟贵，罗择娇，梁杏. 再生水地表回灌补给地下水的水质安全保障体系[J]. 地球科学——中国地质大学学报，2012，37(2)：238-246.

［2］城市污水再生利用——地下水回灌水质[S].GB/T 19772-2005.

［3］Hiroshi Tsuno，Fumitake Nishimura，Isao Somiya.Romoval of ammonium nitrogen in bio-zeolitereactor[J].Doboku Gakkai Hokokushu，1994(503)：159-166.

［4］鲍建国，袁悦，靳孟贵，等. 一种改性斜发沸石离子交换剂的制备方法：中国，201210020674. 9[P]. 2012-07-04.

［5］张兵，崔福义，张学洪. 污水脱氮过程中斜发沸石吸附再生性能的实验研究[C]. 中国水污染防治装备论文集，2005：117-123.

［6］傅金祥，陈正清，赵玉华，等. 挂膜方式对曝气生物滤池的影响[J]. 水处理技术，2006，32(8)：42- 45.

［7］张杰，曹相生，孟雪征，等. 好气滤池 3种挂膜方法的实验研究[J]. 哈尔滨工业大学学报，2003，35(10)：1216-1219.

［8］汪胜. 生物沸石滤池在处理微污染水源中的应用研究[D]. 上海：同济大学，2006.

［9］张明，施培俊，王敬东. 生物沸石过滤器用于污水再生利用工程的研究[J]. 中国给水排水，2011，37(Z)：220-224.

Application Study of Bio-zeolite Filter in Groundwater Recharge with Low Ammonia-nitrogen Reclaimed Water

CAO Lihua，CHEN Juan，ZHANG Zhongyuan
(Tianjin Tanggu Xinyu Science & Technology Environmental Protection Co.，Ltd.，Tianjin 300450，China)

To solve the problem of advanced treatment of ammonia-nitrogen in recharged groundwater，which is recycled from low concentration ammonia-nitrogen reclaimed water，a bio-zeolite filter process was proposed and the process starting parameters，optimum parameters and treatment effects at low temperature were discussed. It was indicated that after 15,days of natural biofilm cultivation，a nitrification bacteria film was formed. During normal operation，the optimum hydraulic load was 1,m3/m2,h，gas water ration was 1∶1，the average NH3-N removal efficiency was 79.96%，and NH3-N concentration in the effluent met the quality of groundwater recharge requirements(＜1,mg/L). In winter，despite the removal rate can be increased through reduction of the water flow，the growth is still limited，indicating that low temperature is still the main limiting factor that affects ammonia nitrogen removal.

bio-zeolite filter；low concentration ammonia-nitrogen；groundwater recharge

X523

A

1006-8945(2014)10-0010-03

2014-09-09