包埋菌-超滤工艺处理氨氮微污染水源效果研究

雷晓玲，肖 琴，杨 程，魏泽军 ，颜 海

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；2.重庆市科学技术研究院，重庆 401123；3.中机中联工程有限公司，重庆 400000)

重庆市村镇饮用水源大多以水库水为主，其中大部分水源地受周边环境及人类活动影响，具有污染物种类多、性质复杂，且污染物浓度较低的特点，这类水源被称为微污染水源[1]。通常此类水不能作为饮用水源，但在无替代水源，也不能通过延长其他水厂的供水管网的方式，来满足村镇居民用上“放心水”的需求时，通过技术手段来解决成为有效途径。研究团队在解决此类水源水问题上开展了一些探索工作[1-2]，并且进行了工程实践[3]，解决了当地居民安全饮水问题。

微污染水体中，氨氮超标最为常见，且传统工艺对氨氮的去除十分有限，出水经常性超标。目前为解决氨氮超标问题，部分水厂采用膜过滤法，利用膜的拦截作用将氨根离子等从水中截留下来，从而去除氨氮，但多数水厂常用生物法和物理化学法。物理化学法主要有折点加氯、化学沉淀、离子交换、电渗析和吸附等方法。生物法是利用各种好氧、厌氧微生物去除水中的氨氮，该方法方便管理，节省动力消耗，适用于有机物含量较低的水质净化。包埋固化优势菌种即是生物法的一种，是现代生物工程领域中新兴微生物固定技术，将微生物菌体包埋在聚物膜或凝胶小格中，使微生物被包埋在载体内部，同时允许小分子底物及反应代谢物自由扩散[4-5]。该方法在处理微污染水源中已有较多研究[6-7]，但包埋菌-超滤联用工艺对处理以氨氮、有机物为主要污染特征的微污染水源的效果少见报道。本研究采用包埋固定硝化菌颗粒载体(以下简称“包埋菌”)曝气池作为生物预处理，凝胶颗粒具有多空性结构，在实际运行中异氧微生物逐渐富集，表现出对有机物去除能力。将包埋菌与超滤工艺联用处理具有山地重庆典型特征的氨氮、有机物微污染水源，考察包埋菌-超滤联用工艺的处理效果，并与水厂传统工艺：絮凝-沉淀-无阀滤池-消毒出水水质进行对比，以期为类似微污染水源问题的解决提供技术及工程参考。

1 试验装置及方法

1.1 试验场地及装置概况

试验在重庆市璧山区某自来水厂进行，进水为水库水，高锰酸钾指数(CODMn)、氨氮值分别在6.5～8.0 mg/L、0.38～1.27 mg/L，属于重庆市典型的微污染水源水。水厂原采用前加氯-网格絮凝-斜管沉淀-无阀滤池-清水池工艺，受季节水质波动影响，出水不稳定。现采用包埋菌做预处理，共建有两座长宽高为4.8 m×1.2 m×1.5 m的包埋菌池，包埋菌池采用气升式流化床，水流形式为折流式，折板底部有格栅网，折板位于池中部，底部有曝气头，出水为三角溢流堰，溢流堰有格栅网包裹，以防止包埋菌颗粒流失，包埋菌填充率为30%。水厂共建有3座横截面为2.5 m×2.5 m的正方形超滤膜池，高3.5 m，每座超滤膜池有3组超滤膜组件，采用PLC系统自动控制运行。进水来自水厂原水管，经原水泵提升至包埋菌曝气池预处理后，再流入超滤膜池中，最后流入清水箱，经管网输送到用户，具体流程如图1所示。

图1 包埋菌-超滤联用工艺流程

1.2 试验方法

1)启动活化期：包埋菌装置连续进水，控制水力停留时间HRT=60 min、溶解氧DO=3～5 mg/L，对包埋菌进行启动与活化，当氨氮去除能力稳定后，即认为包埋菌活化完成。

2)HRT的优化选择：控制HRT为60、40、20、10 min，检测包埋菌出水氨氮、CODMn及其他水质指标，选择最佳HRT。

3)稳定运行期：HRT经步骤2)优化后，控制DO=3～5 mg/L，每日对原水、传统工艺出水、包埋菌池出水以及包埋菌-超滤联用出水的氨氮、CODMn和其他水质指标进行检测，考察对微污染水源的净化效果。

1.3 分析项目和方法

氨氮:纳氏试剂分光光度法；CODMn:酸性高锰酸钾法；浊度:HACH2100N浊度计；pH：便携式pH计；DO：便携式溶解氧仪；温度:水银温度计。

2 试验结果与分析

2.1 包埋菌颗粒的活化

试验所用包埋菌购自山西运城同辉环保公司，是边长约3 mm的立方体块，富有弹性，手感光滑，无异味，与水的密度相近，在水中具有良好的沉降性和物理化学稳定性，主要用于去除水中氨氮。由于所用包埋菌处于低温、低DO状态保存，在进入反应器前是惰性状态，且包埋过程会造成部分菌种死亡，载体内部的菌种量降低，故在应用过程中需要对包埋菌颗粒进行启动活化，活化条件如表1所示。

表1 包埋菌活化条件

活化期间原水氨氮平均浓度为0.65 mg/L，包埋菌颜色随活化时间逐渐由黑色变为浅褐色。包埋菌活化期间对氨氮的去除效果如图2所示，活化前25 d对氨氮的去除呈逐渐增长的趋势，在26 d后对氨氮去除率保持在70%左右，此时包埋菌活化完成。包埋菌在前期去除氨氮效率增长缓慢，后期增长迅速，原因在于包埋固化处理会影响硝化细菌活性，在后期细菌逐渐恢复活性且在填料内部不断增殖，随着微生物量持续增加，包埋菌对氨氮去除能力不断增强。对比贾宝秋等[8]实验的包埋菌在活化阶段对氨氮去除率最高在80%左右，本试验包埋菌对氨氮去除率稍低的原因在于该水源水的氨氮浓度与之相比较低。

图2 活化期间包埋菌对氨氮的去除效果

2.2 包埋菌HRT的优化与选择

包埋菌在HRT为60、40、20、10 min时对水质的去除情况如图3所示，氨氮平均去除率为70.4%、62.5%、56.2%、50.8%，CODMn的平均去除率分别为27%、19.7%、14.3%、9.2%，可见HRT从60 min降到10 min后，氨氮和CODMn去除率都有明显下降。当HRT在10 min以上时，包埋菌对氨氮去除率都在50.8%以上，出水氨氮浓度均小于0.32 mg/L，可达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求的氨氮<0.5 mg/L。由于HRT越长越有利于包埋菌和水中污染物充分反应，但HRT过长会增大工程设施投资运行成本，故从运行效果和经济性综合考虑选定HRT= 10 min。

图3 HRT对氨氮和CODMn去除率的影响

2.3 包埋菌-超滤联合工艺处理效果

2.3.1 对氨氮去除效果

包埋菌-超滤工艺去除微污染水源中氨氮效果如图4所示，进水氨氮浓度为0.38～1.27 mg/L，平均0.68 mg/L；水厂传统工艺出水氨氮浓度为0.22～0.98 mg/L，平均0.53 mg/L，平均去除率22%；包埋菌处理后的出水氨氮浓度为0.14～0.55 mg/L，平均0.33 mg/L，平均去除率51.5%，与余冬冬等[9]对广州某水厂微污染水源水试验结果类似，包埋菌对氨氮去除效果较好。包埋菌-超滤联用工艺出水氨氮浓度为0.09～0.4 mg/L，平均0.23 mg/L，平均去除率66.2%，比传统工艺高出44.2%。氨氮去除率低于活化期，主要是由于HRT不同。包埋菌活化期HRT= 60 min，更有利于载体内硝化细菌与水中污染物充分反应，稳定期内HRT= 10 min，氨氮去除率虽有所降低，但出水仍可达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求。

图4 包埋菌-超滤联用工艺对氨氮的去除效果

此外，硝化菌最佳生长温度为35～42 ℃，生物硝化反应最佳温度范围是20～30 ℃，低温不利于硝化细菌的生长繁殖，会降低生物活性。由于包埋菌稳定运行期内每日温度不同，对氨氮的去除率相应出现波动，但整体变化不大，该现象说明包埋固化后的硝化细菌对温度的变化仍然敏感，同时也具有较强的适应能力，能在短时间内适应温度变化，这也印证了尚海源等[10]的实验结果，固定硝化菌后没有改变硝化菌对高、低温的耐受程度，从而证明包埋菌-超滤联合工艺可以应对季节性温差变化带来的影响，保障出水稳定。

2.3.2 对CODMn去除效果

包埋菌-超滤工艺出水CODMn浓度及去除效果如图5所示。进水CODMn为6.5～8.0 mg/L，平均7.20 mg/L，传统工艺出水CODMn平均5.1 mg/L，平均去除率29.1%。包埋菌出水CODMn为5.5～7.3 mg/L，平均6.6 mg/L，平均去除率约8.3%，包埋菌-超滤工艺出水CODMn为4.40～4.90 mg/L，平均4.65 mg/L，可满足《生活饮用水卫生标准》中水源条件限制时的出水CODMn要求，平均去除率约35.4%，高出传统工艺6.3%。金勇威等[11]研究发现包埋菌对有机物的去除与原水中浓度有较大关系，CODMn含量较高时，平均去除率约25%，当原水CODMn较低时，平均去除率仅约6%。

图5 包埋菌-超滤联用工艺对CODMn的去除效果

包埋菌对去除CODMn有一定作用，但作用不明显，这是由于该水源水中CODMn含量本身较少，加之水流在迁移过程中本身具有自净作用，且CODMn中易被生物降解的部分较少。根据动力学原理，在一定的反应时间下，底物质量浓度越低，其反应速度越慢，对底物的降解越少。

3 结论

1)填充率为30%的包埋菌颗粒在DO=3～5 mg/L，HRT=60 min情况下，连续活化26 d后即可完成活化，活化期间对氨氮的去除率可达到70%以上。

2)稳定期内HRT=10 min，DO ≥2 mg/L，包埋菌-超滤联用工艺对氨氮去除率约66.2%，对CODMn去除率约35.4%，分别比传统工艺高出44.2%、6.3%。联用工艺出水指标可达到国家《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求。