多级滤池工艺去除地下水硝酸盐的效能与安全性

2022-08-10赵汗青刘永泽张立秋

净水技术 2022年8期

关键词：滤料滤池硝酸盐

赵汗青，刘永泽,*，朱琳，张立秋，封莉

(1.北京林业大学环境科学与工程学院，北京 100083；2.中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

1 试验部分

1.1 试验水质

针对辽宁省某县农村地区地下水硝酸盐严重超标的问题，对该地区地下水进行随机取样调查，各水质指标如表1所示。

表1 辽宁省某县农村地区地下水水质指标调查Tab.1 Investigation on Groundwater Quality Indices in Rural Areas of Liaoning Province

1.2 试验设计与运行

试验中反硝化生物滤料与曝气生物滤料均取自再生水厂成熟滤料，滤料本底为陶粒，触感光滑，表面已形成一层生物膜，其厚度约为1～3 mm。试验启动期，将质量浓度为240 mg/L的蔗糖(CODCr约为270 mg/L)作为营养物质加入试验原水中，利用蠕动泵将试验原水以80 mL/h的设计流速连续供入试验装置，不间断连续运行21 d以增加生物滤池滤料上的生物量。运行期间温度保持在25 ℃，反硝化滤池保持厌氧条件，其DO质量浓度小于1 mg/L，曝气生物滤池保持好氧条件，维持其DO质量浓度在9 mg/L。

经21 d的连续运行后，肉眼可见反硝化滤池内生成了淡黄色的生物膜，并且清水区内产生了大量气泡；曝气生物滤池内生成了咖啡色生物膜。二者滤料上生物膜厚度分别约为1.8～3.2、1.6～3.0 mm。在两个滤池内各取3个平行样进行16S rRNA高通量测序[9]，测得反硝化滤池与曝气生物滤池滤料上微生物群落组成如图1 所示。由图1(a)可知，反硝化滤池中的优势菌群为变形菌门(Proteobacteria，占66.8%)与放线菌门(Actinobacteria，占15.6%)，它们大都为兼性异养型微生物，具有利用有机物还原硝酸盐的能力[10]。由图1(b)可知，曝气生物滤池中的优势菌群为变形菌门(Proteobacteria，占38.6%)、拟杆菌门(Bacteroidetes，占20.8%)与厚壁菌门(Firmicutes，占19.6%)，它们都具有降解COD去除有机物的作用[11]。

图1 微生物群落组成Fig.1 Composition of Microbial Communities

1.3 试验工艺与装置

图2 多级滤池试验装置图Fig.2 Diagram of Multistage Filtration Test Device

试验装置各功能参数如下。

曝气生物滤池：主要用于去除水中剩余碳源，在好氧条件下运行，供气量约90 mg/h，保证其中DO质量浓度大于9 mg/L；滤料同样选择生物陶粒；设计HRT为2.5～7.5 h(跟随进水量大小变化)，每3 d反冲洗一次，每次5 min，水洗强度为10 L/(m2·s)。

两级砂滤池：主要用于截留上两级生物滤池中可能泄露的微生物以及降低最终出水的浑浊度；设计空床接触时间一级砂滤池为9.0～26.0 h，二级砂滤池为9.2～28.0 h，均跟随进水量大小变化，并且二者均为每3 d反冲洗一次，每次5 min，水洗强度为10 L/(m2·s)。

活性炭滤池：用于去除反硝化滤池与曝气生物滤池中无法完全去除的硝酸盐与有机物，吸附水中有毒有害物质，并充分降低出水浑浊度;设计空床接触时间为17.5～52.5 h(跟随进水量大小变化)，每3 d反冲洗一次，每次5 min，水洗强度为6 L/(m2·s)。

1.4 检测方法

2 结果与讨论

2.1 不同影响因素对硝酸盐去除效能的影响

2.1.1 温度对硝酸盐去除效能的影响

试验条件：进水质量浓度为60.00 mg/L、C/N(质量比)为3∶1、反硝化HRT为2.0 h图3 温度对多级滤池出水中和CODCr浓度的影响Fig.3 Effect of Temperature on Concentrations of and CODCr in Multistage Filtration Process

试验条件：温度为25～30 ℃、C/N(质量比)为3∶1、反硝化HRT为2.0 h图4 进水浓度对多级滤池工艺出水和CODCr的影响Fig.4 Effect of Initial Concentration on Removal of and CODCr in Multistage Filtration Process

2.1.3 C/N(质量比)对硝酸盐去除效能的影响

试验条件：进水质量浓度为90.00 mg/L、温度为25～30 ℃、反硝化HRT为4.0 h图5 C/N(质量比)对多级滤池工艺中和CODCr的影响Fig.5 Effect of C/N (Mass Ratio) on Removal of and CODCr in Multistage Filtration Process

2.1.4 HRT对硝酸盐去除效能的影响

试验条件：进水质量浓度为90.00 mg/L、温度为25～30 ℃、C/N(质量比)为4∶1图6 HRT对多级滤池工艺中和CODCr的影响Fig.6 Effect of HRT on Removal of and CODCr in Multistage Filtration Process

2.2 多级滤池工艺处理地下水硝酸盐的安全性分析

注：Ⅰ～Ⅳ分别为一级砂滤池出水、二级砂滤池出水、活性炭滤池出水与最终消毒后出水中的细菌菌落总数图7 滤池出水菌落数量Fig.7 Colonies Number in Multistage Filtration Process

2.3 药剂成本

表2 饮用水处理硝酸盐工艺成本比较Tab.2 Cost Comparison of Different Treatment Processes for Nitrate Nemoval

2.4 问题与展望

值得注意的是，虽然多级滤池工艺的药剂成本并不高昂，但目前的试验结论仅处于初步研究阶段，研究结果均由实验室小试获得。试验装置受限于规模较小、滤池滤料层厚度较低、以及过滤的过程中存在短流现象，导致两级砂滤池与活性炭滤池对微生物的截留效果不佳与反冲洗频繁等问题，因此，目前所得的两级砂滤池与活性炭滤池的HRT与实际工程存在较大差距。为更好地优化多级滤池工艺去除地下水硝酸盐，未来需要进行中试及工程示范研究，进一步优化各滤池的HRT与反冲洗周期等工艺参数，并降低多级滤池工艺的运行与制水成本。