改良滤料配置强化污水中氨氮的去除效果研究

王化刚

（安龙县龙广镇水利站,贵州 安龙 552403）

1 引言

随着氮素工业的发展,水体中氨氮（NH4+-N）污染物的富集不容忽视。NH4+-N 的超量排放给生态环境带来了十分严重的危害,是引起水体富营养化的主要原因[1]。目前,微生物处理法、吸附法和化学氧化法等被广泛应用于消除水中的NH4+-N 污染物。曹新等[2]采用活性污泥对聚丙烯纤维进行挂膜后处理NH4+-N 废水,当载体使用量为12 g/L、pH为8 时,NH4+-N 去除效率最高在84%以上,生物降解过程对NH4+-N 去除的贡献超过90%。王晓磊等[3]采用A/O 法处理浓度为6.5 mg/L~17.8 mg/L 的NH4+-N 废水,可将NH4+-N 排放质量浓度控制在1 mg/L 以下。

人工快渗（artificial rapid infiltration,ARI）系统是一类基于土壤渗滤系统升级后的新型废水处理技术,高效去除污水中的氨氮污染物是ARI 系统的关键任务。合理的滤料配置是改善ARI 系统NH4+-N 去除性能的关键,当滤料配置不合理时,将导致NH4+-N 去除效率低,进而影响ARI 系统最终的脱氮效果。目前传统ARI 系统多数选用天然河砂作为基础滤料,对污水中NH4+-N 的去除效果较差,探寻新的滤料配置方式对改善ARI 系统的NH4+-N 去除性能具有重要的现实意义。

因此,本研究将在筛选出具有良好NH4+-N 去除效果的滤料类型的基础上,将其与天然河砂通过不同配置方式填入ARI 系统内,考察不同滤料配置方式对NH4+-N 去除效果的影响。

2 材料与方法

2.1 优势滤料的筛选

选取火山岩、海绵铁和麦饭石作为待选滤料,洗干净后烘干备用。配置25 mg/L 的NH4+-N 溶液,调节pH 值为7.5,每100 mL 溶液中分别加入1 g 滤料,在25℃、180 r/min 的恒温振荡器中分别反应2 h、4 h、6 h、8 h、10 h。达到吸附时间后,移取溶液作离心处理后取上清液分析剩余NH4+-N 量,分别计算3 种滤料对NH4+-N 的去除率和吸附量,筛选出吸附性能最优的滤料。

2.2 实验装置及运行条件

构建4 个ARI 反应器,分别编号C1、C2、C3、C4,总高、内径分别设置为700 mm、44.6 mm。柱体自上而下依次设置为进水层（A,150 mm）、缓冲层（B,25 mm）、滤料层（C,500 mm）、承托层（D,25 mm）,底部设有排水口。B、D 层填充粒径为3 mm~8 mm 的碎石,C1 的C 层全部采用天然河砂（粒径0.2 mm~0.5 mm）填充,C2 的C 层组成为上层30%优选滤料+下层70%天然河砂,C3 的C 层组成为上层70%天然河砂+下层30%优选滤料,C4 的C 层采用70%天然河砂+30%优选滤料均匀混合而成,优选滤料粒径为1 mm~3 mm。实验在室温25℃左右开展,运行周期为1 天2 次,进水负荷控制在1 m/d,湿干比调控为1∶2。

2.3 实验用水及接种污泥

进水取自成都市某生活污水处理厂进水池,COD、NH4+-N、TN、TP 浓度分别为235.1 mg/L~251.2 mg/L、34.7 mg/L~37.5 mg/L、35.8 mg/L~41.5 mg/L、2.2 mg/L~3.9 mg/L,pH 为7.3~8.4。活性污泥经SBR 系统曝气反应2 周后,SV30 为42%,MLSS 约为4000 mg/L,污泥沉降性能良好,选取它作为ARI 系统的接种污泥。

2.4 分析方法

滤料表面结构特征采用ZEISS Gemini 300 扫描电镜（SEM）进行分析,其他水质指标参照《水和废水监测分析方法（第四版）》的要求进行分析。

3 结果与讨论

3.1 滤料表面结构特征

火山岩、海绵铁和麦饭石颗粒表面的SEM 分析结果见图1。由图1 可知,火山岩表面大部分区域相对较为平整,海绵铁表面的褶皱度开始增加,而与火山岩和海绵铁相比,麦饭石颗粒的表面更加坑洼不平,粗糙多孔,整体呈现出大量的微孔结构。粗糙的表面和丰富的孔隙结构为麦饭石提供了更多的吸附比表面和活性吸附点位,为提高其吸附性能提供了有利条件。

3.2 滤料对NH4+-N 的吸附效果

图2 反映了3 种滤料颗粒对水中NH4+-N 的吸附效果。从图2（a）可以看到,3 种滤料对NH4+-N 的去除率随着反应时间由2 h增加至10 h,呈现增大趋势,在吸附10 h后,火山岩、海绵铁和麦饭石颗粒对NH4+-N 的去除率分别为33.99%、23.03%、49.34%,投加麦饭石最有利于NH4+-N 去除率的提高。从图2（b）可以看到,火山岩、海绵铁和麦饭石颗粒在吸附10 h 后,NH4+-N 吸附量分别达到0.857 mg/g、0.581 mg/g、1.244 mg/g,可见单位质量的麦饭石对NH4+-N 的吸附效果最佳。由此可见,麦饭石对NH4+-N 的吸附效果明显优于其他2种滤料颗粒,这可能与其较大的比表面积和丰富的孔隙结构有关,故选择它作为后续实验的优势滤料。

3.3 滤料配置优化

3.3.1 单一天然河砂滤料

C1 系统对污水中NH4+-N 的去除情况见图3。由图3 可知,进水初期C1 拥有较高的NH4+-N 去除效果,去除率达到了98%左右,之后NH4+-N 的去除率逐渐下降,但C1 运行到15 d后NH4+-N 去除率不再继续下降而是逐渐回升,运行至53 d后NH4+-N 的去除率变化幅度较小,说明C1 已经进入稳定运行期,该阶段NH4+-N 的平均去除率为70.96%。NH4+-N 在开始阶段主要通过滤料的吸附效能而去除,该阶段的滤料颗粒表面孔隙丰富,去污效果较好,然而吸附点位有限,吸附趋于饱和后NH4+-N 的去除效果明显变差。在15 d 的时候NH4+-N去除效果开始回升,说明滤料颗粒表面的微生物开始发挥重要作用,并逐渐生成较为稳固的生物膜,该阶段NH4+-N 的去除通过滤料吸附和功能菌转化共同来完成。

图3 C1 系统的启动与稳定运行

3.3.2 上层30%麦饭石+下层70%天然河砂

图4 反映了C2 反应器的启动与稳定运行情况。由图4可见,初期阶段,NH4+-N 去除率变化规律与单一河砂滤料时较为一致,处于较高水平,之后NH4+-N 的去除率慢慢下降,到13 d 的时候,氨氮去除率开始逐步回升,直到47 d 后又基本趋于稳定,去除率达到75.73%。C2 从启动到稳定运行总耗时为47 d。稳定运行时,NH4+-N 的平均出水浓度和去除率分别为8.48 mg/L 和76.41%,相比C1,前者降低了1.92 mg/L,后者提高了5.45%。由此可见,填充麦饭石后,对污水中的NH4

图4 C2 系统的启动与稳定运行

+-N 去除具有一定的提升效应,麦饭石对NH4+-N 良好的吸附性能在该过程中发挥了重要作用。

3.3.3 上层70%天然河砂+下层30%麦饭石

C3 反应器启动和稳定运行期间的NH4+-N 去除情况见图5。由图5 可知,NH4+-N 去除率同样呈现出先降低后升高再趋向平缓的走向,NH4+-N 去除率从运行第15 d 起开始逐渐回升,运行到第50 d 后去除效果开始趋于稳定,因此,C3 反应器从启动到稳定运行总耗时为50 d。稳定运行时,NH4+-N 的平均出水浓度和去除率分别为10.08 mg/L 和72.13%,相比C1反应器的NH4+-N 去除性能有所提升,但是NH4+-N 的平均出水浓度比C2 增加了1.6 mg/L,平均去除率下降了4.28%,可见不同的滤料组合方式对NH4+-N 去除效果有明显影响。

图5 C3 系统的启动与稳定运行

分析认为,这是由于C1 系统仅选用天然河砂作为滤料,类型相对单一,而C2、C3 系统的滤料层内增加了与天然河砂粒径不同的麦饭石,一方面提高了对NH4+-N 污染物的吸附能力,另一方面适宜的颗粒级配为ARI 系统提供了更优的污染物截留能力,能促使形成更加稳定的生物膜,因而去污效率更高。C2 系统的启动效率和NH4+-N 去除率要优于C3系统,其主要原因为麦饭石和天然河砂作为滤料填充的位置不同,麦饭石的孔隙率和粗糙程度要远大于天然河砂,C2系统上层为30%的麦饭石,上层因为麦饭石的粗糙程度较大,则在上层表面有更充裕的溶解氧浓度,而C3 系统上层为70%的天然河砂,天然河砂表面没有麦饭石粗糙,所以C3 系统上层的复氧效果相对较差。NH4+-N 的氧化需要充足的溶解氧,为好氧微生物提供有利环境,C2 系统的复氧效果优于C3,因而更有利于NH4

+-N 氧化,启动效率也有所提高。

3.3.4 混合滤料

C4 系统的NH4+-N 去除情况见图6。从图6 可以看到,NH4

图6 C4 系统的启动与稳定运行

+-N 在运行初期的去除率较高,达到了99%左右,之后NH4

+-N 去除率逐渐下降,运行到12 d~29 d 时NH4+-N 的去除率逐渐回升然后趋于稳定,C4 从启动到稳定运行总耗时为29 d。进入稳定运行阶段,NH4+-N 的平均出水浓度和去除率分别为6.62 mg/L 和81.65%。从启动耗时来看,C4 系统比C1、C2、C3 系统分别缩短了24 d、18 d、21 d。从脱氮效果来看,C4 在稳定阶段的NH4+-N 平均去除率比C1、C2、C3分别提高了10.69%、5.24%、9.52%。由此可见,将30%麦饭石和70%天然河砂混匀后作为滤料能获得最高的启动效率和最优的NH4+-N 去除效果。

采用70%天然河砂和30%麦饭石混合填料的C4 反应器之所以具有相对最优的NH4+-N 去除性能,是因为麦饭石和天然河砂混合后,滤料层所有滤料颗粒之间的孔隙度相对较为适宜,复氧效果好,同时具有良好的NH4+-N 吸附和截留能力,可加速生物膜在滤料颗粒表面的生长和成熟,从而为NH4+-N 的转化提供良好的微生物基础,使之具备最优的NH4+-N 转化条件,实现滤料配置的最优化。

4 结论

针对水中NH4+-N 污染物处理难的问题,采用ARI 系统作为污水处理反应器,对其滤料配置进行优化,探讨不同滤料配置下的NH4+-N 去除性能,得到如下结论：

（1）相比火山岩和海绵铁,麦饭石颗粒表面更加粗糙不平、孔隙率更丰富,具有更多的吸附表面和活性吸附点位,为提高其NH4+-N 吸附性能提供了有利条件。

（2）麦饭石颗粒对NH4+-N 的去除率和吸附量最高,分别为49.34%和1.244 mg/g,火山岩对NH4+-N 的吸附性能次之,去除率和吸附量分别为33.99%和0.857 mg/g,海绵铁对NH4+-N的去除率和吸附量相对最低,分别仅为23.03%、0.581 mg/g,因而选择麦饭石作为优势滤料。

（3）采用70%天然河砂和30%麦饭石混合均匀作为滤料层的ARI 系统具有最优的NH4+-N 去除性能,启动耗时仅需29 d,稳定运行期间NH4+-N 的平均去除率可达81.65%。后续将通过运行条件的优化,进一步提高ARI 系统对NH4+-N的去除性能,以发挥滤料配置优化的最大作用。