清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系
田文華 南國英 文湘華 錢易

1. 前言

　　為解決生活污水回用作為循環(huán)冷卻水時氨氮超標(biāo)的問題，開發(fā)了一種新型的污水處理設(shè)備-沸石床曝氣生物濾池。它將天然沸石優(yōu)良的選擇性離子交換性能與曝氣生物濾池的硝化功能結(jié)合起來，同時實現(xiàn)了過濾吸附、離子交換、生物氧化、生物再生等功能，具有掛膜時間短，出水水質(zhì)好的特點，水質(zhì)滿足電廠循環(huán)冷卻水要求。

2. 研究方法

　　（1） 靜態(tài)試驗：密度參照《水處理用石英砂濾料》（CJ/T43-1999），最小流化速度按照T.D.Kent等人提供的方法測定。掛膜量的測定方法為15.00g濾料，接種污泥，在室溫條件下培養(yǎng)15天。氨交換容量的方法為5.00g濾料，加入 100ml 20mg/L的 NH₄⁺-N溶液，25℃，振蕩4小時。
　　（2）動態(tài)試驗：反應(yīng)器采用Ф200mm有機玻璃柱，填料高度3m，填料粒徑4～6mm，下向流。反應(yīng)器安裝在清華大學(xué)水污染控制國家重點實驗室，試驗用水為校園生活污水。

3. 結(jié)果與討論

　　3.1 沸石填料基本性質(zhì)測定
　　對搜集到的全國四個礦區(qū)8種沸石產(chǎn)品進行測試后，選定某地所產(chǎn)的斜發(fā)沸石作為濾料（簡稱沸石A）。對粒徑不同的沸石A和粘土陶粒及頁巖陶粒進行的對比試驗見表1。可見沸石A的掛膜量約是陶粒的2倍，氨交換容量很大，而陶粒則不具備氨交換能力。沸石表面帶正電荷，與細(xì)菌的電荷相反，并且表面粗糙多孔，這可能是它比陶粒容易掛膜的主要原因。沸石的不足之處是密度稍大，但粒徑較小時，最小流化速度接近陶粒；另外強度不如陶粒，但在動態(tài)試驗中發(fā)現(xiàn)，開始時沸石的磨損率較高，以后則基本不變。

表 1 沸石與陶粒基本性質(zhì)對比 名稱 外觀 粒徑
(mm) 密度
（kg/m3） 堆積密度
（kg/m3） 氨交換容量
(mgNH₄⁺-N/g) 最小流化速度Vmf
(m/h) 掛膜量
(g/g) 沸石A 灰褐色粒狀 4～6 2266 944 0.21 203 0.051 沸石A 2～3 2210 982
0.27 101 － 粘土陶粒 暗紅色球狀 2～4 1919 830 ０ 129 0.025 頁巖陶粒 黑色粒狀 3～5 1185 743 0.1 － －

　　3.2 沸石床曝氣生物濾池掛膜性能
　　采用接種掛膜，水力負(fù)荷1.12m3/m2h,曝氣量0.16m3/h，溫度27～32℃。掛膜期間COD和氨氮的去除效果見表2和圖1。

表 2 掛膜期間COD和氨氮去除效果 指標(biāo) 進水濃度
(mg/L) 出水濃度
(mg/L) 去除率
（%） 平均負(fù)荷
（kg/m3d） COD 77.5～354.1
（206.5） 7.8～83
（39.4） 69.0～95.3
（80.4） 2.6 氨氮 11.1～46.6
（31.3） 0～3.3
（1.4） 90～100
（95.4） 0.40

　　掛膜剛開始時出口COD和氨氮濃度就很低，通過鏡檢發(fā)現(xiàn)7天時異養(yǎng)菌活動即十分活躍，進行了第一次反洗；約15天即有很強的硝化作用。沸石在表面沒有生物膜的情況下，就能去除COD，說明它對有機物具有微孔吸附作用。對氨氮的高去除率得益于它的選擇交換性，據(jù)測算，作為交換柱12天就可達到飽和，實際上直到第21天出口氨氮濃度才開始上升。通過測定沿程的總氮、氨氮、硝酸鹽和亞硝酸鹽的變化，發(fā)現(xiàn)掛膜初期靠離子交換作用去除氨氮，掛膜中期離子交換和硝化反應(yīng)共同起作用，末期離子交換和硝化反應(yīng)達到平衡。進一步的試驗發(fā)現(xiàn)，沸石表面形成生物膜后仍具有很強的交換氨氮的能力，而且硝化菌能利用已交換到沸石空隙中的氨氮，也就是說具有生物再生的能力。因此，沸石表面更有利于硝化菌的生長，并具有很強的抗氨氮沖擊負(fù)荷的能力。
　　3.3 沸石床曝氣生物濾池處理低濃度生活污水試驗
　　低濃度生活污水的處理是個難點。將校園生活污水稀釋1～2倍后，在水力負(fù)荷2.2m3/m2h,曝氣量0.12m3/h，溫度15～17℃下處理結(jié)果見表3。可見在較低的容積負(fù)荷下COD和氨氮去除率分別可達到73.7%和96.8%。

表 3 低濃度生活污水的處理結(jié)果（平均值） 指標(biāo) 進水濃度(mg/L) 出水濃(mg/L) 去除率（%） 負(fù)荷（kg/m3d） COD 66.2 16.3 73.7 1.2 氨氮 18.9 0.6 96.8 0.3

4. 結(jié)論

　　（1）沸石表面帶正電，粗糙多孔，且具有很強的氨交換能力，比陶粒更容易掛膜，密度和強度符合曝氣生物濾池要求，適合作為濾料。
　　（2）沸石床曝氣生物濾池依靠離子交換和硝化反應(yīng)去除氨氮，硝化菌對已交換了氨氮的沸石具有生物再生功能。
　　（3）沸石床曝氣生物濾池非常適合去除低濃度生活污水，出水滿足循環(huán)冷卻水水質(zhì)要求。