牡蠣殼填料曝氣生物濾池去除水源水中的氨氮

蘇 兵，段金明，2 ，方宏達，2，鄭斌全，許東升

(1.集美大學生物工程學院，福建 廈門 361021；2.集美大學環境工程研究所，福建 廈門 361021)

牡蠣殼填料曝氣生物濾池去除水源水中的氨氮

蘇 兵1，段金明1，2，方宏達1，2，鄭斌全1，許東升1

(1.集美大學生物工程學院，福建 廈門 361021；2.集美大學環境工程研究所，福建 廈門 361021)

采用以牡蠣殼為填料的內循環曝氣生物濾池，對模擬水源水中氨氮進行處理，考察了水力停留時間、曝氣量、pH值等因素對氨氮去除效果的影響.結果表明，該系統在水力停留時間為4 h，曝氣量為2.0 L /min，pH=7.5～8.0的最佳條件下，對氨氮的去除率達到90%以上，出水氨氮濃度達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅱ類水體的水質標準.可見，牡蠣殼是一種較好的曝氣生物濾池填料，內循環可以顯著提高曝氣生物濾池脫氮效果.

牡蠣殼；內循環曝氣生物濾池；水源水；氨氮

0 引言

氨氮是引起水體富營養化的主要因素之一，其本身不僅對人體有毒害，還能在一定條件下轉化為對人體毒性更大的亞硝酸鹽.因此，如何經濟、有效地去除飲用水源水中低濃度的氨氮，已成為人們廣泛關注的問題[1].曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter，簡稱BAF)是一種新型生物膜處理技術，具有抗沖擊負荷能力強、占地面積小、水力停留時間短、處理效率高等優點，在水處理領域有著廣泛的應用前景[2-3].相對污水而言，水源水中有機物(碳源)的含量會低很多，而BAF中的生物膜能在低有機物濃度情況下保持較多的生物量，所以，BAF工藝適用于水源水處理[4-6].BAF工藝成功與否的關鍵是生物載體填料的選擇，它直接影響BAF的處理效果和運行成本[6-7].QIU等[8]對比研究了沸石、陶粒、碳酸鹽填料的BAF的處理效能，發現碳酸鹽BAF具有良好的pH值緩沖能力和穩定的硝化效率，比較適于處理低pH值或者pH值不斷變化的污水.常見的填料有陶粒、沸石、粉煤灰、焦炭、石英砂、活性炭、膨潤土等[1,6-8].我國沿海地區盛產牡礪，大量的牡蠣殼被當成垃圾扔掉，對沿海城市環境衛生造成了嚴重的污染.牡蠣殼表面粗糙，比表面積大，具有較強的吸附能力，是BAF生物膜的理想載體[9-11].近年來已有學者以牡蠣殼作為填料，采用曝氣生物濾池去除污水中有機物、氨氮和磷，取得良好的去除效果[9-11]，但是，該方法應用于去除水源水中低濃度氨氮的研究仍未見報道.本文以牡蠣殼為填料，采用自制的內循環曝氣生物濾池，去除模擬水源水中低濃度氨氮，研究了氨氮的去除效果及其影響因素，以確定其最優運行工藝條件.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用水：進水依據實際飲用水源水的性質，采用人工模擬水源水， 以葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀、氨水、氯化鈣等按一定比例配制而成，其氨氮為1.2～7.8 mg/L、COD為172.8～280.3 mg/L、BOD5為56.5～92.3 mg/L、pH=7.0～7.5.

實驗填料：牡蠣殼采集于廈門市集美水產品市場，并用清水沖洗干凈，自然晾干，粒徑為3～5 cm.

1.2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示.內循環曝氣生物濾池由有機玻璃制作，由內筒和外筒組成，內外筒底部相連，內筒直徑為7.5 cm，外筒直徑為15 cm，外筒高約50 cm，實驗中有效容積7 L.其中內外筒間填充35 cm高的牡蠣殼(孔隙率約80%).運行方式為：空氣從反應器內循環部分底部充入，氣體流量由空氣流量計控制，污泥在內循環部分由于氣流的運動而向上運動，在升流管頂部進入外循環部分，由于重力作用向下運動，在向下運動的過程中與牡蠣殼充分接觸，到外部底部時再次進入系統內循環部分，從而在反應器內部形成循環流動.

1.3 實驗方法

采用接種掛膜，掛膜完成后，考察不同水力停留時間、pH值、曝氣量等因素對氨氮去除效果的影響.在進水氨氮質量濃度分別為2.67、3.12、4.39、5.15 mg/L時，pH值為7.5，水溫為22.3～24.5 ℃，曝氣量為2.0 L/min的條件下，考察水力停留時間(HRT)分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6 h時氨氮去除效果；在進水氨氮質量濃度為5 mg/L，水溫為22.3～24.5 ℃，曝氣量為2.0 L/min的條件下，考察pH值分別為6.5、7.0、7.5、8.0和8.5時對氨氮去除效果的影響；在進水氨氮濃度為5 mg/L，pH值為7.5，水溫為22.3～24.5 ℃的條件下，考察曝氣量分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 L/min時對氨氮去除效果的影響.氨氮、pH值均采用標準分析方法[12]，其中氨氮采用納氏試劑分光光度法測定.

2 結果與討論

2.1 牡蠣殼填料內循環曝氣生物濾池掛膜與啟動

本實驗采用接種掛膜的方式，最初為了防止微生物的流失，水力停留時間保持為24 h.運行5 d后，水力停留時間縮短至12 h，并隨著BAF運行時間的延長，逐漸縮短水力停留時間.當BAF運行至第10 d時，水力停留時間縮短到6 h，至第15 d后，水力停留時間為4 h.圖2顯示了掛膜期間對氨氮的去除效果，由圖2可知，在第1 d進水氨氮質量濃度為15.17 mg/L，系統對氨氮的去除率達到97.60%.此后每天逐步提高進水氨氮濃度，到第10 d進水氨氮質量濃度提高到22.41 mg/L時，氨氮的去除率為98.01 %，此時，牡蠣殼表面還未形成生物膜，主要靠牡蠣殼的吸附和離子交換作用去除氨氮[9,13].而第13 d時，當進水氨氮質量濃度增加到29.96 mg/L時，氨氮去除率略有下降.原因是生物膜還未完全形成，牡蠣殼的吸附作用仍然起主要作用，運行到第13 d時，牡蠣殼吸附能力或已達到飽和狀態，所以氨氮去除率有所下降.16 d后，進水氨氮濃度已提高到設定要求，此時，氨氮去除率仍高達97.23%，此后，氨氮的去除效果一直保持穩定，說明牡蠣殼表面上的生物膜逐步成熟，掛膜成功.掛膜18 d，牡蠣殼外觀變成黃褐色，通過光學顯微鏡鏡檢到線蟲、鐘蟲、草履蟲等.

2.2 水力停留時間對氨氮去除率的影響

由圖3可以看出，水力停留時間由0.5 h增加至4 h時，4種不同進水氨氮濃度的廢水經過處理后，均呈現一個共同特點，即氨氮去除率隨水力停留時間的延長而增大.當水力停留時間超過4 h后，繼續增加水力停留時間，氨氮的去除效果卻沒有明顯變化，這說明適當地延長水力停留時間可以顯著地提高反應器的硝化脫氮效能.當水力停留時間太短時，微生物與污染物的接觸時間較短，故難以發揮較大的作用；當水力停留時間充足時，曝氣生物濾池內微生物系統的生態結構在生物膜內部組成和沿水流方向的空間分布上保持著較穩定的動態平衡[14]，硝化細菌數量也達到相對穩定的狀態，這時硝化反應比較活躍，氨氮去除率高.但當水力停留時間繼續增加，導致水體中營養物質耗盡，硝化反應受到抑制,所以氨氮去除率基本保持不變.

2.3 不同曝氣量對氨氮去除率的影響

由圖4 可知，當曝氣量(Q)由1 L/min增加到2.5 L/min，系統對氨氮的去除率由88.22%升高到91.04 %，出水氨氮質量濃度由0.59 mg/L降至0.44 mg/L.可見，當曝氣量在1～2.5 L/min時，系統對氨氮的去除效果變化并不明顯.究其原因，雖然好氧硝化作用隨著曝氣量增大而增強，但當曝氣量在1 L/min時，系統對氨氮已達到較高的去除率，說明水中的溶解氧已充足，所以繼續增大曝氣量，氨氮的去除率增加的不明顯.當曝氣量增至3 L/min時，氨氮去除率略有下降(氨氮去除率為90.97%)，這可能有兩方面原因：一是水源水中營養物質相對于生活污水較為貧乏，當曝氣量過大時，微生物活性過度增強，營養物質供給不足，致使生物膜發生自身氧化分解，處理效果下降[4,15]；二是曝氣量過大時，水流和氣流對牡蠣殼表面的沖刷和剪切作用過強，使得牡蠣殼表面的生物膜脫落并被水流攜帶出濾層，從而導致氨氮的去除率下降.綜合考慮，本實驗最佳曝氣量為2.0 L/min.

2.4 pH值對氨氮去除效果的影響

pH值是影響硝化菌的生長及脫氮酶活性的關鍵因素.在硝化去除氨氮的過程中，硝化反應會產生H+，致使pH值下降，而硝化菌對pH值的變化比較敏感，其生長的最佳pH值為8.0～8.4[5]，低的pH值會抑制硝化菌的活性.由圖5可以看出，當進水pH值為6.5時，牡蠣殼填料BAF對氨氮去除率只有55.9 %，當進水pH值處于7.5～8.0范圍時，氨氮去除率達到90 %以上；pH值高于8.0時，氨氮去除率則低于86 %.因此pH值的適宜范圍應為7.5～8.0.

2.5 牡蠣殼填料與其他填料在處理低濃度氨氮水源水的對比

為了評估牡蠣殼填料在處理水源水中氨氮的應用前景，將其和瓷珠、聚烯烴塑料、陶粒、沸石等幾種填料在低濃度氨氮水源水中的處理效果進行了比較，結果如表1所示.由表1可以看出，牡蠣殼填料相對于其他填料在處理水源水中氨氮時具有較大的優勢，其對氨氮的去除率明顯高于其他幾種填料.其來源穩定、價格低廉，所以在處理水源水中氨氮時具有良好的應用前景.

表1 牡蠣殼填料與其他填料對氨氮處理效果的比較

3 結論

1)牡蠣殼填料內循環曝氣生物濾池采用接種掛膜，歷時18 d掛膜期間，氨氮的平均去除率達到97.50%，反應器運行穩定，濾料表面生物相生長良好.

2)牡蠣殼填料內循環曝氣生物濾池去除氨氮的最佳運行條件為：水力停留時間4 h，曝氣量2.0 L/min，pH=7.5～8.0，在此最佳條件下處理初始氨氮質量濃度為5 mg/L左右的模擬水源水，氨氮去除率達到90 %以上，出水達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中II類水體的水質標準(氨氮質量濃度<0.5 mg/L)，滿足集中式生活飲用水地表水源地一級保護區要求.

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(責任編輯 馬建華 英文審校 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 [基金項目]福建省科技計劃項目(2013N5008)；福建省教育廳資助項目(JA10194)；集美大學創新團隊基金資助項目(2010A007);福建省大學生創新性實驗計劃項目(Z81128)

蘇兵(1987—)，男，碩士生，從事環境微生物學研究.通訊作者：段金明(1974—)，男，副教授，博士，碩導，從事水處理技術研究，E-mail:duanjinming@jmu.edu.cn.

1007-7405(2014)02-0095-05

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