牡蛎壳填料曝气生物滤池去除水源水中的氨氮

苏 兵，段金明，2 ，方宏达，2，郑斌全，许东升

(1.集美大学生物工程学院，福建 厦门 361021；2.集美大学环境工程研究所，福建 厦门 361021)

牡蛎壳填料曝气生物滤池去除水源水中的氨氮

苏 兵1，段金明1，2，方宏达1，2，郑斌全1，许东升1

(1.集美大学生物工程学院，福建 厦门 361021；2.集美大学环境工程研究所，福建 厦门 361021)

采用以牡蛎壳为填料的内循环曝气生物滤池，对模拟水源水中氨氮进行处理，考察了水力停留时间、曝气量、pH值等因素对氨氮去除效果的影响.结果表明，该系统在水力停留时间为4 h，曝气量为2.0 L /min，pH=7.5～8.0的最佳条件下，对氨氮的去除率达到90%以上，出水氨氮浓度达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅱ类水体的水质标准.可见，牡蛎壳是一种较好的曝气生物滤池填料，内循环可以显著提高曝气生物滤池脱氮效果.

牡蛎壳；内循环曝气生物滤池；水源水；氨氮

0 引言

氨氮是引起水体富营养化的主要因素之一，其本身不仅对人体有毒害，还能在一定条件下转化为对人体毒性更大的亚硝酸盐.因此，如何经济、有效地去除饮用水源水中低浓度的氨氮，已成为人们广泛关注的问题[1].曝气生物滤池(Biological Aerated Filter，简称BAF)是一种新型生物膜处理技术，具有抗冲击负荷能力强、占地面积小、水力停留时间短、处理效率高等优点，在水处理领域有着广泛的应用前景[2-3].相对污水而言，水源水中有机物(碳源)的含量会低很多，而BAF中的生物膜能在低有机物浓度情况下保持较多的生物量，所以，BAF工艺适用于水源水处理[4-6].BAF工艺成功与否的关键是生物载体填料的选择，它直接影响BAF的处理效果和运行成本[6-7].QIU等[8]对比研究了沸石、陶粒、碳酸盐填料的BAF的处理效能，发现碳酸盐BAF具有良好的pH值缓冲能力和稳定的硝化效率，比较适于处理低pH值或者pH值不断变化的污水.常见的填料有陶粒、沸石、粉煤灰、焦炭、石英砂、活性炭、膨润土等[1,6-8].我国沿海地区盛产牡砺，大量的牡蛎壳被当成垃圾扔掉，对沿海城市环境卫生造成了严重的污染.牡蛎壳表面粗糙，比表面积大，具有较强的吸附能力，是BAF生物膜的理想载体[9-11].近年来已有学者以牡蛎壳作为填料，采用曝气生物滤池去除污水中有机物、氨氮和磷，取得良好的去除效果[9-11]，但是，该方法应用于去除水源水中低浓度氨氮的研究仍未见报道.本文以牡蛎壳为填料，采用自制的内循环曝气生物滤池，去除模拟水源水中低浓度氨氮，研究了氨氮的去除效果及其影响因素，以确定其最优运行工艺条件.

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验用水：进水依据实际饮用水源水的性质，采用人工模拟水源水， 以葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾、氨水、氯化钙等按一定比例配制而成，其氨氮为1.2～7.8 mg/L、COD为172.8～280.3 mg/L、BOD5为56.5～92.3 mg/L、pH=7.0～7.5.

实验填料：牡蛎壳采集于厦门市集美水产品市场，并用清水冲洗干净，自然晾干，粒径为3～5 cm.

1.2 实验装置

实验装置如图1所示.内循环曝气生物滤池由有机玻璃制作，由内筒和外筒组成，内外筒底部相连，内筒直径为7.5 cm，外筒直径为15 cm，外筒高约50 cm，实验中有效容积7 L.其中内外筒间填充35 cm高的牡蛎壳(孔隙率约80%).运行方式为：空气从反应器内循环部分底部充入，气体流量由空气流量计控制，污泥在内循环部分由于气流的运动而向上运动，在升流管顶部进入外循环部分，由于重力作用向下运动，在向下运动的过程中与牡蛎壳充分接触，到外部底部时再次进入系统内循环部分，从而在反应器内部形成循环流动.

1.3 实验方法

采用接种挂膜，挂膜完成后，考察不同水力停留时间、pH值、曝气量等因素对氨氮去除效果的影响.在进水氨氮质量浓度分别为2.67、3.12、4.39、5.15 mg/L时，pH值为7.5，水温为22.3～24.5 ℃，曝气量为2.0 L/min的条件下，考察水力停留时间(HRT)分别为0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6 h时氨氮去除效果；在进水氨氮质量浓度为5 mg/L，水温为22.3～24.5 ℃，曝气量为2.0 L/min的条件下，考察pH值分别为6.5、7.0、7.5、8.0和8.5时对氨氮去除效果的影响；在进水氨氮浓度为5 mg/L，pH值为7.5，水温为22.3～24.5 ℃的条件下，考察曝气量分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 L/min时对氨氮去除效果的影响.氨氮、pH值均采用标准分析方法[12]，其中氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定.

2 结果与讨论

2.1 牡蛎壳填料内循环曝气生物滤池挂膜与启动

本实验采用接种挂膜的方式，最初为了防止微生物的流失，水力停留时间保持为24 h.运行5 d后，水力停留时间缩短至12 h，并随着BAF运行时间的延长，逐渐缩短水力停留时间.当BAF运行至第10 d时，水力停留时间缩短到6 h，至第15 d后，水力停留时间为4 h.图2显示了挂膜期间对氨氮的去除效果，由图2可知，在第1 d进水氨氮质量浓度为15.17 mg/L，系统对氨氮的去除率达到97.60%.此后每天逐步提高进水氨氮浓度，到第10 d进水氨氮质量浓度提高到22.41 mg/L时，氨氮的去除率为98.01 %，此时，牡蛎壳表面还未形成生物膜，主要靠牡蛎壳的吸附和离子交换作用去除氨氮[9,13].而第13 d时，当进水氨氮质量浓度增加到29.96 mg/L时，氨氮去除率略有下降.原因是生物膜还未完全形成，牡蛎壳的吸附作用仍然起主要作用，运行到第13 d时，牡蛎壳吸附能力或已达到饱和状态，所以氨氮去除率有所下降.16 d后，进水氨氮浓度已提高到设定要求，此时，氨氮去除率仍高达97.23%，此后，氨氮的去除效果一直保持稳定，说明牡蛎壳表面上的生物膜逐步成熟，挂膜成功.挂膜18 d，牡蛎壳外观变成黄褐色，通过光学显微镜镜检到线虫、钟虫、草履虫等.

2.2 水力停留时间对氨氮去除率的影响

由图3可以看出，水力停留时间由0.5 h增加至4 h时，4种不同进水氨氮浓度的废水经过处理后，均呈现一个共同特点，即氨氮去除率随水力停留时间的延长而增大.当水力停留时间超过4 h后，继续增加水力停留时间，氨氮的去除效果却没有明显变化，这说明适当地延长水力停留时间可以显著地提高反应器的硝化脱氮效能.当水力停留时间太短时，微生物与污染物的接触时间较短，故难以发挥较大的作用；当水力停留时间充足时，曝气生物滤池内微生物系统的生态结构在生物膜内部组成和沿水流方向的空间分布上保持着较稳定的动态平衡[14]，硝化细菌数量也达到相对稳定的状态，这时硝化反应比较活跃，氨氮去除率高.但当水力停留时间继续增加，导致水体中营养物质耗尽，硝化反应受到抑制,所以氨氮去除率基本保持不变.

2.3 不同曝气量对氨氮去除率的影响

由图4 可知，当曝气量(Q)由1 L/min增加到2.5 L/min，系统对氨氮的去除率由88.22%升高到91.04 %，出水氨氮质量浓度由0.59 mg/L降至0.44 mg/L.可见，当曝气量在1～2.5 L/min时，系统对氨氮的去除效果变化并不明显.究其原因，虽然好氧硝化作用随着曝气量增大而增强，但当曝气量在1 L/min时，系统对氨氮已达到较高的去除率，说明水中的溶解氧已充足，所以继续增大曝气量，氨氮的去除率增加的不明显.当曝气量增至3 L/min时，氨氮去除率略有下降(氨氮去除率为90.97%)，这可能有两方面原因：一是水源水中营养物质相对于生活污水较为贫乏，当曝气量过大时，微生物活性过度增强，营养物质供给不足，致使生物膜发生自身氧化分解，处理效果下降[4,15]；二是曝气量过大时，水流和气流对牡蛎壳表面的冲刷和剪切作用过强，使得牡蛎壳表面的生物膜脱落并被水流携带出滤层，从而导致氨氮的去除率下降.综合考虑，本实验最佳曝气量为2.0 L/min.

2.4 pH值对氨氮去除效果的影响

pH值是影响硝化菌的生长及脱氮酶活性的关键因素.在硝化去除氨氮的过程中，硝化反应会产生H+，致使pH值下降，而硝化菌对pH值的变化比较敏感，其生长的最佳pH值为8.0～8.4[5]，低的pH值会抑制硝化菌的活性.由图5可以看出，当进水pH值为6.5时，牡蛎壳填料BAF对氨氮去除率只有55.9 %，当进水pH值处于7.5～8.0范围时，氨氮去除率达到90 %以上；pH值高于8.0时，氨氮去除率则低于86 %.因此pH值的适宜范围应为7.5～8.0.

2.5 牡蛎壳填料与其他填料在处理低浓度氨氮水源水的对比

为了评估牡蛎壳填料在处理水源水中氨氮的应用前景，将其和瓷珠、聚烯烃塑料、陶粒、沸石等几种填料在低浓度氨氮水源水中的处理效果进行了比较，结果如表1所示.由表1可以看出，牡蛎壳填料相对于其他填料在处理水源水中氨氮时具有较大的优势，其对氨氮的去除率明显高于其他几种填料.其来源稳定、价格低廉，所以在处理水源水中氨氮时具有良好的应用前景.

表1 牡蛎壳填料与其他填料对氨氮处理效果的比较

3 结论

1)牡蛎壳填料内循环曝气生物滤池采用接种挂膜，历时18 d挂膜期间，氨氮的平均去除率达到97.50%，反应器运行稳定，滤料表面生物相生长良好.

2)牡蛎壳填料内循环曝气生物滤池去除氨氮的最佳运行条件为：水力停留时间4 h，曝气量2.0 L/min，pH=7.5～8.0，在此最佳条件下处理初始氨氮质量浓度为5 mg/L左右的模拟水源水，氨氮去除率达到90 %以上，出水达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中II类水体的水质标准(氨氮质量浓度<0.5 mg/L)，满足集中式生活饮用水地表水源地一级保护区要求.

[1]杨林,薛罡,李小琴,等.沸石曝气生物滤池预处理微污染水源水中氨氮的研究 [J].环境污染与防治,2009,31(11):9-12.

[2]RYU H D，KIM D，LIIM H E，et al． Nitrogen removal from low carbon-to-nitrogen wastewater in four-stage biological aerated filter system[J].Process Biochemistry,2008,43(7):729-735．

[3]唐少宇，周如金，钟华文，等.曝气生物滤池技术的研究进展[J].现代化工,2013,33(2):24-27.

[4]ALBUQUERQUE A,MAKINIA J,PAGILLA K.Impact of aeration conditions on the removal of low concentrations of nitrogen in a tertiary partially aerated biological filter [J].Ecological Engineering,2012,44:44-52.

[6]HAN S X，YUE Q Y，YUE M，et al． Effect of sludge-fly ash ceramic particles ( SFCP) on synthetic wastewater treatment in an A/O combined biological aerated filter [J]．Bioresource Technology,2009,100(3):1149-1155．

[7]张守彬,邱立平,杜茂安,等.3种填料曝气生物滤池处理效能及硝化特性对比[J].哈尔滨工业大学学报,2009,41(2):57-60.

[8]QIU L P，ZHANG S，WANG G． Performances and nitrification properties of biological aerated filters with zeolite，ceramic particle and carbonate media[J]．Bioresource Technology，2010，101(19):7245-7251．

[9]LUO H B,HUANG G,FU X Y,et al.Waste oyster shell as a kind of active filler to treat the combined wastewater at an estuary [J].Journal of Environmental Sciences,2013,25(10):2047-2055.

[10]LIU Y X，YANG T O,YUAN D X,et al． Study of municipal wastewater treatment with oyster shell as biological aerated filter media[J].Desalination,2010,254:149-153．

[11]叶志隆,熊小京,芦敏.贝壳填料曝气生物滤池的硝化特性研究[J].中国给水排水,2006,22(3):1-3.

[12]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社,2002.

[13]林荣晓，苏永昌，刘淑集,等.牡蛎壳在水质改良中的应用 [J].福建水产,2012,34(5):428- 431.

[14]邱立平,马军,张立昕.水力停留时间对曝气生物滤池处理效能及运行特性的影响 [J].环境污染与防治,2004,26(6):433- 436.

[15]李秀芳,吴建堃,王志远.UBAF组合工艺处理低浓度氨氮性能研究 [J].化学与生物工程,2009,26(9):76-78.

[16]刘建广,张晓健,王占生，等.瓷珠曝气生物滤池去除源水中氨氮研究 [J].中国给水排水,2005,21(5):32-35.

[17]王文兵，陆少鸣,易慧,等.曝气生物滤池预处理微污染源水的中试研究 [J].水处理技术，2007,33(3):49-51.

[18]魏晓安,陈丽,陆少鸣,等.曝气生物滤池去除水中氨氮的试验研究 [J].给水排水,2007,33(3):24-25.

[19]杨林，薛罡，李小琴，等.沸石曝气生物滤池预处理微污染水源水中氨氮的研究 [J].环境污染与防治,2009,31(11):9-16.

(责任编辑 马建华 英文审校 曹敏杰)

Simulation Study on Removal of Ammonia Nitrogen from Source Water with Oyster Shell by Biological Aerated Filter

SU Bing1,DUAN Jin-ming1,2，FANG Hong-da1,2，ZHENG Bin-quan1,XU Dong-sheng1

(1.College of Biological Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China;2.Institute of Environmental Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China)

Internal Circulation Biological Aerated Filter (ICBAF) with oyster shell as the filler was employed for the treatment of ammonia nitrogen from simulated source water.The experiments were carried out to investigate the effect of hydraulic retention time (HRT),aeration rate and pH on the removal efficiency of ammonia-nitrogen.Results showed that oyster shells were good carriers in the ICBAF reactor,and the removal efficiency of ammonia-nitrogen was significantly enhanced by effluent recirculation.The optimal condition was HRT of 4 h,aeration rate of 2.0 L/min at pH 7.5～8.0，and the removal efficiency of ammonia-nitrogen reached higher than 90 %.The quality of the effluent reached the case II category surface water according to the standard GB 3838—2002.

oyster shell;Internal Circulation Biological Aerated Filter (ICBAF);source water;ammonia nitrogen

2013-10-10

2014-01-09 [基金项目]福建省科技计划项目(2013N5008)；福建省教育厅资助项目(JA10194)；集美大学创新团队基金资助项目(2010A007);福建省大学生创新性实验计划项目(Z81128)

苏兵(1987—)，男，硕士生，从事环境微生物学研究.通讯作者：段金明(1974—)，男，副教授，博士，硕导，从事水处理技术研究，E-mail:duanjinming@jmu.edu.cn.

1007-7405(2014)02-0095-05

X 703

A