臭氧BAC對去除污染水體中的氨氮作用

 

針對福州市某水廠原傳統處理工藝不能有效去除微污染水源水氨氮，出廠水氨氮不能穩定達標的情況，采用臭氧－生物活性炭(O3－BAC)處理工藝對水廠進行了中試研究，研究了臭氧投加量、水溫、臭氧接觸室氣水比、活性炭濾池空床停留時間(EBCT)、流向等因素對氨氮去除的影響。結果表明:對于氨氮濃度為0.6～2.0mg·L－1的微污染水源水質，最佳的臭氧投加量為2mg·L－1;且當水溫為16～24℃，臭氧接觸室氣水比為5∶3∶2，EBCT為15min時，氨氮的去除效果在75%以上;

 

此外，與下向流工藝相比，上向流工藝具有較高的去除率。日趨嚴重的水體污染使飲用水水源地受到污染，不僅降低了水的使用功能，加劇了水資源短缺的矛盾，同時也嚴重威脅到城市居民的飲用水安全和人民群眾的健康。為解決淡水資源缺乏和人民生活需水量增加，以及原水水質下降和飲用水水質標準提高之間的矛盾，迫切需要新的技術解決水源水微污染問題。微污染水體中氨氮超標最為常見，水廠傳統工藝對氨氮去除十分有限，出水經常性超標，影響最為廣泛。

 

近年來，臭氧－生物活性炭(O3－BAC)深度處理技術作為微污染水源水主要處理工藝，在國內外得到快速的發展，然而針對不同的原水水質，其要求的運行控制參數也不同。

 

針對閩江水體受污染，原水氨氮時常超標，針對不能有效去除氨氮的情況，采用O3－BAC處理工藝對水廠進行改造，通過分析該廠微污染原水污染情況，污染物質的變化規律，研究O3－BAC工藝在不同的臭氧投加量、水溫、臭氧接觸室氣水比、活性炭濾池空床停留時間(EBCT)等情況下，對氨氮的去除效果，并根據試驗結果，找到與之對應的O3－BAC工藝處理的最佳運行工況，使水廠各項出水指標達標，并對其他水廠的改造和運行情況提供經驗參考。

 

試驗概況

 

試驗基本情況及處理工藝選擇福州市某水廠水源水取自閩江，因受工業污水、生活污水等影響，水源水受到輕微的污染氨氮時常超標，濃度為0.6～2.0mg·L－1，水廠常規處理工藝對氨氮的去除率不足30%，出廠水氨氮難以達到《生活飲用水衛生標準》中規定的氨氮限值(＜0.5mg·L－要求。

 

該水廠原有的水處理工藝主要為機械加速澄清池和雙閥濾池，對原水、濾前水和濾后水分三次加氯，當仍不能有效去除氨氮，出廠水氨氮時常不能達標，水廠不得不在高氨氮時停止生產，影響了原供水區域的正常供水。為保證自來水中必要的自由性余氯，原水廠增加了加氯量，繼而出現了消毒副產物、嗅味增加等不良現象。

 

因此急需采用新工藝對水廠進行改造。

 

為保證運行的可靠性，本研究在澄清池后設置了O3－BAC工藝，進行了中試研究，規模為32m3·h－1，其工藝流程O3－BAC對氨氮的去除主要依靠臭氧的預氧化和生物活性炭的物理吸附、生物降解作用，實現對原水氨氮的去除。

 

利用臭氧預氧化作用，能使水中難以生物降解的大分子有機物轉換成短鏈的小分子有機物，同時生成相應的有機酸，并釋放出氨;分解后的小分子有機物更容易被活性炭吸附，而被附著在活性炭上的細菌生物降解，而氨在亞硝化菌、硝化菌和反硝化菌的作用下，一部分合成細胞成分，一部分被氧化為硝酸鹽，進而還原成氣態氮N。

 

此外，臭氧氧化還可有效去除水中的酚、氰、硫、鐵、錳，并能脫色、除嗅和味、殺藻以及殺菌消毒等。與生物預處理技術相比，O3－BAC技術具有出水水質穩定，對原水水質適應性強等優點。

 

O3－BAC深度處理系統構造

 

臭氧發生器及臭氧接觸設備。試驗采用臭氧接觸塔(h=6m，Φ=1。2m)進行臭氧氣水接觸，為了提高臭氧氣水接觸面積以及臭氧傳質效率，特將臭氧接觸塔改成三段式臭氧接觸池。臭氧接觸池設計接觸時間為10min，每個接觸室沿水平方向各有3個鈦板曝氣頭，一共9個。臭氧發生器由提供，氣源采用液氧+蒸發器產生形成純氧，臭氧最大產量為300g·h，臭氧尾氣消除裝置采用電加熱分解消除方式。生物活性炭濾池。

 

本次試驗根據中國工程建設標準化協會指定的(CECS124:200《顆粒活性炭吸附池水處理設計規程》中對活性炭選型的要求，采用煤質顆粒活性炭(柱狀炭)，直1。5mm，長2～3mm，碘吸附值＞900mg·g－1，亞甲基蘭吸附值＞200mg·g－1;活性炭吸附池采用V型模型濾池，濾池整體尺寸為3540mm×2296mm×4800mm，共分成兩格，每格尺寸為3540mm×1015mm×4800mm，過濾面積S=3。59m2;活性炭濾層厚度為2m，底部敷設粒徑為0.8～1。2mm，厚度為300mm的石英砂墊層;設計濾速為8。9m·h－1;濾池反沖洗方式為氣水反沖洗:氣沖強度15L(s·m－1，沖洗歷時3min;水沖強度為5L(s·m－1，沖洗時間為8min。

 

試驗方法

 

設備調試和生物膜掛膜階段。首先進行設備的改裝和調試，然后進行掛膜試驗。此次試驗以中試試驗為基礎，試驗從7月份開始運行，最初深度處理工藝原水取自清水池，為砂濾后出水。

 

考慮到該水廠水處理工藝濾前有加氯，對生物膜有滅活作用，后停止運行，并把試驗進水調整至加濾點之前。活性炭濾池生物膜培養在10月份開始，以氨氮穩定去除作為生物膜成熟的標志，掛膜時水溫為20～22℃。在培養四周后(從10月1日至10月28日)，當氨氮濃度為1mg·L－1左右時，去除率達到70%以上，此時標志著生物膜已經基本成熟。掛膜成功后，生物膜穩定生長，活性炭的反洗周期為7d，之后開始試驗。

 

試驗測試階段。試驗運用控制變量法，即通過改變臭氧投加量，臭氧接觸室氣水比，進水氨氮濃度，濾池空床接觸時間等，研究不同水質條件下氨氮去除情況和運行規律，并對活性炭濾池上向流或下向流工藝對氨氮去除效果進行對比，最終確定水廠工藝改造相關設計參數，確保出廠水氨氮濃度低于0.5mg·L－1。

 

結果與分析

 

臭氧投加量對氨氮去除的影響

 

有研究發現，由于臭氧在氧化有毒的或不能生物降解的有機物的同時會將一些有機氮直接氧化成氨氮，反而使水中氨氮增加;也有試驗發現，預臭氧氧化可降低混凝劑的投加量［9］。因此，確定臭氧的最佳投加量對試驗具有重要意義。在此基礎上，為考察系統對氨氮的去除能力，控制臭氧的濃度在10%左右，臭氧化氣體中臭氧的濃度為95～135mg·L－1。最終確定臭氧投加量分別為1。進行試驗，此處的臭氧投加量為臭氧進氣濃度，即臭氧發生器產生的臭氧濃度。

 

不同臭氧投加量條件下的氨氮去除效果

 

結果表明，系統增加臭氧工藝對氨氮的去除有促進作用，去除率可達到65%～90%，出水氨氮濃度能夠控制在0.5mg·L－1以下。當臭氧投加量為1.5mg·L－1時，氨氮去除率為65.2%～76。2%。隨著臭氧投加量的提高，氨氮去除效果也隨之增大，當臭氧投加量為2。0mg·L－1，氨氮去除率在70.8%～89。5%之間，去除效果較為穩定，平均去除率達75%以上;臭氧投加量達到2.5mg·L－1時，氨氮去除率穩定在75%～90%之間，去除效果較臭氧投加量為2.0mg·L－1的有部分提高。但是考慮到運行成本，最終取定最佳的臭氧投加率為2.0mg·L－1，并且臭氧預氧化后水中殘留的O3濃度為0.54mg·L－1左右;殘留臭氧濃度較低，對生物活性炭表面的生物膜影響不大。

 

溫度對氨氮去除的影響溫度在O3－BAC工藝過程中不但會影響生物酶的反應活性，降低生物對氨氮的降解功能，還會響水的粘度，對傳質效果有產生影響。因此，需要確定最佳的溫度范圍以利于氨氮的去除。圖3為O3－BAC去除氨氮的效果隨水溫的變化情況，對其進行了二次曲線擬合，可以發現，隨著水溫上升，氨氮去除率整體上隨之增加。溫度在16℃以下時，氨氮去除效果較差;當溫度高于16℃時，該工藝對氨氮的去除效果相對較好。因此，針對福州市原水，水溫在16～24℃之間時，較有利于氨氮的去除。而在16℃時具有比較大的波動可能是受原水水質、水溫突變等因素的影響造成的。

 

進水氨氮濃度對氨氮去除的影響

 

O3－BAC工藝中，進水氨氮濃度對氨氮的去除效果有一定的影響。進水氨氮濃度很低時，由于基質濃度小，異養菌無法正常生長繁殖，導致生物量減少，對氨氮的去除率也降低;隨著進水氨氮濃度升高，營養豐富，硝化菌和亞硝化菌大量繁殖，從而加快了氨氮的去除率;隨著進水氨氮濃度進一步升高，由于受溶液中溶解氧濃度的限制，工藝對氨氮的去除率達到一定程度后，出現了下降的情況。

 

可見，出水氨氮濃度能夠控制在0.50mg·L－1以下。在低氨氮濃度下，隨著進水氨氮濃度的上升，去除率也逐漸增加;隨著氨氮濃度提高至0.75mg·L－1以上時，氨氮的去除率保持在一個相對穩定的水平，且能夠穩定在70%～80%之間;但當氨氮濃度進一步升高到1。50mg·L－1以上時，氨氮的去除率反而有所下降。因此，氨氮進水濃度的最佳范圍應控制在0.75～1。50mg·L－1之間。

 

三個接觸室氣水比對氨氮去除的影響

 

試驗中臭氧接觸池由三段接觸室組成，設置第一段接觸室主要是為了加快臭氧與反應物質的反應，從而保證其出水中含有能繼續殺滅細菌、病毒、寄生蟲和氧化有機物所必需的臭氧剩余量。由于出水中臭氧剩余量太低會影響殺菌等效果，太高會殺死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圍內。后續接觸室數量的確定則應根據待處理水的水質狀況和工藝目的來考慮。當以殺滅細菌和病毒為目的時，一般宜再設一段;當以殺滅寄生蟲和氧化有機物(特別是農藥)為目的時，一般宜再設兩段。綜合考慮，本試驗采用三段接觸室。各個接觸室不同的氣水比對臭氧的氣水傳質效果有顯著影響。

 

本試驗選擇三種氣水比，分別為的去除效果5可知，三個接觸室不同氣水比下，對氨氮均有較高的去除效果，去除率均可大于50%。在進水氨氮濃度為0.79～1。39mg·L－1，氣水比2時，工藝對氨氮去除效果較提前兩種情況高，且出水水質穩定。

 

空床停留時間

 

(EBCT)對氨氮去除的影響活性炭濾池空床接觸時間(EBCT)對微生物的凈水效果具有重要影響。接觸時間越長，微生物的生長以及有機物的降解作用越明顯，進而有機物和氨氮的去除效率也越高。不同停留時間臭氧活性炭工藝對氨氮的去除效果見圖6。由圖6可知，隨著活性炭濾池停留時間的延長，O3－BAC對氨氮去除率明顯上升。但是，考慮到在實際運行中，EBCT的提高會使水力負荷下降;因而，為了保證一定的水力負荷，同時又要保證出水水質指標達標，綜合考慮，本次試驗采用的EBCT值在15min左右。

 

上向流與下向流工藝對氨氮去除的影響

 

上向流過濾是一種理想的過濾方式，與傳統快濾池相比具有濾層截污量大，水頭損失小，濾周期長等特點。因此，試驗還考察了活性炭濾池采用上向流以及下向流工藝對氨氮的去除效果。是上向流和下向流工藝對氨氮處理效果的比較。上向流與下向流工藝對氨氮去除效果對比結果顯示上向流與下向流相比，除污效果更好，氨氮平均去除率高10%左右。試驗中，上向流濾層截污量大，使濁度去除效果得到了一定的提升，同時由于在活性炭底部增加了石英砂墊層，在洪水期高濁度進水情況下(＞20出水濁度仍可符合標準要求＜0)。

 

結論

 

O3－BAC深度處理技術作為微污染水源水主要處理工藝，依靠臭氧的預氧化和生物活性炭的物理吸附、生物降解作用，對氨氮含量高達0.6～2.0mg·L－1范圍的微污染水源水有較好的去除效果，能夠保證出水氨氮濃度達標。O3－BAC工藝對氨氮的去除效果受臭氧投加量、水溫、進水氨氮濃度、臭氧接觸室氣水比、EBCT以及上向流或下向流工藝等因素的影響。試驗結果顯示，該工藝最佳運行工況如下，臭氧投加量為min時，氨氮的去除效果最佳;與下向流工藝相比，采用上向流工藝時，氨氮的去除效果可提高。