中小型河流突发氨氮污染应急处理技术研究

中小型河流突发氨氮污染应急处理技术研究

匡 武1， 刘 群2， 郑西强1*，潘成荣1

(1.安徽省环境科学研究院，安徽省污水处理技术重点实验室，安徽合肥 230061； 2.安徽三联学院，安徽合肥 230601)

摘要针对中小型河流突发性水体污染，以突发氨氮污染为例，探究水体污染应急处理技术。结果表明，氨氮浓度为10 mg/L左右时，平均自然降解系数KN为0.009 d-1；同一工况下，不同工艺对水中氨氮的去除能力表现为活性炭吸附>自然曝气+沸石>自然曝气。但在实际工程操作过程中，综合考虑工程的经济及可行性，在处理突发性氨氮污染时，建议主要采用自然曝气+沸石法去除氨氮，活性炭作为辅助吸附剂，从而提高氨氮的整体去除效果。

关键词河流；污染；氨氮；应急处理

中图分类号S181.3

基金项目安徽省省级环保科研课题(2013-003)。

作者简介匡武(1972- )，男，安徽六安人，高级工程师，硕士，从事环境规划及水污染控制技术研究。*

收稿日期2015-06-09

The Sudden Ammonia Nitrogen Pollution and Emergency Treatment Technology of Small and Medium-sized Rivers

KUANG Wu1, LIU Qun2, ZHENG Xi-qiang1*et al (1. Anhui Provincial Key Laboratory of Wastewater Treatment Technology, Anhui Academy of Environmental Science Research, Hefei, Anhui 230061; 2. Anhui Sanlian University, Hefei, Anhui 230601)

AbstractAccording to the small and medium-sized rivers of sudden water pollution, water contamination in ammonia nitrogen pollution, for example, to explore the emergency treatment technology. The results showed that the concentration of ammonia nitrogen was about 10 mg/L, average natural degradation coefficient KN=0.009 d-1, the removal of ammonia nitrogen in water capacity under the same condition, respectively was: activated carbon adsorption >natural aeration + zeolite > natural aeration. But in the actual project operation process, to comprehensively consider the economy and feasibility of engineering, in the event of a sudden the ammonia nitrogen pollution in processing, recommend using natural aeration + zeolite method as main ammonia nitrogen removal method, active carbon as auxiliary adsorbent, thus improve the ammonia nitrogen removal efficiency as a whole.

Key wordsRiver; Pollution; Ammonia nitrogen; Emergency treatment

近年来，我国水污染事件频发，不仅对水环境造成巨大破坏，而且给当地造成损失，甚至给城市水源地供水安全带来巨大隐患。2013年1月，河南省境内惠济河东孙营闸开闸泄洪，下泄水中氨氮最高浓度达16 mg/L，导致下游安徽省境内涡河亳州段的水体氨氮严重超标，当地网箱养鱼大面积死亡[1]。

氨氮是水中常见污染物之一，当氨氮浓度达到一定水平时影响水环境质量，并且对水生生态系统具有一定的破坏性[2]，它能引发水体爆发“水华”现象，对水生动植物存在较大毒性。在饮用水源地，随着水中氨氮浓度的增加，传统给水工艺根本无法去除突发性高浓度氨氮，出水氨氮浓度难以达到安全供水的水质要求。因此，在中小型河流发生突发性氨氮污染事件后，为了迅速、有效地去除水中高浓度氨氮污染物，最大程度地减轻或减少环境破坏及经济损失，快捷有效的处理方法对突发氨氮水污染应急具有重大的意义。笔者以氨氮为研究对象，比较几种吸附材料对水中氨氮的去除效果，优化处理技术参数，以期为中小型河流水体突发氨氮污染应急处理提供技术参考。

1材料与方法

1.1材料与设备材料包括天然沸石、活性炭、脱脂纱布、细绳等。天然沸石分子式为Na2O·Al2O3·xSiO2·yH2O，粒度为40～60目，钙离子交换能力≥20 mg/g，灼烧失重15%～30%，可溶性盐类1.50%。活性炭粒径0.4～3 mm，碘值800～1 100 mg/g，亚甲基蓝吸附值120～150 mg/g，苯酚吸附值≥450 mg/g，亚甲基蓝脱色率≥11 ml，比表面积900～1 300 m2/g，堆比重0.40～0.55 g/cm3，强度≥90%，总孔容率0.8～1 cm3g，灰分≤5%，水分≤10%。设备包括自制模拟河道、计量泵、小型充氧泵等。充氧曝气机型号为AP-004，功率2 W，排气量1.5 L/min，压力0.02 MPa，气口直径0.5 cm，1个气口，电线长70 cm，规格尺寸11 cm×6 cm×4.5 cm。

1.2试验方法

1.2.1模拟河道的制作。根据有关河道水文资料，在实验室用亚克力板自制模拟河道，整体长×宽为2.4 m×1.2 m，模拟河道呈环形，河道宽度20 cm。选择水流平均流速0.04 m/s，宽深比为4∶1，利用计量泵使水体循环。

1.2.2吸附材料的组装。使用不同的吸附材料进行试验，筛选出对氨氮去除效果最佳的吸附材料。在试验及实际工程应用中，为方便吸附材料的放置与更换，采用自制吸附材料包。

1.2.3配制模拟河水。称取适量硫酸铵加入水中，按试验要求配制不同氨氮浓度的模拟河水，水中氨氮浓度以实测为准。

1.3氨氮测定方法测定水中氨氮的方法有纳氏试剂分光光度法、水杨酸-次氯酸盐分光光度法、蒸馏滴定法、电极法和气相分子吸收光谱法，该试验采用纳氏试剂分光光度法[3]，且同一水样同时测定3次，取平均值进行计算分析。

1.4氨氮自然降解系数的计算氨氮的降解过程，可按一级反应动力学关系[4]表达:

dCN/dt=-KNCN

其积分式为:

CN=CN0exp(-KNt)

则KN的计算式为:

KN=1/tln(CN0/CN)

式中，t为反应时间，d;KN为氨氮的综合降解系数，d-1;CN为t时的氨氮浓度， mg/L;CN0为初始氨氮浓度， mg/L。

2结果与分析

2.1氨氮自然降解系数的确定试验配制氨氮浓度约为10 mg/L的模拟河水，选择在不同时间段(3月17～28日和4月15～25日)取样检测氨氮浓度，并计算得到氨氮的降解系数(表1)。由两次试验结果计算可得，在模拟试验工况下，氨氮浓度为10 mg/L左右时，平均自然降解系数KN为0.009 d-1，在下文的氨氮浓度计算中均已扣除其自然降解部分。

2.2自然曝气对氨氮的去除效果自然曝气法去除自然河水中氨氮的机理是利用微生物的硝化、反硝化作用去除或转化。但在自然河流中，由于接触空气，难以进行有效的反硝化反应(河流底层除外)，硝化过程中氨氮先被亚硝化菌氧化成亚硝酸氮，然后被硝化菌氧化成硝酸盐氮。为研究自然曝气对水中氨氮的去除效果，分别配制氨氮浓度约为20、10 mg/L的模拟河水，使用浅水层简易水体充氧曝气机，将8个曝气机按均匀间隔放入模拟河道内，总充气量约为720 L/h，河道内水的总体积为192 L。由图1可知，在自然曝气下，高浓度氨氮模拟河水中剩余氨氮含量逐渐降低，但总体变化量较小，氨氮的整体去除率也偏低；低浓度氨氮模拟河水中剩余氨氮含量变化趋势与高浓度大致相同，只是氨氮的整体去除率略高于高浓度模拟河水，最高达7%左右，但去除氨氮的量远低于前者。说明在试验期间内(32 h)，自然曝气对氨氮的去除表现虽高浓度略优于低浓度，但整体去除效果不明显。

表1　氨氮自然降解系数

2.3自然曝气+沸石法对氨氮的去除效果在自然曝气下，往模拟河道中添加沸石，探究该组合工艺对氨氮去除的效果。分别在高、低氨氮浓度的模拟河水中放入8个简易水体充氧曝气机，并在曝气机处放置自制沸石包，重量约为38 g/包，共计加入300 g沸石，在不同时间段取样检测氨氮浓度。由图2可知，在投加沸石并且同时曝气条件下，两种氨氮浓度的模拟河水中剩余氨氮含量降低趋势较自然曝气明显，氨氮的整体去除率相比之下也略为偏高，这可能与沸石吸附及离子交换有关。沸石粒径越小，对氨氮吸附效果越好；沸石粒径越大，沸石颗粒的总表面积越小，吸附质向沸石内部细孔扩散时所受到的阻力越大，NH4+与沸石的接触量越低，氨氮吸附效果越差。考虑实际工程化操作时投加的沸石包颗粒不宜过小，试验中选取的沸石粒径偏大，未能达到最佳吸附效果。

2.4活性炭吸附对氨氮的去除效果利用活性炭较强的吸附能力，探究其对水中氨氮的去除效果。分别将自制等量活性炭包均匀放置在高、低氨氮浓度的模拟河水中，活性炭包的重量为38 g/包，总投加量为300 g，在不同时间段取样检测氨氮浓度。由图3可知，活性炭对水中氨氮的吸附去除率随时间逐渐增加，高、低浓度氨氮的吸附去除率相差较大，最高值分别为16.5%、24.5%；吸附饱和时间也大不相同，低浓度较高浓度快；活性炭对氨氮的吸附量也随时间延长的而逐渐增大，且高浓度明显快于低浓度，这与吸附机理有关，吸附质浓度愈高，吸附速率越快。可见，在活性炭量相同的条件下，去除高浓度氨氮的效果优于低浓度。

为进一步研究活性炭对氨氮的吸附量与投加量的关系，在低浓度氨氮的模拟河水中将活性炭量增至500 g，在不同时间段取样检测氨氮浓度。在氨氮浓度相同的条件下，增加活性炭投加量不仅提高了吸附速率，而且大大提高了活性炭对氨氮的吸附量(图4)。活性炭投加量为300 g时，吸附饱和时间约为26 h(图3)；投加量为500 g时，吸附饱和时间提前至7 h左右(图4)，此时的吸附量仍高于前者的最大吸附量。增加活性炭的投加量，虽提高了单位吸附量以及去除率，但投入成本也相应增大。

3结论

(1)在模拟试验工况下，氨氮浓度为10 mg/L左右时，平均自然降解系数KN为0.009 d-1。

(2)自然曝气对氨氮的去除有一定的效果，在试验期间内(32 h)，氨氮去除表现虽高浓度略优于低浓度，但整体去除效果不明显，未能及时有效降解水中的氨氮；在投加沸石且同时曝气条件下，两种不同氨氮浓度的模拟河水中剩余氨氮浓度降低趋势较自然曝气明显，氨氮的整体去除率相比之下也有所提高，这可能与沸石吸附及离子交换有关；活性炭对氨氮的吸附量也随时间的延长而逐渐增大，且增加的速率高浓度明显快于低浓度，在活性炭投加量相同条件下，去除高浓度氨氮的效果优于低浓度，且去降率均高于自然曝气+沸石及自然曝气工艺。增加活性炭的投加量，提高了氨氮的单位吸附量以及去除率，但投入成本也相应增大。

(3)在相同工况下，3种工艺对水中氨氮的去除能力表现为活性炭吸附>自然曝气+沸石>自然曝气。但在实际工程操作过程中，要综合考虑工程的经济及可行性，活性炭的价格约为沸石的10倍，但两者实际去除能力远未相差10倍。因此，在处理突发性氨氮污染时，建议主要采用自然曝气+沸石法去除氨氮，活性炭作为辅助吸附剂去除水体中的部分有机物，从而提高氨氮的整体去除效果。

参考文献

[1] 金微，李泽民．淮河上游遭氮氨严重污染下游蚌埠启动水源应急方案[EB/OL]．(2013-14-02)http: //www．nbd．com．cn/articles/2013-04-02/728517．html．

[2]董玉波，王坷，王林同.氨氮对水生生物毒性的研究进展[J].天津水产，2011(2/3):6-11.

[3] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社，2002.

[4] 陶威，刘颖，任怡然.长江宜宾段氨氮降解系数的实验室研究[J].污染防治技术，2009,22(6):8-9.