O3-BAC工艺补炭后去除氨氮与亚硝酸盐氮的效果分析

陈妙兰

(东莞市水务集团供水有限公司，广东东莞523112)

随着水环境的日益恶化和水源污染问题的突出，以地表水为水源的水厂已无法以常规工艺应对微污染水源。为满足饮用水水质标准，臭氧-生物活性炭(O3-BAC)工艺得到广泛应用与研究。该工艺将臭氧的化学氧化作用、活性炭的物理化学吸附作用和微生物的生物降解作用有机结合、相互促进。从20世纪60年代以后，O3-BAC工艺逐渐被美国、加拿大、日本、 欧洲等发达国家和地区广泛地应用到微污染水的深度处理中。国内最早采用O3-BAC工艺的是1985年正式投产的北京田村山水厂。目前很多水厂的生物活性炭滤池已经运行多年，陆续出现炭滤料吸附值指标和强度下降的现象，活性炭滤料呈现不同程度的粉末化，正常反冲洗时出现炭粒磨损加重和破碎现象，炭粉增多，炭层厚度均有所下降。笔者通过向炭滤池组补充旧炭，研究对比补炭对炭滤池去除氨氮和亚硝酸盐氮的效果的影响。试验中的水厂是其所在地级市首家采用O3-BAC深度处理工艺的水厂，于2009年9月正式投产至今。

1 材料与方法

1.1 水厂概况

南方某水厂的设计规模为50×104m3/d，在常规处理工艺的基础上增加了O3-BAC工艺。活性炭滤池分为2座，即东西流向各1座，每座分6格，每排3格，每格活性炭滤池面积为158.2 m2，滤料上层采用颗粒活性炭(设计粒径为0.65～0.75 mm)，滤料初始装填厚度为2.3 m，下层采用粗砂(设计粒径为2～3 mm)，滤料初始装填厚度为0.3 m。预臭氧常规投加量为0.5 mg/L，主臭氧常规投加量为1.0 mg/L。该水厂水处理工艺流程如图1所示。

图1 水处理工艺流程Fig.1 Water treatment process

1.2 滤池补炭后的炭层厚度

截至2019年9月，活性炭滤池已运行10年，炭层厚度降低较多。2016年至2017年，对1号～5号炭滤池进行了补炭，6号～12号炭滤池未补炭，所补充的活性炭与炭滤池原有活性炭为同一批次，即初始装填活性炭滤池后剩下的未开封的袋装颗粒活性炭。西边炭滤池组包含1号～6号炭滤池，东边炭滤池组包含7号～12号炭滤池，2018年测得西边炭滤池组炭层总体平均厚度为2.03 m，东边炭滤池组炭层总体平均厚度为1.77 m，如表1所示。

表1 炭滤池炭层平均厚度Tab.1 Average thickness of carbon layer in carbon filter

1.3 试验材料与方法

2018年至2019年排涝期间，当砂滤后水氨氮大于0.02 mg/L时，分别取砂滤后水、炭滤后水检测氨氮、亚硝酸盐氮，取样频率为每4 h一次。砂滤后水指经过V型砂滤池处理后的集中出水，炭滤后水是指分别经过东边、西边炭滤池组处理后的集中出水。

按照《水杨酸盐分光光度法》(GB/T 5750.5—2006)检测氨氮，按照《重氮偶合风光光度法》(GB/T 5750.5—2006)检测氨氮，使用Shimadzu UV-2550可见紫外分光光度计检测亚硝酸盐氮。

2 结果与讨论

2.1 对氨氮的去除效果

补炭后的西边炭滤池组与未补炭的东边炭滤池组对氨氮去除的效果，如图2所示。取样时间分别为2018年8月31日14:00、18:00和22:00(1#、2#、3#)，2018年9月1日2:00和6:00(4#、5#)；2019年4月20日2:00、6:00和10:00(6#、7#、8#)。其中2018年深度处理综合池未投加臭氧，2019年3月26日恢复正常投加主臭氧，主臭氧有效投加量为1 mg/L。

图2 炭滤池组对氨氮的去除效果Fig.2 Removal effect of carbon filter groups on ammonia nitrogen

由图2可见，东、西边炭滤池组对氨氮的去除效果差别不大，这是因为生物活性炭滤池对氨氮的去除主要是依靠硝化菌的硝化作用，东西边炭滤池炭层厚度均大于硝化氨氮的最佳床层高度(300～900 mm)[1]，所以对氨氮的去除效果基本相同。硝化菌是自养型细菌，其从二氧化碳中获取碳源，从氧化无机物过程中获取能量，通常条件下生长速度很慢。而该水厂所处地区水源水的氨氮通常均较低，砂滤后水氨氮长期小于最低检测值0.02 mg/L，限制了活性炭滤池内硝化菌的生长繁殖和有效生物膜的形成，因此无法应对低浓度和突发性高浓度氨氮进水。但高浓度氨氮进水维持一段时间后，活性炭滤池对氨氮的去除效果会显著提高。

温度对硝化菌的生长增殖速率和代谢活性也有较大影响，一般认为硝化菌最适宜生长的温度在30 ℃左右，低于15 ℃时硝化速率显著下降[2]。2018年8月31日和9月1日，环境温度较高，硝化菌生长繁殖速率较快，因此两边炭滤池组对氨氮的处理效果均较好。而2019年4月20日是春季，刚经历了冬季硝化菌活性较低、生长繁殖速率较低的阶段，所以对氨氮的处理能力均较差。同时从2018年和2019年的数据可以看出，两组活性炭滤池去除氨氮的效果与深度处理工艺是否投加臭氧无关。

2.2 对亚硝酸盐氮的去除效果

补炭后的西边炭滤池组与未补炭的东边炭滤池组去除亚硝酸盐氮的效果，如图3所示。其中1#、2#、3#的取样时间分别是2018年8月31日14:00、18:00、22:00；4#为2018年9月1日2:00，期间深度处理综合池未投加臭氧。

图3 炭滤池组对亚硝酸盐氮的去除效果Fig.3 Removal effect of carbon filter groups on nitrite nitrogen

由图3可见，东、西边炭滤后水的亚硝酸盐氮浓度基本高于砂滤后水，东边炭滤池组出水亚硝酸盐氮浓度比西边炭滤池组稍低。生物活性炭滤池氮化循环分为硝化作用和反硝化作用，其中硝化作用分为氨氧化和亚硝酸氧化两个阶段，分别由亚硝酸菌先将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，硝酸菌再将亚硝酸盐氮氧化为硝酸盐氮[3]。由此可见，亚硝酸菌的氧化产物是后者的氧化底物。因此硝酸菌所去除的亚硝酸盐氮由两部分组成，分别是进水原有的亚硝酸盐氮及由氨氮转化而来的亚硝酸盐氮。

由图2和图3可见，砂滤后水中氨氮远大于亚硝酸盐氮，即由氨氮转化而来的亚硝酸盐氮所占比例更大。所以亚硝酸盐氮存在两种进水浓度，分别是表观进水浓度和实际进水浓度。对于一般微污染原水，亚硝酸菌比硝酸菌的生长速率大[4]。当进水亚硝酸盐氮含量比较低时，生物活性炭滤池中硝酸菌的生长代谢较慢、繁殖速率较低，而亚硝酸菌相对增殖更快、活性更高、代谢更旺盛，在此环境下硝酸菌在氮化生物循环过程中未能及时将亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮，即表观进水浓度比较低时会出现亚硝酸盐积累现象。Anthonisen等[5]认为游离氨对硝酸菌的抑制阈值为0.1～1.0 mg/L，对亚硝酸菌的抑制阈值为10～150 mg/L。

由图2和图3可见，当砂滤后水能检测出亚硝酸盐氮时，砂滤后水对应时间点的氨氮为0.21～0.99 mg/L。这说明对应时段硝酸菌的生长繁殖受到游离氨的抑制作用，而亚硝酸菌并未受影响，因此同样表现为亚硝酸盐氮积累。该水厂的生物活性炭滤池在建设时，已经按固定点设定恒定水位1.25 m来自动调节出水阀开度的大小。东边炭滤池组相对西边炭滤池组总体炭层高度要低，恒定水位情况下两组炭滤池的出水阀开度基本一致，而东边炭滤池组上方水量较多，水与滤料的接触时间相对更长，硝酸菌有更多的时间将亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮，因此东边炭滤池组出水亚硝酸盐氮比西边炭滤池组稍低。

3 结论与建议

① 补炭后的炭滤池组与未补炭的炭滤池组对氨氮的去除效果几乎没有区别，补炭的炭滤池组对亚硝酸盐氮的去除效果稍差，但区别不大，生物活性炭滤池对氨氮和亚硝酸盐氮的去除效果主要与硝化菌的生物量和生物活性、炭层厚度、接触时间等因素相关。因此，若只考虑对氨氮和亚硝酸盐氮的去除效果，那么经过多年运行的活性炭滤池只要厚度不低于1 m，就没有必要补充放置较长时间的颗粒活性炭。

② 考虑到活性炭滤池长期使用后出现大量粉化，滤料间粘度和阻力增大，水头损失增加，可能造成炭粉穿透承托层影响出水浊度的风险，并结合活性炭滤料的亚甲基蓝吸附值、碘吸附值、强度、粒径等各项性能指标大幅下降以及对有机物、消毒副产物的去除效果均有所下降的情况，为保障出水水质达标和活性炭滤池正常运行，应该考虑更换活性炭。

③ 可采用10～30 nm的孔容积作为长期运行活性炭滤池性能变化的指示指标[6]，当滤料粒径大于0.8 mm的比例小于37%、K80大于3.6时，会引

起活性炭滤池水头损失过高、产水量降低，存在运行失效风险。因此，需要长期监测活性炭滤池的活性炭结构特性、粒径分布、破碎化程度以及O3-BAC工艺对水质指标的去除效果等，综合判断是否需要更换活性炭。