溶解氧对载体生物膜去除水源水氨氮与有机物的效果影响研究

李俊义 董浩韬 任鹏飞 刘颖诗 孙志民

摘要：目前一些生活饮用水水源水中有机物、氨氮含量较高，有些存在突发性含量较高，普遍采用的“混凝、沉淀、砂滤、消毒”工艺难以应对处理。载体生物膜工艺，能够有效去除微污染水中的氨氮、有机物。本研究建立了处理水量1m3/h载体生物膜工艺中试试验装置，考察3种不同溶解氧浓度条件下CODMn、NH4+-N的去除效果，并对其生物相进行了分析。试验结果表明：①提高溶解氧浓度可提高载体生物膜工艺对CODMn和NH4+-N的去除效果。②载体生物膜工艺，溶解氧浓度为3.5mg/L的情况下，出水CODMn为2.56mg/L、NH4+-N为0.4mg/L，满足国家标准要求。③随着溶解氧浓度的提高，载体上的生物相、生物群落丰富，出现运行效果良好的指示性生物腔轮虫。

关键词：载体生物膜;氨氮;有机物

中图分类号：X505 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）06-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.06.069

Abstract： At present， some domestic drinking water sources have high levels of organic matter and ammonia nitrogen， and some have high burst content. The commonly used “coagulation， sedimentation， sand filtration， disinfection” process is difficult to deal with. The carrier biofilm process can effectively remove ammonia nitrogen and organic matter in micro-polluted water. In this study， a pilot test device for the treatment of 1m3/h carrier biofilm was established. The removal effects of CODMn and NH4+-N under three different dissolved oxygen concentrations were investigated and the biological phase was analyzed. This research established a pilot system of biofilm and ultrafiltration coupling process， investigate the CODMn， turbidity， ammonia and chlorophyllin the case of no flocculant addition， investigate the CODMn， turbidity， ammonia and chlorophyll A removal efficiency on different DO level.The results showed that： ①in the condition of no flocculant addition， the increase of DO concentration can effectively improve the CODMn and NH4+-N removal efficiency; ②In the condition of no flocculant addition and 2.5mg/L of DO concentration， the CODMn， turbidity and NH4+-N are removed effectively and the effluent quality is able to achieve the relevant requirements of the national standard for sanitation of drinking water;③Ultrafiltration is the key step of turbidity and chlorophyll A removal in the coupling process.

Key words： Biofilm;Ultrafiltration;Micro-polluted source water

某些生活飲用水源水中有机物、氨氮含量较高，有些存在突发性含量较高。我国七大水系中，可作为饮用水源的I～III类比例仅约为69%，有约31%的水质断面不可用作饮用水源[1]。由于受污染水体中的有机物种类繁多、性质复杂，且同时存在其他的无机污染物，特别是氨氮，即使污染物浓度较低，依然难以处理。目前普遍采用的“混凝、沉淀、砂滤、消毒”常规工艺 [2]，很难满足国家生活饮用水标准要求，面临较大的供水安全隐患。

载体生物膜工艺，采用固定填料作为载体，使其表面附着生长大量微生物，通过向水中曝气供氧，利用微生物的代谢作用，氧化分解水中的氨氮与有机物，从而有效去除微污染水中的氨氮、有机物。

为解决上述问题，本研究建立了处理水量为1m3/h的载体生物膜工艺中试装置，考察了不同溶解氧（DO）浓度对载体生物膜工艺去除微污染水中有机物和氨氮效果的影响，并对载体上附着的生物膜，进行了观测分析。

1 材料与方法

1.1 试验用水和接种方法

本试验进水取自某泵房外珠江西航段集水井处的珠江水，属于珠江西航道鸦岗段，有效水深大于3m。根据相关监测资料《关于2017年8月地表水考核断面水质状况的报告》，珠江西航道鸦岗段水质为V类水，具体水质数据见表1。

试验接种方法采用自然挂膜法，即将载体填料安装后，系统进水鼓风曝气运行，经过1-2周载体上长满生物膜，完成挂膜。

1.2 工艺方案

载体生物膜工艺是一种生物膜法的微污染水处理工艺。载体生物膜工艺中试装置采用处理规模为1m3/h，连续运行;中试装置有效水深为4m，其侧壁从上到下依次设有出水口、进水口和排泥口;中试装置底部设置曝气风网，中部设置固定式生物膜载体填料。中试试验装置见图1。

1.3 分析测试项目及方法

中试试验分析测试项目：CODMn、NH4+-N、DO。

分析测试项目所采用的方法：CODMn采用高锰酸钾法测定;NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定[3];溶解氧采用哈希HQ40D溶解氧仪测定。

2 结果与讨论

2.1 溶解氧浓度对载体生物膜工艺去除有机物效果的影响

载体生物膜工艺中试装置为保持微生物活性，采用连续曝气方式运行。中试装置内部添加有载体生物膜填料，填料表面可大量生长和富集各种好氧型微生物，工艺装置内综合生物量高，且微生物在曝气的作用下绝大多数处于高活性的对数增长期，确保了良好的有机物、氨氮的去除效果。图2～4为3种不同溶解氧浓度条件下，载体生物膜工艺对有机物的去除效果。

如图2～4所示;第一组（图2）调整系统中的DO为1.5mg/L，载体生物膜工艺试验装置的进水CODMn浓度均值为5.15 mg/L，浓度范围为5.97～4.54mg/L，原水浓度较为平均，出水CODMn浓度均值为4.31mg/L，浓度范围为4.06～4.67mg/L，去除率约16.2%，处理效果一般。

第二组（图3）提升系统中溶解氧浓度至2.5mg/L，载体生物膜工艺试验装置的进水CODMn浓度均值为5.55 mg/L，其中3天的进水CODMn浓度达到了6mg/L以上，此时系统出水CODMn浓度均值为3.6mg/L，当系统出现冲击负荷时，也能达到较好的去除效果，整体去除率约34.54%，出水效果有明显改善。

第三组（图4）继续提升系统中溶解氧浓度至3.5mg/L载体生物膜工艺试验装置的进水CODMn浓度均值为4.88mg/L，浓度范围为3.44～8.7mg/L;出水CODMn浓度均值为2.56mg/L，浓度范围为2.29～2.95mg/L，去除率约43.38%，出水效果较为理想。

结果表明 ⑴载体生物膜工艺CODMn去除率，随着溶解氧浓度升高而升高。但当溶解氧浓度超过2.5mg/L时CODMn去除率的增加速率会有所减缓。⑵在溶解氧浓度约为3.5mg/L时较为适合载体生物膜工艺去除微污染水中的CODMn，而且工艺出水CODMn浓度均<3mg/L，满足《国家生活饮用水相关卫生标准》（GB5749-2006）要求。

2.2 溶解氧浓度对载体生物膜工艺去除NH4+-N效果的影响

目前，我国很多供水厂都受到进水氨氮浓度突发升高的困扰，常规给水处理工艺对氨氮的去除效果并不理想[5]。载体生物膜工艺添加了生物膜载体填料，采用微生物预处理的方式对水体进行脱氮处理。本研究还针对载体生物膜工艺对氨氮的出去效果进行了研究。不同的溶解氧浓度对载体生物膜工艺去除氨氮的效果存在着明显差别。图5～7为3种不同溶解氧浓度条件下，载体生物膜工艺去除NH4+-N的检测结果。

如图5～7所示;第一组（图5）调整系统中的溶解氧浓度为1.5mg/L，载体生物膜工艺试验装置的进水NH4+-N浓度均值为3.91mg/L，浓度范围为2.57～7.93mg/L，处理后出水NH4+-N浓度均值为2.46mg/L，系统的氨氮抗冲击负荷能力较差，处理效果不理想。

第二组（图6）调整系统中的溶解氧浓度为2.5mg/L，载体生物膜工艺试验装置的进水NH4+-N浓度均值为3.81 mg/L，濃度范围为3.2～4.37mg/L，处理后出水NH4+-N浓度均值为1mg/L，浓度范围为0.62～1.8mg/L，去除率约73.59%，出水效果有明显改善。

第三组（图7）调整系统中的溶解氧浓度为3.5mg/L，载体生物膜工艺试验装置的进水NH4+-N浓度均值为3.88mg/L，浓度范围为2.64～5.26mg/L，处理后出水NH4+-N浓度均小于0.5mg/L，且系统的抗冲击能力较强，去除率近90%，出水效果较为理想，满足国家标准要求。

试验结果表明：载体生物膜工艺NH4+-N去除率随着溶解氧浓度升高而升高; 在溶解氧浓度约为3.5mg/L时，较为适合载体生物膜工艺去除微污染水的NH4+-N，处理后出水NH4+-N浓度均值为0.4mg/L<0.5mg/L，浓度范围为0.24～0.5mg/L，可满足《国家生活饮用水相关卫生标准》（GB5749-2006）要求。

3 结论

①载体生物膜工艺在不添加絮凝剂等化学药剂的情况下，提高溶解氧浓度可有效提升CODMn和NH4+-N的去除效果。②载体生物膜工艺在不添加絮凝剂、溶解氧浓度为3.5mg/L的情况下，出水CODm浓度均值为2.56mg/L小于3mg/L，出水NH4+-N浓度均值为0.4mg/L<0.5mg/L，出水水质满足《国家生活饮用水相关卫生标准》的相关要求。

参考文献

[1]孟伟.中国流域水环境污染综合防治战略[J].中国环境科学，2007，27（5）：712-716.

[2]陈越，宋梅 .微污染水源水处理技术研究进展 [J].辽宁化工，2008，37（2）：124-127.

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

[4]罗涛，朱正鸿.超滤工艺净化微污染原水的试验研究[J].环境科学与技术，2009，32（12）：71-74.

[5]田沙沙， 刘清华. 供水厂原水氨氮污染的处理方法[J]. 资源节约与环保， 2013（7）：172-172.

收稿日期：2019-04-30

作者简介：李俊义（1985-），男，汉族，本科学历，研究方向为环境工程。