徐國勛，謝海英，陶紅
(上海理工大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，上海200093)

　　摘　要：利用常規(guī)給水處理工藝中沉淀池產(chǎn)生的污泥作為微生物的載體，進(jìn)行了去除氨氮的中試研究，并詳細(xì)介紹了硝化菌培養(yǎng)、可靠性試驗(yàn)和對(duì)比試驗(yàn)。在預(yù)曝氣池水力停留時(shí)間為2～3h、再生池水力停留時(shí)間為0.1～0.3 h、再生池污泥的SS＞10g/L、預(yù)曝氣池中的SS＞1.5g/L時(shí)，氨氮的去除率可達(dá)70%～85%。
　　關(guān)鍵詞：給水處理；氨氮；硝化反應(yīng)；微生物載體
　　中圖分類號(hào)：TU991.22
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2001)12-0073-04

　　我國河流有機(jī)污染普遍，主要湖泊富營養(yǎng)化嚴(yán)重，其中典型水域仍以氨氮和有機(jī)污染為主。以浙江省杭嘉湖平原為例，由于農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活污水的污染使河網(wǎng)地區(qū)地表水的氨氮普遍超標(biāo)，嚴(yán)重影響城市自來水的水質(zhì)。針對(duì)微污染源水，目前主要處理方法有生物氧化、臭氧氧化、二氧化氯氧化、活性炭吸附、高錳酸鉀氧化和膜處理等［1、2］。
　　充分利用常規(guī)凈水工藝，提高其去除氨氮的能力是此次試驗(yàn)的主要目的。利用沉淀污泥的循環(huán)來實(shí)現(xiàn)氨氮的轉(zhuǎn)化過程，不需要接觸氧化池的軟性填料和生物濾池的陶料，從而減少基建投資和運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)運(yùn)行管理也將產(chǎn)生有益的作用［3］。

1　工藝流程和試驗(yàn)裝置

1.1工藝流程
　　試驗(yàn)地點(diǎn)在杭嘉湖平原某城市的自來水廠工地，工藝流程和裝置選擇充分遵守該凈水廠的設(shè)計(jì)選型和設(shè)計(jì)參數(shù)，中試的工藝流程如圖1所示。

1.2試驗(yàn)裝置
　　中試裝置由構(gòu)筑物、設(shè)備及連接管道、閥門等組成，試驗(yàn)裝置的平面布置見圖2。構(gòu)筑物由鋼板焊接而成，試驗(yàn)規(guī)模為5m³/h，構(gòu)筑物的主要參數(shù)見表1。

表1　構(gòu)筑物的主要參數(shù) 名稱 外形尺寸 有效容積(m³) 停留時(shí)間(min) 預(yù)曝氣池 1 800 mm×1 000 mm×3 200mm 5.00 60 機(jī)械反應(yīng)池 750 mm×1 000 mm×1 700mm 1.12 13 平流沉淀池 4 300 mm×800 mm×3 200mm 9.631 16 均質(zhì)濾料濾池 800 mm×1 000 mm×320mm 2.08 　 集水井 750 mm×1 000 mm×1 000mm 0.75 9 清水池 950 mm×1 000 mm×3 200mm 2.94 35 再生池 1 800 mm×1 400mm 3.05 36 絮凝劑溶解池 1 000 mm×1 200mm 0.78 　 注：濾池的過濾面積為0.8m²，濾速為7m/h。

　　預(yù)曝氣池和濾池反沖洗所需的壓縮空氣均由空氣壓縮機(jī)提供。在再生池和預(yù)曝氣池底部放置12個(gè)可變微孔曝氣器，在預(yù)曝氣池和反應(yīng)池內(nèi)各放置2臺(tái)變頻攪拌器，在再生池和絮凝劑溶解池中各放置1臺(tái)變頻攪拌器。
1.3水質(zhì)化驗(yàn)項(xiàng)目和方法
　　試驗(yàn)需要的水質(zhì)化驗(yàn)項(xiàng)目和采用的分析方法見表2。試驗(yàn)采用的絮凝劑前期是3%～5%的硫酸鋁溶液，后期是1.7%的聚合氯化鋁溶液。

表2　化驗(yàn)項(xiàng)目和分析方法 化驗(yàn)項(xiàng)目 分析方法 濁度 散射光法 色度 鉑-鈷標(biāo)準(zhǔn)比色法 TKN 汞催化礦化法 NH₃-N 鈉氏試劑光度法 NO₃-N 酚二磺酸光度法 NO₂-N N-(1-萘基)-乙二胺光度法 CODMn 酸性法 pH值 玻璃電極法 堿度 酸堿指示劑滴定法 余氯 鄰聯(lián)甲苯胺比色法 溫度 溫度計(jì) DO 碘量法 SS 重量法

2　試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1　源水水質(zhì)
　　表3列出了試驗(yàn)期間(4月—6月)源水的水質(zhì)情況。氨氮濃度通常為3～6mg/L，最高可達(dá)7～8mg/L。氨氮濃度和氣溫明顯相關(guān)，4月份最低，氣溫升高氨氮濃度也相應(yīng)升高，到6月份居高不下。其他反映有機(jī)污染物的指標(biāo)，例如CODMn偏高常在7～10mg/L范圍內(nèi)，略高于地面水環(huán)境Ⅲ類質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(規(guī)定為6mg/L)。

表3　試驗(yàn)期間源水水質(zhì)情況 項(xiàng)目 檢測值 濁度(NTU) 8.2～180 色度(倍) 27～50 水溫(℃) 16.4～30.0 pH值 7.10～8.06 堿度(mg/L) 103～150 TKN(mg/L) 4.42～12.83 NH₃-N(mg/L) 2.77～8.46 NO₃-N(mg/L) 0.036～0.796 NO₂-N(mg/L) 0.032～0.233 CODMn(mg/L) 4.22～14.64 DO(mg/L) 1.5～4.0

2.2　常規(guī)凈水工藝試驗(yàn)
　　首先進(jìn)行的是常規(guī)凈水工藝試驗(yàn)，考察在設(shè)計(jì)流量下是否具有良好的凈水效果；通過源水、沉淀出水、最終出水水質(zhì)的檢測，了解常規(guī)凈水工藝的去除能力。
　　試驗(yàn)表明，沉淀出水水質(zhì)同絮凝劑投量有關(guān)，適宜投藥量下的出水水質(zhì)還是不錯(cuò)的。中試裝置能滿足試驗(yàn)的要求，而含氮化合物(無論是NH₃-N、NO₃-N還是NO₂-N)基本沒有明顯的變化，有時(shí)略有下降，這表明依靠常規(guī)凈水工藝難以去除氨氮。
2.3　硝化菌培養(yǎng)試驗(yàn)
　　采取下列措施進(jìn)行硝化菌的培養(yǎng)：　
　?、傧蛟偕睾皖A(yù)曝氣池各投加附近河道淤泥(質(zhì)量為200kg)；
　?、趯⒃偕睾皖A(yù)曝氣池的連接管道進(jìn)行改造，形成水流在再生池—預(yù)曝氣池—再生池內(nèi)的小循環(huán)；
　　③再生池及預(yù)曝氣池24 h連續(xù)曝氣。
　　整個(gè)中試裝置停止運(yùn)行，水流只是在再生池和預(yù)曝氣池之間循環(huán)流動(dòng)，重點(diǎn)考察水中pH值、堿度和含氮化合物發(fā)生的變化。
　　投加河泥后24h測定，NH₃-N濃度明顯下降，NO₃-N、NO₂-N濃度明顯升高，pH值、堿度明顯下降。NH₃-N濃度已下降1.5mg/L，NO₃-N濃度上升0.8mg/L，NO₂-N濃度上升0.04mg/L。隨著時(shí)間的推移這種趨勢(shì)繼續(xù)發(fā)展，48h后NH₃-N濃度從3.6mg/L下降到0.62mg/L，可以認(rèn)為已具有明顯的去除氨氮的效果。
　　從試驗(yàn)中可以看出，除氮過程是典型的生物硝化反應(yīng)，即pH值下降、堿度下降、NH₃-N濃度下降、而NO3-N和NO₂-N濃度上升。從培養(yǎng)速度看是相當(dāng)快的，只需48h就使NH₃-N濃度降到1mg/L以下。這與生物陶料濾池和生物接觸氧化池需要10～30d的培養(yǎng)期相比，可以說占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。
2.4　啟動(dòng)期試驗(yàn)
　　考慮到從靜態(tài)轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)運(yùn)行應(yīng)該有個(gè)過程，在動(dòng)態(tài)運(yùn)行中硝化菌也有個(gè)增殖和減少的矛盾，故應(yīng)保證隨著流量增加，使硝化菌的數(shù)量也得到增加，為此設(shè)立了啟動(dòng)期試驗(yàn)，一方面將再生池和預(yù)曝氣池的靜態(tài)運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€(gè)裝置的動(dòng)態(tài)運(yùn)行，另一方面將進(jìn)水流量從1m³/h逐漸增加到5.0m³/h。
　　試驗(yàn)進(jìn)水和出水相比，NH3-N濃度降低，進(jìn)水平均值為3.97mg/L，出水平均值為2.00mg/L，其去除率為49.6%。這表明在動(dòng)態(tài)條件下，仍能保持NH3-N的去除勢(shì)頭，意味著硝化菌在運(yùn)行過程中能保持一定的數(shù)量。

3　可靠性試驗(yàn)

　　可靠性試驗(yàn)共進(jìn)行了16d，24h連續(xù)運(yùn)行，進(jìn)水流量為4.5m³/h，反應(yīng)池的聚合氯化鋁投量為15mg/L。再生池、預(yù)曝氣池中的攪拌器停用，再生池循環(huán)水量為0.57～0.70m³/h，再生池用氣量為3.5～6.0m³/h，預(yù)曝氣池用氣量為1.5～3.0m³/h。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)源水濁度為71～145NTU時(shí)，沉淀出水平均濁度為6.3NTU，最終出水水質(zhì)良好，平均值為0.77NTU。與此同時(shí)，各個(gè)階段氨氮的日平均變化曲線見圖3。試驗(yàn)期間水溫在23～29℃，氨氮平均去除率為59.8%，最高去除率為66.9%，最低為49.1%，這表明去除氨氮的效果是穩(wěn)定可靠的。

4　對(duì)比試驗(yàn)

　　試驗(yàn)分成二組，第一組為預(yù)曝氣池停留時(shí)間的對(duì)比，第二組為再生池停留時(shí)間的對(duì)比，主要試驗(yàn)條件見表4。絮凝劑投加量仍是15mg/L。

表4　對(duì)比試驗(yàn)的控制條件 源水流量(m³/h) 預(yù)曝池停留時(shí)間(h) 再生池停留時(shí)間(h) 污泥循環(huán)流量(m³/h) 用氣量(m³/h) 預(yù)曝氣池再生池 2.5 2.0 5(1.0) 0.5 1.5～3.0 3.5～6.0 3.5 1.4 5(0.7) 0.5 1.5～3.0 3.5～6.0 5.0 1.0 5(0.5) 0.5 1.5～3.0 3.5～6.0 6.0 0.83 5(0.5) 0.5 1.5～3.0 3.5～6.0 2.5 2.0 0 0.5 4.0～6.0 3.5～6.0 5.0 1.0 3(0.3) 0.5 2.0～4.0 4.0～6.0 注：再生池停留時(shí)間括號(hào)前相當(dāng)于污泥循環(huán)流量的停留時(shí)間，括號(hào)內(nèi)相當(dāng)于進(jìn)水流量的停留時(shí)間。

　　預(yù)曝氣池停留時(shí)間對(duì)處理效果的影響見表5，再生池停留時(shí)間對(duì)處理效果的影響見表6。從表5、6中可知，停留時(shí)間對(duì)氨氮的去除率影響最大，停留時(shí)間越長，出水氨氮越低，去除率越高。

表5　預(yù)曝氣池停留時(shí)間對(duì)處理效果的影響

表 停留時(shí)間(h) 出水平均值 NH₃-N去除率(%) NH₃-N下降總量(g/h) 預(yù)曝氣池 再生池 濁度(NTU) NH₃-N(mg/L) NO₂-N(mg/L) 2.0 1.0 0.57 0.80 0.037 84.9 11.25 1.4 0.7 0.44 1.38 0.246 73.7 13.57 1.1 0.6 0.82 1.94 0.253 59.8 13.03 1.0 0.5 0.44 2.21 0.137 55.3 13.63 0.8 0.5 0.50 2.63 0.100 51.5 13.98 注：NH₃-N下降總量=處理水量(m³/h)×NH₃-N下降值(g/m³)。

表6　再生池停留時(shí)間對(duì)處理效果的影響 進(jìn)水流量(m³/h) 再生池停留時(shí)間(h) 濁度(NTU) NH₃-N 源水 出水 源水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 下降總量(g/h) 2.5 5(1.0) 123 0.57 5.30 0.80 84.9 11.25 2.5 0 87 0.97 6.95 2.80 59.7 10.38 5.0 5(0.5) 120 0.44 4.94 2.21 55.3 13.63 5.0 3(0.3) 53 0.60 5.59 2.55 54.4 15.20 5.0 0 82 1.60 5.24 2.58 50.8 13.30

5 污泥濃度的影響

　　再生池的污泥來自沉淀池底部，沉淀污泥來自反應(yīng)池中生成的絮凝體，它由兩部分組成：一是水中懸浮物的固體顆粒，二是投加的絮凝劑。按可靠性試驗(yàn)的條件來計(jì)算，沉淀污泥中由濁度帶來的懸浮顆粒大約占86.6%，而絮凝劑大約占13.2%，擔(dān)任微生物載體主要是水中的懸浮物，它同人造載體不同與微生物有著天然的密切聯(lián)系，也就是說在沉淀污泥中生長著大量的微生物，包括去除氨氮需要的硝化菌。
用循環(huán)的再生污泥來替代接觸氧化池中的填料，顯然污泥的濃度成為至關(guān)重要的因素。直接測定硝化菌的濃度比較困難，可通過間接測定再生池的污泥濃度和預(yù)曝氣池出水的懸浮固體來考察載體的多少。圖4反映可靠性試驗(yàn)時(shí)SS同預(yù)曝氣池氨氮下降量的關(guān)系。當(dāng)再生池排除的污泥濃度高時(shí)，預(yù)曝氣池出水的懸浮固體濃度就高，而此時(shí)預(yù)曝氣池氨氮的下降值就大。試驗(yàn)表明，要想達(dá)到較高的除氨氮效果，應(yīng)使再生池排放的污泥濃度＞10 g/L，預(yù)曝氣池內(nèi)水的懸浮固體濃度＞1.5 g/L。

6　結(jié)論

　?、儆贸恋砦勰嘌h(huán)來替代生物接觸氧化池中的填料，以此為基礎(chǔ)建立的處理微污染水中氨 氮的工藝是可行的，具有接種容易、啟動(dòng)快的特點(diǎn)，能適應(yīng)常規(guī)的凈水工藝，并且管理簡單 、運(yùn)行可靠。
　?、谕扑]的主要工藝參數(shù)：
　　a.在常規(guī)凈水工藝反應(yīng)池前設(shè)置預(yù)曝氣池，水力停留時(shí)間為2～3 h，若采用微孔曝氣，氣水 比為(0.5～1)∶1。
　　b.在沉淀池排泥口和預(yù)曝氣池之間設(shè)置污泥再生池，進(jìn)行流量和濃度的調(diào)節(jié)，提高污泥的溶 解氧濃度，降低氨氮濃度。以進(jìn)水流量計(jì)則水力停留時(shí)間為0.1～0.3 h，循環(huán)流量為進(jìn)水流量的1/10～1/5，采用微孔曝氣的氣水比為(0.1～0. 2)∶1。
　　c.應(yīng)使再生池污泥懸浮固體濃度＞10 g/L，預(yù)曝氣池內(nèi)水的懸浮固體濃度＞1.5 g/L。
　　③在上述工藝條件下，當(dāng)源水氨氮濃度＜5 mg/L時(shí)，出水氨氮濃度可以達(dá)到0.5～1.5 mg/ L，去除率可達(dá)70%～85%，亞硝酸鹽氮濃度＜0.1 mg/L，能明顯提高水質(zhì)。
　　2000年根據(jù)中試成果建設(shè)的規(guī)模為5×10⁴m³/d的源水預(yù)處理工程投入了生產(chǎn)運(yùn)行，取 得了同樣的去除氨氮的效果。

參考文獻(xiàn)：

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　　收稿日期：2001-07-26