徐國勛，謝海英，陶紅
(上海理工大學城市建設與環境工程學院，上海200093)

　　摘　要：利用常規給水處理工藝中沉淀池產生的污泥作為微生物的載體，進行了去除氨氮的中試研究，并詳細介紹了硝化菌培養、可靠性試驗和對比試驗。在預曝氣池水力停留時間為2～3h、再生池水力停留時間為0.1～0.3 h、再生池污泥的SS＞10g/L、預曝氣池中的SS＞1.5g/L時，氨氮的去除率可達70%～85%。
　　關鍵詞：給水處理；氨氮；硝化反應；微生物載體
　　中圖分類號：TU991.22
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2001)12-0073-04

　　我國河流有機污染普遍，主要湖泊富營養化嚴重，其中典型水域仍以氨氮和有機污染為主。以浙江省杭嘉湖平原為例，由于農業、工業和生活污水的污染使河網地區地表水的氨氮普遍超標，嚴重影響城市自來水的水質。針對微污染源水，目前主要處理方法有生物氧化、臭氧氧化、二氧化氯氧化、活性炭吸附、高錳酸鉀氧化和膜處理等［1、2］。
　　充分利用常規凈水工藝，提高其去除氨氮的能力是此次試驗的主要目的。利用沉淀污泥的循環來實現氨氮的轉化過程，不需要接觸氧化池的軟性填料和生物濾池的陶料，從而減少基建投資和運行費用，對運行管理也將產生有益的作用［3］。

1　工藝流程和試驗裝置

1.1工藝流程
　　試驗地點在杭嘉湖平原某城市的自來水廠工地，工藝流程和裝置選擇充分遵守該凈水廠的設計選型和設計參數，中試的工藝流程如圖1所示。

1.2試驗裝置
　　中試裝置由構筑物、設備及連接管道、閥門等組成，試驗裝置的平面布置見圖2。構筑物由鋼板焊接而成，試驗規模為5m³/h，構筑物的主要參數見表1。

表1　構筑物的主要參數 名稱 外形尺寸 有效容積(m³) 停留時間(min) 預曝氣池 1 800 mm×1 000 mm×3 200mm 5.00 60 機械反應池 750 mm×1 000 mm×1 700mm 1.12 13 平流沉淀池 4 300 mm×800 mm×3 200mm 9.631 16 均質濾料濾池 800 mm×1 000 mm×320mm 2.08 　 集水井 750 mm×1 000 mm×1 000mm 0.75 9 清水池 950 mm×1 000 mm×3 200mm 2.94 35 再生池 1 800 mm×1 400mm 3.05 36 絮凝劑溶解池 1 000 mm×1 200mm 0.78 　 注：濾池的過濾面積為0.8m²，濾速為7m/h。

　　預曝氣池和濾池反沖洗所需的壓縮空氣均由空氣壓縮機提供。在再生池和預曝氣池底部放置12個可變微孔曝氣器，在預曝氣池和反應池內各放置2臺變頻攪拌器，在再生池和絮凝劑溶解池中各放置1臺變頻攪拌器。
1.3水質化驗項目和方法
　　試驗需要的水質化驗項目和采用的分析方法見表2。試驗采用的絮凝劑前期是3%～5%的硫酸鋁溶液，后期是1.7%的聚合氯化鋁溶液。

表2　化驗項目和分析方法 化驗項目 分析方法 濁度 散射光法 色度 鉑-鈷標準比色法 TKN 汞催化礦化法 NH₃-N 鈉氏試劑光度法 NO₃-N 酚二磺酸光度法 NO₂-N N-(1-萘基)-乙二胺光度法 CODMn 酸性法 pH值 玻璃電極法 堿度 酸堿指示劑滴定法 余氯 鄰聯甲苯胺比色法 溫度 溫度計 DO 碘量法 SS 重量法

2　試驗準備

2.1　源水水質
　　表3列出了試驗期間(4月—6月)源水的水質情況。氨氮濃度通常為3～6mg/L，最高可達7～8mg/L。氨氮濃度和氣溫明顯相關，4月份最低，氣溫升高氨氮濃度也相應升高，到6月份居高不下。其他反映有機污染物的指標，例如CODMn偏高常在7～10mg/L范圍內，略高于地面水環境Ⅲ類質量標準(規定為6mg/L)。

表3　試驗期間源水水質情況 項目 檢測值 濁度(NTU) 8.2～180 色度(倍) 27～50 水溫(℃) 16.4～30.0 pH值 7.10～8.06 堿度(mg/L) 103～150 TKN(mg/L) 4.42～12.83 NH₃-N(mg/L) 2.77～8.46 NO₃-N(mg/L) 0.036～0.796 NO₂-N(mg/L) 0.032～0.233 CODMn(mg/L) 4.22～14.64 DO(mg/L) 1.5～4.0

2.2　常規凈水工藝試驗
　　首先進行的是常規凈水工藝試驗，考察在設計流量下是否具有良好的凈水效果；通過源水、沉淀出水、最終出水水質的檢測，了解常規凈水工藝的去除能力。
　　試驗表明，沉淀出水水質同絮凝劑投量有關，適宜投藥量下的出水水質還是不錯的。中試裝置能滿足試驗的要求，而含氮化合物(無論是NH₃-N、NO₃-N還是NO₂-N)基本沒有明顯的變化，有時略有下降，這表明依靠常規凈水工藝難以去除氨氮。
2.3　硝化菌培養試驗
　　采取下列措施進行硝化菌的培養：　
　　①向再生池和預曝氣池各投加附近河道淤泥(質量為200kg)；
　　②將再生池和預曝氣池的連接管道進行改造，形成水流在再生池—預曝氣池—再生池內的小循環；
　　③再生池及預曝氣池24 h連續曝氣。
　　整個中試裝置停止運行，水流只是在再生池和預曝氣池之間循環流動，重點考察水中pH值、堿度和含氮化合物發生的變化。
　　投加河泥后24h測定，NH₃-N濃度明顯下降，NO₃-N、NO₂-N濃度明顯升高，pH值、堿度明顯下降。NH₃-N濃度已下降1.5mg/L，NO₃-N濃度上升0.8mg/L，NO₂-N濃度上升0.04mg/L。隨著時間的推移這種趨勢繼續發展，48h后NH₃-N濃度從3.6mg/L下降到0.62mg/L，可以認為已具有明顯的去除氨氮的效果。
　　從試驗中可以看出，除氮過程是典型的生物硝化反應，即pH值下降、堿度下降、NH₃-N濃度下降、而NO3-N和NO₂-N濃度上升。從培養速度看是相當快的，只需48h就使NH₃-N濃度降到1mg/L以下。這與生物陶料濾池和生物接觸氧化池需要10～30d的培養期相比，可以說占有相當的優勢。
2.4　啟動期試驗
　　考慮到從靜態轉為動態運行應該有個過程，在動態運行中硝化菌也有個增殖和減少的矛盾，故應保證隨著流量增加，使硝化菌的數量也得到增加，為此設立了啟動期試驗，一方面將再生池和預曝氣池的靜態運行轉變為整個裝置的動態運行，另一方面將進水流量從1m³/h逐漸增加到5.0m³/h。
　　試驗進水和出水相比，NH3-N濃度降低，進水平均值為3.97mg/L，出水平均值為2.00mg/L，其去除率為49.6%。這表明在動態條件下，仍能保持NH3-N的去除勢頭，意味著硝化菌在運行過程中能保持一定的數量。

3　可靠性試驗

　　可靠性試驗共進行了16d，24h連續運行，進水流量為4.5m³/h，反應池的聚合氯化鋁投量為15mg/L。再生池、預曝氣池中的攪拌器停用，再生池循環水量為0.57～0.70m³/h，再生池用氣量為3.5～6.0m³/h，預曝氣池用氣量為1.5～3.0m³/h。試驗結果表明，當源水濁度為71～145NTU時，沉淀出水平均濁度為6.3NTU，最終出水水質良好，平均值為0.77NTU。與此同時，各個階段氨氮的日平均變化曲線見圖3。試驗期間水溫在23～29℃，氨氮平均去除率為59.8%，最高去除率為66.9%，最低為49.1%，這表明去除氨氮的效果是穩定可靠的。

4　對比試驗

　　試驗分成二組，第一組為預曝氣池停留時間的對比，第二組為再生池停留時間的對比，主要試驗條件見表4。絮凝劑投加量仍是15mg/L。

表4　對比試驗的控制條件 源水流量(m³/h) 預曝池停留時間(h) 再生池停留時間(h) 污泥循環流量(m³/h) 用氣量(m³/h) 預曝氣池再生池 2.5 2.0 5(1.0) 0.5 1.5～3.0 3.5～6.0 3.5 1.4 5(0.7) 0.5 1.5～3.0 3.5～6.0 5.0 1.0 5(0.5) 0.5 1.5～3.0 3.5～6.0 6.0 0.83 5(0.5) 0.5 1.5～3.0 3.5～6.0 2.5 2.0 0 0.5 4.0～6.0 3.5～6.0 5.0 1.0 3(0.3) 0.5 2.0～4.0 4.0～6.0 注：再生池停留時間括號前相當于污泥循環流量的停留時間，括號內相當于進水流量的停留時間。

　　預曝氣池停留時間對處理效果的影響見表5，再生池停留時間對處理效果的影響見表6。從表5、6中可知，停留時間對氨氮的去除率影響最大，停留時間越長，出水氨氮越低，去除率越高。

表5　預曝氣池停留時間對處理效果的影響

表 停留時間(h) 出水平均值 NH₃-N去除率(%) NH₃-N下降總量(g/h) 預曝氣池 再生池 濁度(NTU) NH₃-N(mg/L) NO₂-N(mg/L) 2.0 1.0 0.57 0.80 0.037 84.9 11.25 1.4 0.7 0.44 1.38 0.246 73.7 13.57 1.1 0.6 0.82 1.94 0.253 59.8 13.03 1.0 0.5 0.44 2.21 0.137 55.3 13.63 0.8 0.5 0.50 2.63 0.100 51.5 13.98 注：NH₃-N下降總量=處理水量(m³/h)×NH₃-N下降值(g/m³)。

表6　再生池停留時間對處理效果的影響 進水流量(m³/h) 再生池停留時間(h) 濁度(NTU) NH₃-N 源水 出水 源水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 下降總量(g/h) 2.5 5(1.0) 123 0.57 5.30 0.80 84.9 11.25 2.5 0 87 0.97 6.95 2.80 59.7 10.38 5.0 5(0.5) 120 0.44 4.94 2.21 55.3 13.63 5.0 3(0.3) 53 0.60 5.59 2.55 54.4 15.20 5.0 0 82 1.60 5.24 2.58 50.8 13.30

5 污泥濃度的影響

　　再生池的污泥來自沉淀池底部，沉淀污泥來自反應池中生成的絮凝體，它由兩部分組成：一是水中懸浮物的固體顆粒，二是投加的絮凝劑。按可靠性試驗的條件來計算，沉淀污泥中由濁度帶來的懸浮顆粒大約占86.6%，而絮凝劑大約占13.2%，擔任微生物載體主要是水中的懸浮物，它同人造載體不同與微生物有著天然的密切聯系，也就是說在沉淀污泥中生長著大量的微生物，包括去除氨氮需要的硝化菌。
用循環的再生污泥來替代接觸氧化池中的填料，顯然污泥的濃度成為至關重要的因素。直接測定硝化菌的濃度比較困難，可通過間接測定再生池的污泥濃度和預曝氣池出水的懸浮固體來考察載體的多少。圖4反映可靠性試驗時SS同預曝氣池氨氮下降量的關系。當再生池排除的污泥濃度高時，預曝氣池出水的懸浮固體濃度就高，而此時預曝氣池氨氮的下降值就大。試驗表明，要想達到較高的除氨氮效果，應使再生池排放的污泥濃度＞10 g/L，預曝氣池內水的懸浮固體濃度＞1.5 g/L。

6　結論

　　①用沉淀污泥循環來替代生物接觸氧化池中的填料，以此為基礎建立的處理微污染水中氨 氮的工藝是可行的，具有接種容易、啟動快的特點，能適應常規的凈水工藝，并且管理簡單 、運行可靠。
　　②推薦的主要工藝參數：
　　a.在常規凈水工藝反應池前設置預曝氣池，水力停留時間為2～3 h，若采用微孔曝氣，氣水 比為(0.5～1)∶1。
　　b.在沉淀池排泥口和預曝氣池之間設置污泥再生池，進行流量和濃度的調節，提高污泥的溶 解氧濃度，降低氨氮濃度。以進水流量計則水力停留時間為0.1～0.3 h，循環流量為進水流量的1/10～1/5，采用微孔曝氣的氣水比為(0.1～0. 2)∶1。
　　c.應使再生池污泥懸浮固體濃度＞10 g/L，預曝氣池內水的懸浮固體濃度＞1.5 g/L。
　　③在上述工藝條件下，當源水氨氮濃度＜5 mg/L時，出水氨氮濃度可以達到0.5～1.5 mg/ L，去除率可達70%～85%，亞硝酸鹽氮濃度＜0.1 mg/L，能明顯提高水質。
　　2000年根據中試成果建設的規模為5×10⁴m³/d的源水預處理工程投入了生產運行，取 得了同樣的去除氨氮的效果。

參考文獻：

　　 ［1］岳舜琳.生物氧化在我國給水處理研究中的發展［J］.城鎮供水，1997，74(4)：4-10.
［2］肖羽堂，許建華.生物接觸氧化工藝應用評價［J］.凈水技術.1998，63(1)：31-34.
　　 ［3］ 徐國勛，陶紅.提高常規凈水工藝除氮能力的試驗研究［J］.城市環境與城市生態，2001，1 4(4)：50-53.

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　　收稿日期：2001-07-26