氮是微污染水处理中的主要去除对象，它在原水中以有机氮、氨、亚硝酸盐和硝酸盐的形式存在，对饮用水的安全构成一定的威胁。供水中残余的氨会使配水管网中的硝化菌生长，而硝化菌和氨放出的有机物会造成嗅味问题[1]；出厂水中的氨不仅要消耗大量的氯，而且由氯生成的消毒副产物可能对人体有三致作用；亚硝酸盐在水及食物中与二级胺、酰胺或类似氮氧化物发生反应，形成直接致癌的亚硝基化合物[1]。根据我国2000年建设部I类水司水质标准，饮用水中氨氮和亚硝酸盐氮的允许浓度分别为0.5mg/L和0.1 mg/L。欧共体水质标准中，氨氮的指导值为0.05 mg/L最大允许值是0.5mg/L。
去除水中氮的方法很多，其中生物法是比较经济有效的方法。在淮河(蚌埠段)饮用水源水生物接触氧化预处理生产性试验中[2]，生物滤池对原水中氨氮去除率曝气时达70％-90％，不曝气或曝气不正常时在50％-70％之间；在巢湖原水生物接触氧化预处理试验中[3]，对氨氮、亚硝酸盐氮的平均去除率分别为70％和70.4％，最高去除率分别为95％和99％：在邯郸滏阳河水生物处理中试研究中[1]，氨氮的去除率平均变化范围为75％-99％，平均去除率为92.46%。其它的相关报道也表明，生物氧化的氨氮去除率几乎都在80%以上。本文是在上海某水厂的生产性试验的基础上，利用生产运行中的一些客观因素，探讨微污染水源水生物预处理中氨氮去除率的影响因素。
1 试验简介
本试验以某水厂为基地，规模为5000 m3/d，工艺为用生物陶粒滤池预处理微污染原水。该滤池主要设计参数见表1。
项目 设计参数 项目 设计参数
处理水量(m3/d) 5000 曝气方式 底部设微孔扩散装置连续曝气
滤速(m/h) 5.5 反冲洗方式 单气冲2-3min,再单水冲5min
填料高度(m) 2 冲洗周期(d) 5-7
空床停留时间(min) 22 气水比 0.7:1-1:1
2 试验条件对氨氮去除效果的影响分析
2.1 温度
温度的变化会影响到微生物的活性,从而影响氨氮的去除效果。一般来说,温度越高,活性越大, 但从表2中我们并不能得出这样的结论,反而是冬季的平均去除率(37.55％)高于夏季的平均去除率 (8.37%)。对于这样的结果,可以在相关的试验中得到证实：在取水口水源水生物预处理中试研究中就得出[4],水温对氨氮的去除效果影响较小；生物陶粒技术改善城子水厂水质的研究也表明[1],生物陶粒滤池在低温(0～14℃)时对氨氮的去除率较高。不少试验研究也都指出[1-2],温度变化对氨氮的去除效果影响不大,其原因在于[51：决定氨氮去除效果的亚硝化杆菌(Nitrosomonas)和亚硝化球菌(Ni- trosococcus)均适合在2～40℃范围内生长,硝化杆菌(Nitrobacter)也适合在5～40℃条件下生长。由此可见,由于本试验的原水水温均在5℃以上,因此温度并不会导致本试验中氨氮去除率偏低。
2.2 溶解氧
理论上可以算出,每氧化1 mgNH3-N为N02- -N,需要消耗3.34 mg的溶解氧,每氧化1 mg N02-N为N03--N需要1.14mg溶解氧。所以, 溶解氧对于氨氮和亚硝酸盐氮的去除率有着密切的关系。但一般认为[1],只要维持反应器出水溶解氧不低于3～4 mg/L,就可以保持较高的氨氮去除效率。而本试验中的原水溶解氧比较高(均在5 mg/L 以上),出水溶解氧也完全高于3～4 mg/l因此溶解氧是充足的,不会影响氨氮的去除。
2.3 水力负荷
有研究指出[1],在一定范围内水力负荷对氨氮的去除率没有什么影响,这主要是由于硝化细菌的硝化能力较强,世代时间长,一旦形成稳定的硝化状态后,进入生物陶粒滤池的氨氮在短时间内被硝化细菌吸附、分解和氧化。根据实际运行的结果,有试验推荐[2,6),采用空床停留时间20-30min,即水力负荷4～6 m3/(m2·h)作为设计参数,效果最佳。本试验设计和运行的停留时间(22 min)也在此范围内,可见水力负荷并不能成为影响因素。
2.4 原水的氨氮浓度
据统计,黄浦江上游的大桥泵站取水口1995年的氨氮平均值为1.17mg/L,1996年为1.63mg/l 最高浓度达到3mg/l而试验期间的原水水质较往年好,氨氮的平均值在冬季仅为0.35-1.1mg/L,而夏季加上雨水充足,浓度更加低,平均值只有0.16 mg/l低进水浓度必然导致低反应速率,且使硝化和亚硝化杆菌的营养不足,加上这类细菌生长缓慢, 挂膜的成熟期长,最终影响氨氮的去除效果。另有研究也指出[7],原水氨氮含量太低日寸,由于缺乏足够的营养物,微生物生长繁殖的速度缓慢,难以培养起生物膜,处理效果较差。
由表2的数据可以看小,冬季原水的氨氮浓度 (0.35～1.1 mg/L)高于夏季(0.05～0.28 mg/L), 因而虽然存在温度低等不利条件,冬季氨氮的去除率仍高于夏季,这表明原水的氨氮浓度低可能是影响因素之一。
2.5 原水中的有机氮转化为氨氮
去除水中的氮,实质上就是水中氮的转化过程。在生物脱氮的过程中,包括氨化、硝化和反硝化三个阶段。在氨化过程中,水中有机氮在微生物作用下转化为氨氮。硝化过程中,首先在亚硝化杆菌的作用下,氨氮转化为亚硝酸盐氮,然后在硝化杆菌作用下,亚硝酸盐氮进一步被氧化成硝酸盐氮。反硝化过程中,硝酸盐氮转化为氮气,释放到空气中,也正是在这个过程中,水中的氮被彻底去除了。
由于本试验中只把氨氮和亚硝酸盐氮列为常测指标,因此我们并不能了解到氮在水中的全部转化过程。有可能是原水中有机氮含量较高,且有机氮降解速度大于氨氮的降解速度,造成了氨氮去除率低的表面现象。试验中还发现,当氨氮浓度很低时, 本试验的后续滤池中常会出现氨氮浓度升高的现象,也印证了有可能是氨化速率大于硝化速率,使得氨氮去除率看起来偏低。由表2还可以看出,不论在什么季节,亚硝酸盐氮的去除率都比氨氮高得多, 这从另一个方面说明硝化作用并不是进行得不好, 而是氨化作用部分掩盖了氨氮的去除效果。这也解释了为什么经过几个月的稳定运行且生物膜也成熟后,冬季去除率仍不高的原因。
2.6 气水比
本试验中,生物陶粒滤池的设计气水比为0.7:1 - 1:1,这也是许多资料中推荐的气水比。但由于未买到合适的鼓风机,加上气量不可调节,在刚开始的挂膜阶段,气水比就达到2:1。硝化细菌本来就生长缓慢,受水力冲刷后的恢复期又长,尤其是在其未完全成熟时就受到强烈的冲击,使之不能有效附着在滤料表面,造成连续运行2个月后才形成生物膜,影响厂氨氮的去除率。有试验证明[6],当充氧量达到一定程度时,过多的氧会使微生物自身氧化,生物膜量减少,去除率反而下降。这是夏季氨氮去除率低的重要影响因素。
挂膜成功后,由于气阻等原因,滤池又一直处在不曝气的状态中运行。虽然原水氨氮浓度低,溶解氧又较高,不曝气并不会造成溶解氧的缺乏,但曝气的作用除了提供充足的溶解氧外,还有利于传质。不曝气运行显然不利于传质,这也是冬季稳定运行时氨氮去除率不高的原因。
3 结论
由以上分析可知,根据生产的实际运行状况,分析生物陶粒滤池运行中氨氮去除率偏低的原因为：原水的氨氮浓度低,原水中有机氮转化为氨氮,以及气水比不恰当。 |
