臭氧-生物活性炭短流程工艺应对高氨氮的控制研究

刘清华 张晓娜 何嘉莉

（东莞市水务集团供水有限公司，广东东莞 523000）

目前我国大部分的水厂仍采用传统的工艺即混凝、沉淀、过滤、消毒来处理原水，而随着水源水质逐年下降，污染物种类和含量逐年增加的情况下，传统的工艺流程面临着严峻的挑战[1]，特别是国家标准106项的实施后部分传统水厂也相应做了一些技术升级改造，以此来改善出水水质，保障饮用水供水安全达标。

目前水厂为了提高水质而进行的技术改造升级主要有：臭氧-生物活性炭[2]、膜处理[3]、砂滤池改造[4]、生物预处理[5]等，基于成本以及地方所限，部分传统水厂主要会在原有构筑物的基础上或增设较少的构筑物进行改造，基于此臭氧-生物活性炭短流程工艺即混凝、沉淀、臭氧-生物活性炭过滤、消毒工艺具有较好的处理效果以及改造优势。

臭氧-生物活性炭短流程工艺将砂滤池改成活性炭滤池同时增设臭氧氧化，从而有效利用臭氧的强氧化性，将水中大分子有机物氧化成小分子和更容易被生物降解的有机物，同时臭氧氧化后也提高了水中的溶解氧浓度，活性炭巨大的比表面积有利于微生物的生长附着，这样活性炭表面的微生物降解臭氧氧化后的有机物，达到去除水中有机污染物的目的[6～9]。目前国内针对臭氧-生物活性炭短流程工艺应对突发的高氨氮原水的研究鲜见于报道，为此笔者针对臭氧-生物活性炭短流程工艺的特点，开展中试研究，旨在研究此工艺对原水中高氨氮以及有机物的处理效果，为水厂升级改造提供技术参考。

1.试验条件

1.1 试验工艺

试验原水取自D江，经过规模为5m3/h的中试装置：混凝、沉淀（斜管沉淀）、集水池、主臭氧、活性炭过滤，其中混凝剂为聚氯化铝，混凝沉淀后的水进入集水池，随后投加臭氧保证余臭氧浓度为0.05～0.10mg/L，臭氧后的水进入活性炭滤池，滤池中装有8*30目的煤质颗粒活性炭，高度2.0m，下设0.3m的承托层，滤速为10m/h，每3天反冲一次，反冲后第二天取样进行测定相关指标。

表1 活性炭滤池中活性炭基本性能指标

1.2 分析项目及方法

浊度采用HACH 2100N型浊度仪测定，氨氮采用国标（GB/T5750-2006）中水杨酸法测定，UV254采用紫外可见分光光度计测定（经0.45μm滤膜过滤后测定），TOC采用TOC仪测定，CODMn采用高锰酸钾法测定，活性炭碘吸附值、亚甲基蓝值、强度度测试方法参考GB/T7702.18-2008煤质颗粒活性炭试验方法进行测定，消毒副产物采用吹扫捕集/气相色谱-质谱仪测定。

2.结果与讨论

2.1 臭氧-生物活性炭短流程工艺应对高氨氮的响应试验

试验过程中在原水处加入适量的氯化铵溶液，配置出所需氨氮浓度的原水，且待中间集水池的水具有稳定的氨氮浓度后才进入臭氧接触池及活性炭过滤，以此来模拟突发水源氨氮污染的情况。随后依次取炭滤池出水测样考察臭氧-生物活性炭短流程工艺对高氨氮浓度的响应情况，试验结果见图1所示。

图1 试验过程的中试工艺流程图

从图1（a）中可以看出，当进水的氨氮浓度突然增加到3.0mg/L左右时，经过臭氧-生物活性炭短流程处理后出水的氨氮浓度随着时间的推移逐渐减低，在运行27h后出水达到国标限值0.5mg/L以下。图1（a）中出水氨氮第一个点后突然增高的原因可能是运行时间较短，炭滤池中残留的以及活性炭吸附的低浓度氨氮水样稀释后的结果，导致第一个点的氨氮浓度较低，随后的运行过程中炭滤池中残留的以及活性炭吸附的低氨氮水样逐渐被替换，进水的氨氮被炭滤池中的微生物处理，由于滤池中的微生物来不及应对突发的高氨氮进水，在3h后的出水时氨氮浓度较高，达到1.88mg/L，继续运行后出水的氨氮浓度逐渐降低。图1（b）中当进水的氨氮浓度增加到4.0mg/L左右时，经过臭氧-生物活性炭短流程处理后出水的氨氮浓度逐渐减低，运行至9h时，出水氨氮浓度达到0.47mg/L，随后继续增加进水的氨氮浓度至4.5mg/L时，出水的氨氮浓度有一个短暂的增大，出水浓度由0.09mg/L升至0.44mg/L，随后又逐渐稳定至较低的水平，达到较好的去除氨氮的效果。图1（c）中当进水的氨氮浓度增加到4.5mg/L左右时，经过臭氧-生物活性炭短流程处理3h后出水的氨氮浓度显著减低，在运行6h后出水氨氮浓度一直维持在0.5mg/L以下，具有较好的去除氨氮能力。

以上的三次试验虽然每次之间会有12天的间隔且在间隔的12d内正常运行原水，即炭滤池进水的氨氮较低，以此来消除炭滤池中微生物因上次试验繁殖增长带来的影响，但是从三次的数据可以看出，12d的低氨氮运行并没有完成完全降低炭滤池中硝化细菌的含量，从而每次的试验效果均好于前一次，应对突发高氨氮进水的能力逐渐增强，特别是在第三次试验过程中，进水氨氮浓度突发增加到4.5mg/L时，臭氧-生物活性炭短流程工艺能及时应对并在6h后处理的出水达到0.5mg/L以下，具有良好的应对突发高氨氮的能力。另外因为臭氧-生物活性炭短流程工艺是将混凝沉淀后的水直接引入炭滤池，很好的保留了水中的有机物及氨氮等营养物，为炭滤池中的微生物的生长繁殖提供养分，使得微生物生长良好，能更好的有效应对突发的高氨氮进水。

2.2 短流程工艺中不同炭滤池高度对高氨氮的去除

为了更好的研究臭氧-生物活性炭短流程工艺中不同炭层高度对氨氮的去除效果，试验过程中通过稳定进水氨氮浓度约为4.5mg/L，长时间运行情况下考察不同炭层高度对氨氮的去除效果，结果见图2。

图2 臭氧-生物活性炭短流程工艺对高氨氮的响应

图3 不同炭层高度对氨氮的去除

从图2中可以看出，随着炭层深度的增加，氨氮浓度逐渐降低，即氨氮去除率逐渐增加，且随着运行时间延长至69h时炭滤池对氨氮均有较好的去除效果。在0～110cm炭层中，随着炭层深度的增加，三个运行时间后炭滤池均对氨氮的处理效果显著增加，在110cm处时分别达到63.0%、76.8%和79.6%，在110cm～200cm的炭层处，随着炭层深度的增加炭滤池对氨氮的去除效果也是逐渐增加，但是增加幅度不大，其原因可能是，在0～110cm的炭层内，炭滤池中活性炭表面附着的微生物较多、活性较好，且能获取到充足的溶解氧来进行硝化作用氧化氨氮，从而该层次中的微生物能有效降解氨氮使得氨氮的去除率显著，而在110cm～200cm的炭层中由于溶解氧、营养物等的受限，使得该炭层深度范围内的微生物不能更好的进行硝化作用，从而使得110cm深度以下的炭层去除氨氮效果有限。

2.3 臭氧-生物活性炭短流程工艺对有机物等的去除试验

为了研究臭氧-生物活性炭短流程工艺对氨氮去除的同时对有机物等的去除效果，试验过程中测定了四次炭滤池对有机物等的去除，四次的平均效果见表2所示。

表2 试验期间原水水质情况表

表3 臭氧-生物活性炭短流程对有机物等的去除

从表中数据可以看出，臭氧-生物活性炭短流程工艺在去除氨氮的同时，对有机物和浊度都有较好的去除效果，且随着炭层深度的增加，去除效果也逐渐增加，整个活性炭层都发挥了作用。炭滤池对TOC、CODMn、UV254和浊度的去除率分别达到42.5%、23.4%、41.2%和86.2%，与文献[10～11]中报道的去除效果略差。试验中炭滤池出水的浊度维持在较低的水平，与普通砂滤池的出水浊度相当，完全可以满足出厂水浊度的控制要求。说明臭氧-生物活性炭短流程工艺不仅能有效应对突发的高氨氮原水，同时由于炭滤池中微生物长期能维持较好的营养物及溶解氧，能在突发的高氨氮进水的情况下，及时作出响应来降解氨氮的同时降解有机物，截留浊度，保障出水的水质。

2.4 臭氧-生物活性炭短流程工艺讨论

臭氧-生物活性炭短流程工艺相比于臭氧-生物活性炭全流程工艺而言，减少了砂滤池的过滤，水厂减少了砂滤池构筑物，水厂构筑物明显减少，同时也减少了水头提升费用。

臭氧-生物活性炭短流程工艺因为减少了砂滤池的过滤，混凝沉淀后的水直接进入活性炭滤池，使得水中的有机物直接进入活性炭滤池，活性炭滤池中的微生物有较多的营养物来进行生长繁殖，这样微生物得以繁殖生长来降解有机物和氨氮等，达到净化水质的目的。避免了经过臭氧-生物活性炭全流程中的砂滤池后再经过炭滤池而带来的营养物缺乏，炭滤池中微生物长期处于贫营养的状态，不能很好的进行生物降解去除有机物的目标。

臭氧-生物活性炭短流程工艺对氨氮、有机物等均有较好的去除，特别是应对突发的高氨氮的进水时，活性炭滤池能很好的应对。活性炭滤池中的微生物因为长期能得到混凝沉淀后水中的营养物进行生长，在遇到突发的高氨氮进水时，微生物能进行快速响应，利用活性炭和微生物膜的吸附作用，先对水中的氨氮进行吸附，同时微生物利用水中充足的溶解氧进行硝化作用去除氨氮，达到降低水中氨氮浓度的能力，且降解能力是可持续的。

臭氧-生物活性炭短流程工艺对氨氮具有较好的去除，且炭层的深度与氨氮的去除有一定的关系。试验过程中110cm厚的炭层已对氨氮具有较好的去除效果，在实际改造过程中可以结合实际情况来填加一定厚度的活性炭，以此来降低改造成本得到更好的出水水质。

臭氧-生物活性炭短流程工艺在应对高氨氮的原水的同时，对浊度的去除能力也较好，出水的浊度也能满足要求。活性炭由于表面粗糙无规则，具有一定的棱角且粒径分布均匀即有大、小颗粒的活性炭同时存在，堆叠时能形成致密的微小缝隙让水通过、过滤，对水中的悬浮物等浊度物质具有良好的截留作用。特别是中试试验的活性炭炭层厚度为2m，能很好的截留去除水中的浊度，且过滤周期长，截留物质不易渗漏。

3.结论

臭氧-生物活性炭短流程工艺应对突发的高氨氮进水时，能有效的及时响应并达到去除的目的。进水突然增加氨氮浓度达到3.0mg/L左右时，经过臭氧-生物活性炭短流程处理后出水的氨氮浓度随着时间的推移逐渐减低，在运行27h后出水达到国标限值0.5mg/L以下。

当进水的氨氮浓度增加到4.5mg/L左右时，经过臭氧-生物活性炭短流程处理3h后出水的氨氮浓度显著减低，在运行6h后出水氨氮浓度一直维持在0.5mg/L以下，具有较好的去除氨氮能力，且出水浓度低于0.5mg/L的响应时间越来越及时。

随着炭层深度的增加，氨氮浓度逐渐降低，且随着运行时间延长至69h时炭滤池对氨氮均有较好的去除效果。

炭滤池中0～110cm炭层对氨氮的去除发挥着63.0%～79.6%的作用，在110cm～200cm的炭层处，随着炭层深度的增加炭滤池对氨氮的去除效果也是逐渐增加，但是增加幅度不大。

臭氧-生物活性炭短流程工艺在去除氨氮的同时，对有机物和浊度都有较好的去除效果，且随着炭层深度的增加，去除效果也逐渐增加，整个活性炭层都发挥了作用