沸石床曝气生物滤池处理低浓度生活污水试验研究

清华大学环境科学与工程系
田文华 南国英 文湘华 钱易

1. 前言

　　为解决生活污水回用作为循环冷却水时氨氮超标的问题，开发了一种新型的污水处理设备-沸石床曝气生物滤池。它将天然沸石优良的选择性离子交换性能与曝气生物滤池的硝化功能结合起来，同时实现了过滤吸附、离子交换、生物氧化、生物再生等功能，具有挂膜时间短，出水水质好的特点，水质满足电厂循环冷却水要求。

2. 研究方法

　　（1） 静态试验：密度参照《水处理用石英砂滤料》（CJ/T43-1999），最小流化速度按照T.D.Kent等人提供的方法测定。挂膜量的测定方法为15.00g滤料，接种污泥，在室温条件下培养15天。氨交换容量的方法为5.00g滤料，加入 100ml 20mg/L的 NH₄⁺-N溶液，25℃，振荡4小时。
　　（2）动态试验：反应器采用Ф200mm有机玻璃柱，填料高度3m，填料粒径4～6mm，下向流。反应器安装在清华大学水污染控制国家重点实验室，试验用水为校园生活污水。

3. 结果与讨论

　　3.1 沸石填料基本性质测定
　　对搜集到的全国四个矿区8种沸石产品进行测试后，选定某地所产的斜发沸石作为滤料（简称沸石A）。对粒径不同的沸石A和粘土陶粒及页岩陶粒进行的对比试验见表1。可见沸石A的挂膜量约是陶粒的2倍，氨交换容量很大，而陶粒则不具备氨交换能力。沸石表面带正电荷，与细菌的电荷相反，并且表面粗糙多孔，这可能是它比陶粒容易挂膜的主要原因。沸石的不足之处是密度稍大，但粒径较小时，最小流化速度接近陶粒；另外强度不如陶粒，但在动态试验中发现，开始时沸石的磨损率较高，以后则基本不变。

表 1 沸石与陶粒基本性质对比 名称 外观 粒径
(mm) 密度
（kg/m3） 堆积密度
（kg/m3） 氨交换容量
(mgNH₄⁺-N/g) 最小流化速度Vmf
(m/h) 挂膜量
(g/g) 沸石A 灰褐色粒状 4～6 2266 944 0.21 203 0.051 沸石A 2～3 2210 982
0.27 101 － 粘土陶粒 暗红色球状 2～4 1919 830 ０ 129 0.025 页岩陶粒 黑色粒状 3～5 1185 743 0.1 － －

　　3.2 沸石床曝气生物滤池挂膜性能
　　采用接种挂膜，水力负荷1.12m3/m2h,曝气量0.16m3/h，温度27～32℃。挂膜期间COD和氨氮的去除效果见表2和图1。

表 2 挂膜期间COD和氨氮去除效果 指标 进水浓度
(mg/L) 出水浓度
(mg/L) 去除率
（%） 平均负荷
（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

　　挂膜刚开始时出口COD和氨氮浓度就很低，通过镜检发现7天时异养菌活动即十分活跃，进行了第一次反洗；约15天即有很强的硝化作用。沸石在表面没有生物膜的情况下，就能去除COD，说明它对有机物具有微孔吸附作用。对氨氮的高去除率得益于它的选择交换性，据测算，作为交换柱12天就可达到饱和，实际上直到第21天出口氨氮浓度才开始上升。通过测定沿程的总氮、氨氮、硝酸盐和亚硝酸盐的变化，发现挂膜初期靠离子交换作用去除氨氮，挂膜中期离子交换和硝化反应共同起作用，末期离子交换和硝化反应达到平衡。进一步的试验发现，沸石表面形成生物膜后仍具有很强的交换氨氮的能力，而且硝化菌能利用已交换到沸石空隙中的氨氮，也就是说具有生物再生的能力。因此，沸石表面更有利于硝化菌的生长，并具有很强的抗氨氮冲击负荷的能力。
　　3.3 沸石床曝气生物滤池处理低浓度生活污水试验
　　低浓度生活污水的处理是个难点。将校园生活污水稀释1～2倍后，在水力负荷2.2m3/m2h,曝气量0.12m3/h，温度15～17℃下处理结果见表3。可见在较低的容积负荷下COD和氨氮去除率分别可达到73.7%和96.8%。

表 3 低浓度生活污水的处理结果（平均值） 指标 进水浓度(mg/L) 出水浓(mg/L) 去除率（%） 负荷（kg/m3d） COD 66.2 16.3 73.7 1.2 氨氮 18.9 0.6 96.8 0.3

4. 结论

　　（1）沸石表面带正电，粗糙多孔，且具有很强的氨交换能力，比陶粒更容易挂膜，密度和强度符合曝气生物滤池要求，适合作为滤料。
　　（2）沸石床曝气生物滤池依靠离子交换和硝化反应去除氨氮，硝化菌对已交换了氨氮的沸石具有生物再生功能。
　　（3）沸石床曝气生物滤池非常适合去除低浓度生活污水，出水满足循环冷却水水质要求。