臭氧BAC对去除污染水体中的氨氮作用

 

针对福州市某水厂原传统处理工艺不能有效去除微污染水源水氨氮，出厂水氨氮不能稳定达标的情况，采用臭氧－生物活性炭(O3－BAC)处理工艺对水厂进行了中试研究，研究了臭氧投加量、水温、臭氧接触室气水比、活性炭滤池空床停留时间(EBCT)、流向等因素对氨氮去除的影响。结果表明:对于氨氮浓度为0.6～2.0mg·L－1的微污染水源水质，最佳的臭氧投加量为2mg·L－1;且当水温为16～24℃，臭氧接触室气水比为5∶3∶2，EBCT为15min时，氨氮的去除效果在75%以上;

 

此外，与下向流工艺相比，上向流工艺具有较高的去除率。日趋严重的水体污染使饮用水水源地受到污染，不仅降低了水的使用功能，加剧了水资源短缺的矛盾，同时也严重威胁到城市居民的饮用水安全和人民群众的健康。为解决淡水资源缺乏和人民生活需水量增加，以及原水水质下降和饮用水水质标准提高之间的矛盾，迫切需要新的技术解决水源水微污染问题。微污染水体中氨氮超标最为常见，水厂传统工艺对氨氮去除十分有限，出水经常性超标，影响最为广泛。

 

近年来，臭氧－生物活性炭(O3－BAC)深度处理技术作为微污染水源水主要处理工艺，在国内外得到快速的发展，然而针对不同的原水水质，其要求的运行控制参数也不同。

 

针对闽江水体受污染，原水氨氮时常超标，针对不能有效去除氨氮的情况，采用O3－BAC处理工艺对水厂进行改造，通过分析该厂微污染原水污染情况，污染物质的变化规律，研究O3－BAC工艺在不同的臭氧投加量、水温、臭氧接触室气水比、活性炭滤池空床停留时间(EBCT)等情况下，对氨氮的去除效果，并根据试验结果，找到与之对应的O3－BAC工艺处理的最佳运行工况，使水厂各项出水指标达标，并对其他水厂的改造和运行情况提供经验参考。

 

试验概况

 

试验基本情况及处理工艺选择福州市某水厂水源水取自闽江，因受工业污水、生活污水等影响，水源水受到轻微的污染氨氮时常超标，浓度为0.6～2.0mg·L－1，水厂常规处理工艺对氨氮的去除率不足30%，出厂水氨氮难以达到《生活饮用水卫生标准》中规定的氨氮限值(＜0.5mg·L－要求。

 

该水厂原有的水处理工艺主要为机械加速澄清池和双阀滤池，对原水、滤前水和滤后水分三次加氯，当仍不能有效去除氨氮，出厂水氨氮时常不能达标，水厂不得不在高氨氮时停止生产，影响了原供水区域的正常供水。为保证自来水中必要的自由性余氯，原水厂增加了加氯量，继而出现了消毒副产物、嗅味增加等不良现象。

 

因此急需采用新工艺对水厂进行改造。

 

为保证运行的可靠性，本研究在澄清池后设置了O3－BAC工艺，进行了中试研究，规模为32m3·h－1，其工艺流程O3－BAC对氨氮的去除主要依靠臭氧的预氧化和生物活性炭的物理吸附、生物降解作用，实现对原水氨氮的去除。

 

利用臭氧预氧化作用，能使水中难以生物降解的大分子有机物转换成短链的小分子有机物，同时生成相应的有机酸，并释放出氨;分解后的小分子有机物更容易被活性炭吸附，而被附着在活性炭上的细菌生物降解，而氨在亚硝化菌、硝化菌和反硝化菌的作用下，一部分合成细胞成分，一部分被氧化为硝酸盐，进而还原成气态氮N。

 

此外，臭氧氧化还可有效去除水中的酚、氰、硫、铁、锰，并能脱色、除嗅和味、杀藻以及杀菌消毒等。与生物预处理技术相比，O3－BAC技术具有出水水质稳定，对原水水质适应性强等优点。

 

O3－BAC深度处理系统构造

 

臭氧发生器及臭氧接触设备。试验采用臭氧接触塔(h=6m，Φ=1。2m)进行臭氧气水接触，为了提高臭氧气水接触面积以及臭氧传质效率，特将臭氧接触塔改成三段式臭氧接触池。臭氧接触池设计接触时间为10min，每个接触室沿水平方向各有3个钛板曝气头，一共9个。臭氧发生器由提供，气源采用液氧+蒸发器产生形成纯氧，臭氧最大产量为300g·h，臭氧尾气消除装置采用电加热分解消除方式。生物活性炭滤池。

 

本次试验根据中国工程建设标准化协会指定的(CECS124:200《颗粒活性炭吸附池水处理设计规程》中对活性炭选型的要求，采用煤质颗粒活性炭(柱状炭)，直1。5mm，长2～3mm，碘吸附值＞900mg·g－1，亚甲基兰吸附值＞200mg·g－1;活性炭吸附池采用V型模型滤池，滤池整体尺寸为3540mm×2296mm×4800mm，共分成两格，每格尺寸为3540mm×1015mm×4800mm，过滤面积S=3。59m2;活性炭滤层厚度为2m，底部敷设粒径为0.8～1。2mm，厚度为300mm的石英砂垫层;设计滤速为8。9m·h－1;滤池反冲洗方式为气水反冲洗:气冲强度15L(s·m－1，冲洗历时3min;水冲强度为5L(s·m－1，冲洗时间为8min。

 

试验方法

 

设备调试和生物膜挂膜阶段。首先进行设备的改装和调试，然后进行挂膜试验。此次试验以中试试验为基础，试验从7月份开始运行，最初深度处理工艺原水取自清水池，为砂滤后出水。

 

考虑到该水厂水处理工艺滤前有加氯，对生物膜有灭活作用，后停止运行，并把试验进水调整至加滤点之前。活性炭滤池生物膜培养在10月份开始，以氨氮稳定去除作为生物膜成熟的标志，挂膜时水温为20～22℃。在培养四周后(从10月1日至10月28日)，当氨氮浓度为1mg·L－1左右时，去除率达到70%以上，此时标志着生物膜已经基本成熟。挂膜成功后，生物膜稳定生长，活性炭的反洗周期为7d，之后开始试验。

 

试验测试阶段。试验运用控制变量法，即通过改变臭氧投加量，臭氧接触室气水比，进水氨氮浓度，滤池空床接触时间等，研究不同水质条件下氨氮去除情况和运行规律，并对活性炭滤池上向流或下向流工艺对氨氮去除效果进行对比，最终确定水厂工艺改造相关设计参数，确保出厂水氨氮浓度低于0.5mg·L－1。

 

结果与分析

 

臭氧投加量对氨氮去除的影响

 

有研究发现，由于臭氧在氧化有毒的或不能生物降解的有机物的同时会将一些有机氮直接氧化成氨氮，反而使水中氨氮增加;也有试验发现，预臭氧氧化可降低混凝剂的投加量［9］。因此，确定臭氧的最佳投加量对试验具有重要意义。在此基础上，为考察系统对氨氮的去除能力，控制臭氧的浓度在10%左右，臭氧化气体中臭氧的浓度为95～135mg·L－1。最终确定臭氧投加量分别为1。进行试验，此处的臭氧投加量为臭氧进气浓度，即臭氧发生器产生的臭氧浓度。

 

不同臭氧投加量条件下的氨氮去除效果

 

结果表明，系统增加臭氧工艺对氨氮的去除有促进作用，去除率可达到65%～90%，出水氨氮浓度能够控制在0.5mg·L－1以下。当臭氧投加量为1.5mg·L－1时，氨氮去除率为65.2%～76。2%。随着臭氧投加量的提高，氨氮去除效果也随之增大，当臭氧投加量为2。0mg·L－1，氨氮去除率在70.8%～89。5%之间，去除效果较为稳定，平均去除率达75%以上;臭氧投加量达到2.5mg·L－1时，氨氮去除率稳定在75%～90%之间，去除效果较臭氧投加量为2.0mg·L－1的有部分提高。但是考虑到运行成本，最终取定最佳的臭氧投加率为2.0mg·L－1，并且臭氧预氧化后水中残留的O3浓度为0.54mg·L－1左右;残留臭氧浓度较低，对生物活性炭表面的生物膜影响不大。

 

温度对氨氮去除的影响温度在O3－BAC工艺过程中不但会影响生物酶的反应活性，降低生物对氨氮的降解功能，还会响水的粘度，对传质效果有产生影响。因此，需要确定最佳的温度范围以利于氨氮的去除。图3为O3－BAC去除氨氮的效果随水温的变化情况，对其进行了二次曲线拟合，可以发现，随着水温上升，氨氮去除率整体上随之增加。温度在16℃以下时，氨氮去除效果较差;当温度高于16℃时，该工艺对氨氮的去除效果相对较好。因此，针对福州市原水，水温在16～24℃之间时，较有利于氨氮的去除。而在16℃时具有比较大的波动可能是受原水水质、水温突变等因素的影响造成的。

 

进水氨氮浓度对氨氮去除的影响

 

O3－BAC工艺中，进水氨氮浓度对氨氮的去除效果有一定的影响。进水氨氮浓度很低时，由于基质浓度小，异养菌无法正常生长繁殖，导致生物量减少，对氨氮的去除率也降低;随着进水氨氮浓度升高，营养丰富，硝化菌和亚硝化菌大量繁殖，从而加快了氨氮的去除率;随着进水氨氮浓度进一步升高，由于受溶液中溶解氧浓度的限制，工艺对氨氮的去除率达到一定程度后，出现了下降的情况。

 

可见，出水氨氮浓度能够控制在0.50mg·L－1以下。在低氨氮浓度下，随着进水氨氮浓度的上升，去除率也逐渐增加;随着氨氮浓度提高至0.75mg·L－1以上时，氨氮的去除率保持在一个相对稳定的水平，且能够稳定在70%～80%之间;但当氨氮浓度进一步升高到1。50mg·L－1以上时，氨氮的去除率反而有所下降。因此，氨氮进水浓度的最佳范围应控制在0.75～1。50mg·L－1之间。

 

三个接触室气水比对氨氮去除的影响

 

试验中臭氧接触池由三段接触室组成，设置第一段接触室主要是为了加快臭氧与反应物质的反应，从而保证其出水中含有能继续杀灭细菌、病毒、寄生虫和氧化有机物所必需的臭氧剩余量。由于出水中臭氧剩余量太低会影响杀菌等效果，太高会杀死BAC中的生物，降低氨氮的去除效果，因此需要控制在一定的范围内。后续接触室数量的确定则应根据待处理水的水质状况和工艺目的来考虑。当以杀灭细菌和病毒为目的时，一般宜再设一段;当以杀灭寄生虫和氧化有机物(特别是农药)为目的时，一般宜再设两段。综合考虑，本试验采用三段接触室。各个接触室不同的气水比对臭氧的气水传质效果有显著影响。

 

本试验选择三种气水比，分别为的去除效果5可知，三个接触室不同气水比下，对氨氮均有较高的去除效果，去除率均可大于50%。在进水氨氮浓度为0.79～1。39mg·L－1，气水比2时，工艺对氨氮去除效果较提前两种情况高，且出水水质稳定。

 

空床停留时间

 

(EBCT)对氨氮去除的影响活性炭滤池空床接触时间(EBCT)对微生物的净水效果具有重要影响。接触时间越长，微生物的生长以及有机物的降解作用越明显，进而有机物和氨氮的去除效率也越高。不同停留时间臭氧活性炭工艺对氨氮的去除效果见图6。由图6可知，随着活性炭滤池停留时间的延长，O3－BAC对氨氮去除率明显上升。但是，考虑到在实际运行中，EBCT的提高会使水力负荷下降;因而，为了保证一定的水力负荷，同时又要保证出水水质指标达标，综合考虑，本次试验采用的EBCT值在15min左右。

 

上向流与下向流工艺对氨氮去除的影响

 

上向流过滤是一种理想的过滤方式，与传统快滤池相比具有滤层截污量大，水头损失小，滤周期长等特点。因此，试验还考察了活性炭滤池采用上向流以及下向流工艺对氨氮的去除效果。是上向流和下向流工艺对氨氮处理效果的比较。上向流与下向流工艺对氨氮去除效果对比结果显示上向流与下向流相比，除污效果更好，氨氮平均去除率高10%左右。试验中，上向流滤层截污量大，使浊度去除效果得到了一定的提升，同时由于在活性炭底部增加了石英砂垫层，在洪水期高浊度进水情况下(＞20出水浊度仍可符合标准要求＜0)。

 

结论

 

O3－BAC深度处理技术作为微污染水源水主要处理工艺，依靠臭氧的预氧化和生物活性炭的物理吸附、生物降解作用，对氨氮含量高达0.6～2.0mg·L－1范围的微污染水源水有较好的去除效果，能够保证出水氨氮浓度达标。O3－BAC工艺对氨氮的去除效果受臭氧投加量、水温、进水氨氮浓度、臭氧接触室气水比、EBCT以及上向流或下向流工艺等因素的影响。试验结果显示，该工艺最佳运行工况如下，臭氧投加量为min时，氨氮的去除效果最佳;与下向流工艺相比，采用上向流工艺时，氨氮的去除效果可提高。