摘 要：在中试试验条件下，研究了纯氧曝气和活性无烟煤滤池联用对氨氮的去除效果。结果表明，待滤水氨氮从0.8-1.0mg/L突然升至约1.7mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L时，只要保证硝化反应所需的溶解氧浓度，采用活性无烟煤滤池过滤可满足氨氮突然升高的生物量要求，在0.5-1h内即可有效去除氨氮，运行12h时滤后水氨氮分别降至0.05mg/L、0.08mg/L、0.21mg/L；待滤水氨氮2.8-3.3mg/L、溶解氧13.7-14.0mg/L的条件下持续运行10天，运行24h之后，滤后水基本无亚硝酸盐氮积累，滤后水氨氮基本稳定在0.04-0.08mg/L；采用微纳米曝气板进行纯氧曝气，去除氨氮2.5-3.0mg/L，所增加运行成本为0.017-0.021元/吨水，就运行成本而言，适用于水厂应对季节性、突发性氨氮污染。

      关键词：纯氧曝气；活性无烟煤滤池；氨氮；溶解氧；生物量

       氨氮是目前微污染水源中较为普遍的一类污染物，季节性、突发性氨氮污染是影响水厂工艺运行的主要因素之一。饮用水中氨氮升高易造成亚硝酸盐氮积累，对人体健康有较大危害，因此，国家《生活饮用水卫生标准》对饮用水氨氮浓度进行了严格限制（小于0.5mg/L）。水源水中氨氮升高还会导致水厂的耗氯量加大、生成氯化氰消毒副产物等问题[1]。

       饮用水源水中氨氮可通过生物预处理、过滤阶段的滤池作用去除。但生物预处理需要增设构筑物及设备，且占地面积较大，不利于现有水厂的工艺改造，因此强化过滤阶段的氨氮去除效果，是更有效和简便的途径。

       滤池中氨氮的去除依赖于滤层中微生物的硝化反应，滤层需同时满足硝化反应所需的溶解氧和生物量这两个要素，氨氮才能得以有效去除。

       降解氨氮的微生物为专性好氧菌，对于溶解氧这一要素，理论上来讲，降解1mg/L的氨氮需要消耗4.57mg/L的溶解氧，因此应对高氨氮污染水源水时，需要适当提高水中溶解氧，以满足硝化反应的需要。

       水厂常规的普通砂滤池经挂膜可成为生物砂滤池，但砂粒平整、光滑的表面结构使其挂膜不稳定，对各种不利环境的适应性较差[2]。以往试验研究[3]和水厂运行实践表明，砂滤池仅能应对1mg/L左右的氨氮去除，当进水氨氮浓度进一步增大时，即使提供充足的水中溶解氧，砂滤池也无法提供足够的生物量以有效去除氨氮。活性无烟煤是普通无烟煤经活化制成的一种新型滤料，具有较高的机械强度，也具有与活性炭相似的多孔结构，有利于微生物附着与生长。本研究在中试试验条件下，探讨纯氧曝气和活性无烟煤滤池联用对氨氮的去除效果，为水厂的工艺改造提供参考。

       1 试验装置与方法

       1.1 工艺流程

       本试验研究的工艺流程如图1所示。

 

图1 工艺流程

Fig.1 The process flow

       原水泵有两个，一个为河水泵，另一个为污水泵，通过调节河水泵和污水泵的流量比以配制不同污染浓度的试验原水。流程的实际流量为5m3/h。活性无烟煤滤池滤料粒径0.8～2.0mm，滤料的碘吸附值约为800mg/g，滤层厚度1m，底部承托层采用粒径 2～4mm 粗砂，厚度100mm。滤池有效尺寸为0.8×0.8×3.5m（L×B×H），采用等速过滤，滤速为8m/h，过滤面积为0.625m2，常规反冲洗周期为48h。

       1.2 试验方法

       1.2.1 纯氧曝气

       本研究中，当待滤水溶解氧无法满足氨氮去除的溶解氧要求时，即启动纯氧曝气装置。采用液氧罐（满载气量约210kg）作为纯氧供给，将两块微纳米陶瓷曝气板置于沉淀池水深1.5m处，曝气板单块规格为460mm×113mm（L×B），总曝气面积为0.038 m2，调节纯氧曝气流量以获取所需的待滤水溶解氧条件。

       1.2.2 突发性氨氮升高的去除试验

       由于近年来国内供水水源突发性污染事故较多，为建立突发性氨氮升高的应对方法，开展了突发性氨氮升高的污染去除试验。试验原水按给水常规工艺流程流经混凝沉淀-过滤工艺，所用混凝剂为聚合氯化铝，其投加量为1.2-2.4mg/L（以Al2O3计）。

       以河水为试验原水运行工艺流程，直至滤池挂膜情况良好稳定。调节原水泵和污水泵的流量比以配制所需浓度的试验原水，以模拟氨氮突发性升高的状况。待滤水氨氮浓度突然升高时开始计运行时间。一组试验完成后即对滤池进行反冲洗，并停掉污水泵，以河水为试验原水运行数天后再进行下一组试验。

       1.2.3 高氨氮浓度持续运行试验

       试验期间，原水的氨氮浓度在2.8-3.3mg/L，持续运行10d。聚合氯化铝投加量为2.4mg/L（以Al2O3计）。

       1.2.4 水质监测

       采用在线水质仪表实时监控和人工监测相结合的方式进行水质监测。

       

       2 结果与讨论

       2.1 滤池挂膜情况分析

       试验期间，河水氨氮较稳定，在0.8-1.0mg/L。在以河水为试验原水的条件下运行工艺流程，定时监测滤池挂膜情况（仅针对硝化反应而言，下同），直至滤池滤后水水质稳定，稳定后水样检测结果见表1。

表1 滤池挂膜情况

Tab.1 Biofilm condition of the filter

       表1中，河水的溶解氧为7.41mg/L，由于本流程在沉淀池出水处和滤池进水处各有一次跌水，经两次跌水后待滤水的溶解氧有一定程度的提高，提高幅度约1.5mg/L。去除0.86mg/L氨氮需要消耗溶解氧的理论值为3.93mg/L，待滤水溶解氧能满足氨氮去除的溶解氧要求，而滤池的生物量亦能满足此时氨氮去除的生物量要求。由于滤池挂膜情况良好，接下来开始开展氨氮去除试验。       

    由表1可知，此时滤池挂膜情况良好，有较充分的硝化反应。滤池无亚硝酸盐氮积累，氨氮较彻底地转化为硝酸盐氮，故能有效应对0.86mg/L的待滤水氨氮。

       2.2 突发性氨氮升高的去除试验

       2.2.1  1.7 mg/L氨氮去除试验

       本组试验的水温在13.7-13.9℃，试验原水氨氮从约0.8 mg/L突然升至约1.7 mg/L时，滤池的待滤水和滤后水水质变化见图2。

 

图2 待滤水和滤后水水质变化

Fig.2 The water quality change of the filter influent and effluent 

       本组试验中，待滤水氨氮约1.7mg/L（从原水到待滤水，氨氮几乎无去除），去除1.7mg/L氨氮需要消耗溶解氧的理论值为7.77mg/L。待滤水溶解氧在8.7-8.9mg/L，能满足氨氮去除的溶解氧要求，无需启动纯氧曝气装置。由图2可知，滤池可有效去除氨氮，且在运行时间12h内，随着运行时间的增加，硝化反应越来越充分，滤后水氨氮越来越低。运行时间0.5h，滤后水氨氮为0.30mg/L，已降至其国标限值以下（氨氮国标限值为.0.5mg/L），去除率为82.7%；运行时间12h，滤后水氨氮0.05mg/L，亚硝酸盐氮0.012mg/L，硝酸盐氮3.98mg/L，溶解氧降至1.67mg/L，氨氮去除率为97.2%。试验表明，原水氨氮从约0.8 mg/L突然升至1.7 mg/L时，提供满足氨氮去除的待滤水溶解氧，活性无烟煤滤池可快速提供足够的生物量以有效去除氨氮。

       2.2.2  2.5mg/L氨氮去除试验

       本组试验的水温在15.6-15.8℃，试验原水氨氮从约0.9 mg/L突然升至约2.5 mg/L时，由于此时待滤水溶解氧无法满足氨氮去除的溶解氧要求，故启动纯氧曝气装置，调节纯氧曝气流量为1.0L/min，曝气后待滤水溶解氧为11.5-11.8 mg/L，能满足氨氮去除的溶解氧要求。滤池的待滤水和滤后水水质变化见图3。

       本组试验中，待滤水氨氮约2.5mg/L（从原水到待滤水，氨氮几乎无去除），去除2.5mg/L氨氮需要消耗溶解氧的理论值为11.42mg/L。由图3可知，滤池可有效去除氨氮，且在运行时间12h内，随着运行时间的增加，硝化反应越来越充分，滤后水氨氮越来越低。运行时间0.5h，滤后水氨氮为0.34mg/L，已降至其国标限值以下，去除率为86.4%；运行时间12h，滤后水氨氮0.08mg/L，亚硝酸盐氮0.019mg/L，硝酸盐氮4.27mg/L，溶解氧降至1.45mg/L，氨氮去除率为96.7%。试验表明，原水氨氮从约0.9 mg/L突然升至2.5 mg/L时，提供满足氨氮去除的待滤水溶解氧，活性无烟煤滤池可快速提供足够的生物量以有效去除氨氮。

 

 

图3 待滤水和滤后水水质变化②

Fig.3 The water quality change of the filter influent and effluent ②

       2.2.3  3.0mg/L氨氮去除试验

 

 

图4 待滤水和滤后水水质变化③

Fig.4 The water quality change of the filter influent and effluent ③

       本组试验的水温在16.0-16.3℃，试验原水氨氮从约0.9 mg/L突然升至约3.0 mg/L时，由于此时待滤水溶解氧无法满足氨氮去除的溶解氧要求，故启动纯氧曝气装置，调节纯氧曝气流量为1.25L/min，曝气后待滤水溶解氧为13.7-13.9 mg/L，能满足氨氮去除的溶解氧要求。滤池的待滤水和滤后水水质变化见图4。

       本组试验中，待滤水氨氮约3.0mg/L（从原水到待滤水，氨氮几乎无去除），去除3.0mg/L氨氮需要消耗溶解氧的理论值为13.71mg/L。由图4可知，随着运行时间的增加，硝化反应越来越充分，滤后水氨氮越来越低。运行时间0.5h，滤后水氨氮仍为0.58mg/L，尚未降至其国标限值以下，去除率为80.5%；运行时间1h，滤后水氨氮为0.38mg/L，已降至其国标限值以下，去除率为87.2%；运行时间12h，滤后水氨氮0.21mg/L，亚硝酸盐氮0.036mg/L，硝酸盐氮4.89mg/L，溶解氧降至1.13mg/L，氨氮去除率为93.1%。与前两组试验相比，运行时间12h内，氨氮去除效果略差，但仍在运行时间1h时即可有效去除氨氮。试验表明，原水氨氮从约0.9 mg/L突然升至3.0 mg/L时，提供满足氨氮去除的待滤水溶解氧，活性无烟煤滤池可快速提供足够的生物量以有效去除氨氮。

       2.3 高氨氮浓度持续运行试验

       本组试验的水温在16.5-19.8℃，试验期间原水氨氮在2.8-3.3mg/L。由于此时待滤水溶解氧无法满足氨氮去除的溶解氧要求，故启动纯氧曝气装置，调节纯氧曝气流量为1.25L/min，曝气后待滤水溶解氧为13.7-14.0 mg/L。滤池的待滤水和滤后水水质变化见图5。

 

 

图5 待滤水和滤后水水质变化④

Fig.5 The water quality change of the filter influent and effluent ④

       由图5可知，运行时间12h-24h，滤后水氨氮明显降低，说明滤池生物量逐渐积累和丰富；运行时间24h之后，硝化反应较充分，滤后水基本无亚硝酸盐氮积累，氨氮的去除效果趋于稳定，滤后水氨氮基本在0.04-0.08mg/L（除了运行时间6d时，由于原水氨氮升至约3.3mg/L，待滤水溶解氧稍欠充足，滤后水氨氮升至0.18mg/L），氨氮去除率94-99%。结果表明，原水氨氮2.8-3.3mg/L条件下，纯氧曝气与活性无烟煤滤池联用，持续运行效果良好，氨氮去除效果良好且稳定。

       2.4 运行成本分析

       本研究所用纯氧曝气装置采用微纳米曝气板，无需电耗，按纯氧价格1.00元/kg计，去除氨氮2.5-3.0mg/L，所增加运行成本为0.017-0.021元/吨水。就运行成本而言，适用于水厂应对季节性、突发性氨氮污染。

 

       3 结论

       （1）待滤水氨氮浓度从0.8-1.0mg/L突然升高至约1.7、2.5、3.0mg/L时，只要保证硝化反应所需的溶解氧浓度，采用活性无烟煤滤池过滤可满足氨氮突然升高的生物量要求，在短时间内（0.5-1h内）即可有效去除氨氮，运行12h时滤后水氨氮分别降至0.05mg/L、0.08mg/L、0.21mg/L；运行时间12h内，随着运行时间的延长，硝化反应越来越充分，滤后水氨氮越来越低。表明纯氧曝气与活性无烟煤滤池联用可有效应对突发性氨氮污染，及时保障水厂供水水质。

       （2）纯氧曝气与活性无烟煤滤池联用，待滤水氨氮2.8-3.3mg/L、溶解氧13.7-14.0mg/L的条件下持续运行10d，持续运行效果良好，运行24h之后，硝化反应较充分，滤后水基本无亚硝酸盐氮积累，氨氮的去除效果趋于稳定，滤后水氨氮基本在0.04-0.08mg/L。

       （3）采用微纳米曝气板进行纯氧曝气，无需电耗，去除氨氮2.5-3.0mg/L，所增加运行成本为0.017-0.021元/吨水，就运行成本而言，适用于水厂应对季节性、突发性氨氮污染。

 

参考文献

       1 岳舜琳．给水中的氨氮问题[J]．净水技术，2001，20（2）：12-14.

       2 龙小庆，富良，顾玉奇，等．活性滤池去除微污染水中有机物和氨氮[J]．中国给水排水，2002，18（8）：44-45.

       3 吴月华，盛德洋，张锡辉，等．饮用水处理中不同滤料除氨氮效果及需氧量研究[J]．给水排水，37（6）：22-26.