利用沉淀池排泥去除氨氮的中试研究

徐国勋，谢海英，陶红
(上海理工大学城市建设与环境工程学院，上海200093)

　　摘　要：利用常规给水处理工艺中沉淀池产生的污泥作为微生物的载体，进行了去除氨氮的中试研究，并详细介绍了硝化菌培养、可靠性试验和对比试验。在预曝气池水力停留时间为2～3h、再生池水力停留时间为0.1～0.3 h、再生池污泥的SS＞10g/L、预曝气池中的SS＞1.5g/L时，氨氮的去除率可达70%～85%。
　　关键词：给水处理；氨氮；硝化反应；微生物载体
　　中图分类号：TU991.22
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)12-0073-04

　　我国河流有机污染普遍，主要湖泊富营养化严重，其中典型水域仍以氨氮和有机污染为主。以浙江省杭嘉湖平原为例，由于农业、工业和生活污水的污染使河网地区地表水的氨氮普遍超标，严重影响城市自来水的水质。针对微污染源水，目前主要处理方法有生物氧化、臭氧氧化、二氧化氯氧化、活性炭吸附、高锰酸钾氧化和膜处理等［1、2］。
　　充分利用常规净水工艺，提高其去除氨氮的能力是此次试验的主要目的。利用沉淀污泥的循环来实现氨氮的转化过程，不需要接触氧化池的软性填料和生物滤池的陶料，从而减少基建投资和运行费用，对运行管理也将产生有益的作用［3］。

1　工艺流程和试验装置

1.1工艺流程
　　试验地点在杭嘉湖平原某城市的自来水厂工地，工艺流程和装置选择充分遵守该净水厂的设计选型和设计参数，中试的工艺流程如图1所示。

1.2试验装置
　　中试装置由构筑物、设备及连接管道、阀门等组成，试验装置的平面布置见图2。构筑物由钢板焊接而成，试验规模为5m³/h，构筑物的主要参数见表1。

表1　构筑物的主要参数 名称 外形尺寸 有效容积(m³) 停留时间(min) 预曝气池 1 800 mm×1 000 mm×3 200mm 5.00 60 机械反应池 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 均质滤料滤池 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 絮凝剂溶解池 1 000 mm×1 200mm 0.78 　 注：滤池的过滤面积为0.8m²，滤速为7m/h。

　　预曝气池和滤池反冲洗所需的压缩空气均由空气压缩机提供。在再生池和预曝气池底部放置12个可变微孔曝气器，在预曝气池和反应池内各放置2台变频搅拌器，在再生池和絮凝剂溶解池中各放置1台变频搅拌器。
1.3水质化验项目和方法
　　试验需要的水质化验项目和采用的分析方法见表2。试验采用的絮凝剂前期是3%～5%的硫酸铝溶液，后期是1.7%的聚合氯化铝溶液。

表2　化验项目和分析方法 化验项目 分析方法 浊度 散射光法 色度 铂-钴标准比色法 TKN 汞催化矿化法 NH₃-N 钠氏试剂光度法 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 玻璃电极法 碱度 酸碱指示剂滴定法 余氯 邻联甲苯胺比色法 温度 温度计 DO 碘量法 SS 重量法

2　试验准备

2.1　源水水质
　　表3列出了试验期间(4月—6月)源水的水质情况。氨氮浓度通常为3～6mg/L，最高可达7～8mg/L。氨氮浓度和气温明显相关，4月份最低，气温升高氨氮浓度也相应升高，到6月份居高不下。其他反映有机污染物的指标，例如CODMn偏高常在7～10mg/L范围内，略高于地面水环境Ⅲ类质量标准(规定为6mg/L)。

表3　试验期间源水水质情况 项目 检测值 浊度(NTU) 8.2～180 色度(倍) 27～50 水温(℃) 16.4～30.0 pH值 7.10～8.06 碱度(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　常规净水工艺试验
　　首先进行的是常规净水工艺试验，考察在设计流量下是否具有良好的净水效果；通过源水、沉淀出水、最终出水水质的检测，了解常规净水工艺的去除能力。
　　试验表明，沉淀出水水质同絮凝剂投量有关，适宜投药量下的出水水质还是不错的。中试装置能满足试验的要求，而含氮化合物(无论是NH₃-N、NO₃-N还是NO₂-N)基本没有明显的变化，有时略有下降，这表明依靠常规净水工艺难以去除氨氮。
2.3　硝化菌培养试验
　　采取下列措施进行硝化菌的培养：　
　　①向再生池和预曝气池各投加附近河道淤泥(质量为200kg)；
　　②将再生池和预曝气池的连接管道进行改造，形成水流在再生池—预曝气池—再生池内的小循环；
　　③再生池及预曝气池24 h连续曝气。
　　整个中试装置停止运行，水流只是在再生池和预曝气池之间循环流动，重点考察水中pH值、碱度和含氮化合物发生的变化。
　　投加河泥后24h测定，NH₃-N浓度明显下降，NO₃-N、NO₂-N浓度明显升高，pH值、碱度明显下降。NH₃-N浓度已下降1.5mg/L，NO₃-N浓度上升0.8mg/L，NO₂-N浓度上升0.04mg/L。随着时间的推移这种趋势继续发展，48h后NH₃-N浓度从3.6mg/L下降到0.62mg/L，可以认为已具有明显的去除氨氮的效果。
　　从试验中可以看出，除氮过程是典型的生物硝化反应，即pH值下降、碱度下降、NH₃-N浓度下降、而NO3-N和NO₂-N浓度上升。从培养速度看是相当快的，只需48h就使NH₃-N浓度降到1mg/L以下。这与生物陶料滤池和生物接触氧化池需要10～30d的培养期相比，可以说占有相当的优势。
2.4　启动期试验
　　考虑到从静态转为动态运行应该有个过程，在动态运行中硝化菌也有个增殖和减少的矛盾，故应保证随着流量增加，使硝化菌的数量也得到增加，为此设立了启动期试验，一方面将再生池和预曝气池的静态运行转变为整个装置的动态运行，另一方面将进水流量从1m³/h逐渐增加到5.0m³/h。
　　试验进水和出水相比，NH3-N浓度降低，进水平均值为3.97mg/L，出水平均值为2.00mg/L，其去除率为49.6%。这表明在动态条件下，仍能保持NH3-N的去除势头，意味着硝化菌在运行过程中能保持一定的数量。

3　可靠性试验

　　可靠性试验共进行了16d，24h连续运行，进水流量为4.5m³/h，反应池的聚合氯化铝投量为15mg/L。再生池、预曝气池中的搅拌器停用，再生池循环水量为0.57～0.70m³/h，再生池用气量为3.5～6.0m³/h，预曝气池用气量为1.5～3.0m³/h。试验结果表明，当源水浊度为71～145NTU时，沉淀出水平均浊度为6.3NTU，最终出水水质良好，平均值为0.77NTU。与此同时，各个阶段氨氮的日平均变化曲线见图3。试验期间水温在23～29℃，氨氮平均去除率为59.8%，最高去除率为66.9%，最低为49.1%，这表明去除氨氮的效果是稳定可靠的。

4　对比试验

　　试验分成二组，第一组为预曝气池停留时间的对比，第二组为再生池停留时间的对比，主要试验条件见表4。絮凝剂投加量仍是15mg/L。

表4　对比试验的控制条件 源水流量(m³/h) 预曝池停留时间(h) 再生池停留时间(h) 污泥循环流量(m³/h) 用气量(m³/h) 预曝气池再生池 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：再生池停留时间括号前相当于污泥循环流量的停留时间，括号内相当于进水流量的停留时间。

　　预曝气池停留时间对处理效果的影响见表5，再生池停留时间对处理效果的影响见表6。从表5、6中可知，停留时间对氨氮的去除率影响最大，停留时间越长，出水氨氮越低，去除率越高。

表5　预曝气池停留时间对处理效果的影响

表 停留时间(h) 出水平均值 NH₃-N去除率(%) NH₃-N下降总量(g/h) 预曝气池 再生池 浊度(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下降总量=处理水量(m³/h)×NH₃-N下降值(g/m³)。

表6　再生池停留时间对处理效果的影响 进水流量(m³/h) 再生池停留时间(h) 浊度(NTU) NH₃-N 源水 出水 源水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 下降总量(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 污泥浓度的影响

　　再生池的污泥来自沉淀池底部，沉淀污泥来自反应池中生成的絮凝体，它由两部分组成：一是水中悬浮物的固体颗粒，二是投加的絮凝剂。按可靠性试验的条件来计算，沉淀污泥中由浊度带来的悬浮颗粒大约占86.6%，而絮凝剂大约占13.2%，担任微生物载体主要是水中的悬浮物，它同人造载体不同与微生物有着天然的密切联系，也就是说在沉淀污泥中生长着大量的微生物，包括去除氨氮需要的硝化菌。
用循环的再生污泥来替代接触氧化池中的填料，显然污泥的浓度成为至关重要的因素。直接测定硝化菌的浓度比较困难，可通过间接测定再生池的污泥浓度和预曝气池出水的悬浮固体来考察载体的多少。图4反映可靠性试验时SS同预曝气池氨氮下降量的关系。当再生池排除的污泥浓度高时，预曝气池出水的悬浮固体浓度就高，而此时预曝气池氨氮的下降值就大。试验表明，要想达到较高的除氨氮效果，应使再生池排放的污泥浓度＞10 g/L，预曝气池内水的悬浮固体浓度＞1.5 g/L。

6　结论

　　①用沉淀污泥循环来替代生物接触氧化池中的填料，以此为基础建立的处理微污染水中氨 氮的工艺是可行的，具有接种容易、启动快的特点，能适应常规的净水工艺，并且管理简单 、运行可靠。
　　②推荐的主要工艺参数：
　　a.在常规净水工艺反应池前设置预曝气池，水力停留时间为2～3 h，若采用微孔曝气，气水 比为(0.5～1)∶1。
　　b.在沉淀池排泥口和预曝气池之间设置污泥再生池，进行流量和浓度的调节，提高污泥的溶 解氧浓度，降低氨氮浓度。以进水流量计则水力停留时间为0.1～0.3 h，循环流量为进水流量的1/10～1/5，采用微孔曝气的气水比为(0.1～0. 2)∶1。
　　c.应使再生池污泥悬浮固体浓度＞10 g/L，预曝气池内水的悬浮固体浓度＞1.5 g/L。
　　③在上述工艺条件下，当源水氨氮浓度＜5 mg/L时，出水氨氮浓度可以达到0.5～1.5 mg/ L，去除率可达70%～85%，亚硝酸盐氮浓度＜0.1 mg/L，能明显提高水质。
　　2000年根据中试成果建设的规模为5×10⁴m³/d的源水预处理工程投入了生产运行，取 得了同样的去除氨氮的效果。

参考文献：

　　 ［1］岳舜琳.生物氧化在我国给水处理研究中的发展［J］.城镇供水，1997，74(4)：4-10.
［2］肖羽堂，许建华.生物接触氧化工艺应用评价［J］.净水技术.1998，63(1)：31-34.
　　 ［3］ 徐国勋，陶红.提高常规净水工艺除氮能力的试验研究［J］.城市环境与城市生态，2001，1 4(4)：50-53.

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　　收稿日期：2001-07-26