改性沸石吸附+生物接触氧化组合工艺处理微污染水中氨氮的试验研究

刘颖诗，董浩韬，李俊义

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广州 510060）

珠江水系上游河段的微污染水源水属于Ⅳ类水，是广州市应急备用水源，但存在氨氮（NH3-N）浓度突发性增高的情况。过高的氨氮浓度会影响混凝效果[1]，带来异味，然而，传统的饮用水处理技术不能有效去除氨氮，净水厂不能达标供水，对居民饮水安全和身体健康构成隐患。沸石对氨氮具有很好的吸附效果[2]并可以迅速发挥作用，具有应急处理能力，而生物接触氧化能够实现持久运行[3]，具有长时间处理能力，将改性沸石吸附与生物接触氧化两种工艺组合应用，不仅可以实现迅速启动，又可以实现长时间运行。

1 试验工艺流程

如图1所示，改性沸石吸附与生物接触氧化组合工艺主要包括改性沸石吸附系统和生物接触氧化系统，分为两种运行模式。一是氨氮浓度突发性增高（大于5 mg/L）时，启动改性沸石吸附系统，原水先通过改性沸石进行吸附处理，再进入生物接触氧化系统。二是原水氨氮浓度较低（不大于5 mg/L）时，原水仅利用生物接触氧化系统进行处理。改性沸石吸附系统设有两个搅拌池，二者交替运行，其中一个搅拌池内的改性沸石吸附饱和时（搅拌池出水氨氮浓度大于5 mg/L），该搅拌池停止运行，更换沸石，同时另一搅拌池启动运行。

图1 污水处理工艺流程

最优运行条件下，改性沸石吸附的沸石粒径平均值为225 μm，沸石投加量为1.00 g/L，污水pH 等于7，反应时间为30 min，反应温度为35.7 ℃；生物接触氧化的水力停留时间为1.5 h，气水比为2.3∶1.0，曝气管长度为59.3 cm。

2 试验结果与分析

中试装置共运行60 d。其中，原水氨氮浓度大于5 mg/L 的共有18 d，其间运行改性沸石吸附与生物接触氧化组合工艺；原水氨氮浓度不大于5 mg/L 的共有42 d，其间仅运行生物接触氧化工艺。中试期间原水水质如表1所示。主要监测指标有pH、温度、浊度、氨氮、高锰酸盐指数（CODMn）和总氮（TN）。

表1 中试期间原水水质

氨氮浓度突发性增高且大于5 mg/L 时，运行改性沸石吸附与生物接触氧化组合工艺，沸石投加量为1.00 g/L，改性沸石吸附系统出水氨氮浓度为2.78～3.65 mg/L，平均值为3.30 mg/L，去除率为44.51%；组合工艺出水氨氮浓度为0.21～0.40 mg/L，平均值为0.35 mg/L，去除率为94.17%。微污染原水样品含有阳离子和有机污染物，阳离子与NH4+产生吸附竞争[4]，而且原水水样中的杂质极易堵塞沸石晶格的孔洞[5]，可能影响沸石吸附氨氮的效果。但是，出水氨氮浓度为2.78～3.65 mg/L，仍可满足出水氨氮浓度小于5 mg/L 的要求。

在常规低氨氮浓度（不大于5 mg/L）的条件下，仅运行生物接触氧化系统。结果表明，出水氨氮浓度为0.22～0.40 mg/L，平均值为0.32 mg/L，去除率为91.82%。生物接触氧化系统对原水中氨氮的处理能力强，出水水质稳定。

3 运行费用分析

在水源水氨氮浓度突发性增高的情况下，本研究对比分析改性沸石吸附与生物接触氧化组合工艺与常规工艺的运行费用。改性沸石吸附与生物接触氧化组合工艺的运行费用主要包括设备电耗和材料费用，主要耗电设备有搅拌池的搅拌机和生物接触氧化池的鼓风机，主要材料为沸石和改性剂（氯化钠）。常规工艺的中试流程为进水→混凝→沉淀→过滤→消毒→出水，其运行费用主要包括设备电耗和药耗，主要耗电设备为加药泵，主要药剂为次氯酸钠（浓度10%）和混凝剂（液体），采用聚合氯化铝（PAC）作为混凝剂。运行费用统计结果如表2 至表5所示。

表2 组合工艺电耗

表3 组合工艺药耗

表4 常规工艺电耗

表5 常规工艺药耗

组合工艺处理1 m3水的单位耗电量为0.25 kW·h，电单价约为0.7 元/（kW·h），因此单位电耗费用为0.175 元/m3；沸石的单位耗药量为1.0 kg/m3，单价为0.162 元/kg，单位药耗费用为0.162 元/m3，改性时，氯化钠的单位耗药量为0.234 kg/m3，单价是0.180 元/kg，单位药耗费用为0.042 元/m3，改性后单位药耗费用共计0.204 元/m3。因此，运行组合工艺处理氨氮浓度突发性增高的水源水，单位运行费用约为0.379 元/m3。

常规工艺处理1 m3水的单位耗电量为0.1 kW·h，电单价约为0.7 元/（kW·h），单位电耗费用为0.07 元/m3，其间需要投加0.30 kg 次氯酸钠（浓度10%）、0.15 kg 液体PAC（浓度10%），次氯酸钠（浓度10%）的单价为0.8 元/kg，液体PAC（浓度10%）的单价为0.9 元/kg，单位药耗费用合计0.375 元/m3。因此，运行常规工艺处理氨氮浓度突发性增高的水源水，单位运行费用约为0.445 元/m3。

综合对比组合工艺和常规工艺的运行费用，处理氨氮浓度突发性增高的水源水时，组合工艺运行费用比常规工艺减少约0.066 元/m3，减少率为14.8%。实际运行中，运行费用还应更低，因为沸石通过再生可以重复使用最高5 次，采用沸石的实际费用只有上述计算的五分之一。

4 结论

水源水氨氮浓度突发性增高且大于5 mg/L 时，运行改性沸石吸附与生物接触氧化组合工艺，出水氨氮浓度为0.21～0.40 mg/L，满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2022）的要求。改性沸石吸附处理后，出水氨氮浓度降低，平均值为3.30 mg/L，降低后续生物接触氧化系统的处理负担。在常规低浓度氨氮（不大于5 mg/L）的情况下，仅运行生物接触氧化系统，出水氨氮浓度均小于0.5 mg/L，出水水质稳定，满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2022）的要求。水源水氨氮浓度突发性增高时，组合工艺运行费用比常规工艺减少约0.066 元/m3，减少率为14.8%。