不同掛膜時間鐵錳復(fù)合氧化物活性濾料對地表水中氨氮去除效果的研究

張蓓蓓，母夢麗，黃廷林

(1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司 第三工程院，河南 鄭州 450007；2.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

近年來，飲用水環(huán)境中氨氮污染日趨嚴(yán)重，在我國原環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《2015年上半年全國環(huán)境質(zhì)量狀況》公報中提到，2015年上半年全國氨氮排放總量達(dá)118.6萬t，氨氮污染形勢極其嚴(yán)峻[1-2].水中過量的氨氮在一定條件下會轉(zhuǎn)化為有毒的亞硝氮，且氨氮會與消毒劑中氯離子發(fā)生反應(yīng)而形成氯胺等致癌物質(zhì)[3-4]，給人類帶來巨大的安全隱患.我國飲用水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，人體直接飲用水氨氮濃度不得高于0.5 mg/L.

1 實驗材料、裝置與方法

1.1 實驗水質(zhì)

1.2 實驗材料與裝置

二級過濾系統(tǒng)采用3個內(nèi)徑100 mm的有機(jī)玻璃濾柱作為主體單元，它們分別被命名為C1柱、C2柱和C3柱.濾柱內(nèi)填充濾料為地下水條件下不同掛膜時間的鐵錳復(fù)合氧化物活性濾料(催化氧化濾料).濾柱內(nèi)濾料掛膜時間和運(yùn)行時間如下：C1柱掛膜4 d，運(yùn)行25 d；C2柱掛膜14 d，運(yùn)行21 d；C3柱掛膜28 d，運(yùn)行45 d.

1.3 實驗內(nèi)容與方法

實驗采用二級過濾系統(tǒng)，一級過濾為某地表水廠中試系統(tǒng)，二級過濾在一級過濾的基礎(chǔ)上進(jìn)行.本實驗進(jìn)水是一級過濾系統(tǒng)的出水，因此水質(zhì)較好，氨氮濃度較低，需投加氯化銨，以形成高濃度進(jìn)水氨氮條件.

實驗主要由兩部分組成：①通過增加進(jìn)水量改變?yōu)V速，在不同濾速下研究不同掛膜時間濾料的氨氮處理能力；②采用高強(qiáng)度反沖洗方式解決短期掛膜濾料出現(xiàn)的一系列問題.

1.4 分析項目及方法

2 結(jié)果與討論

2.1 水力負(fù)荷對短期掛膜濾料去除氨氮效果的影響

從圖1可看出，濾速對不同短期掛膜濾料去除氨氮效果的影響均不大，隨著濾速的增加，氨氮達(dá)標(biāo)的濾層厚度逐漸加大，同一濾速條件下不同濾料出水氨氮濃度達(dá)標(biāo)的濾層厚度基本相同.當(dāng)濾速為12 m/h時，掛膜4 d濾料的氨氮進(jìn)水濃度為2.1 mg/L,出水濃度為0.3 mg/L,氨氮去除率可達(dá)85.7%，去除效果好.掛膜時普通石英砂表面覆蓋一層鐵錳復(fù)合氧化物，濾料表面變粗糙.有實驗結(jié)果表明，掛膜后濾料表面覆蓋鐵錳復(fù)合氧化物，比表面積相對原始石英砂濾料增大了約65倍[6].掛膜后濾料增大的比表面積及其孔道結(jié)構(gòu)能夠提供更多的氨氮吸附活性點(diǎn)位，從而改善濾料對氨氮的吸附性能[7]，促進(jìn)氨氮的氧化分解.

圖2所示為濾池中硝氮濃度隨濾層厚度的變化情況.

從圖2可看出，在不同濾速下，掛膜14 d和28 d濾料沿濾層厚度方向生成硝氮的情況基本相同.

(a)掛膜4 d

(b)掛膜14 d

(c)掛膜28 d

(a)掛膜4 d

(b)掛膜14 d

(c)掛膜28 d

圖3所示為濾池中亞硝氮濃度隨濾層厚度的變化情況.

從圖3可看出：掛膜4 d、掛膜14 d和掛膜28 d濾料的濾池中亞硝氮濃度都具有先增加后減少的趨勢；掛膜14 d濾料，在濾層厚度10 cm附近生成的亞硝氮濃度達(dá)到最高.

(a)掛膜4 d

(b)掛膜14 d

(c)掛膜28 d

2.2 反沖洗對短期掛膜濾料去除氨氮效果的影響

2.2.1 反沖洗后氨氮去除率隨時間的變化

實驗采用氣水聯(lián)合反沖洗方式，先進(jìn)行2 min強(qiáng)度為14.4 L/(m2·s)的氣沖；緊接著氣水同時反沖洗，在氣沖強(qiáng)度不變的情況下，進(jìn)行4 min強(qiáng)度為4 L/(m2·s)的反沖洗；最后關(guān)閉氣沖，進(jìn)行6 min強(qiáng)度為4 L/(m2·s)的水沖.實驗進(jìn)水氨氮濃度約為2.4 mg/L，濾速為8 m/h.圖4所示為反沖洗對濾池除氨氮效果的影響.

(a)掛膜4 d

(b)掛膜14 d

(c)掛膜28 d

從圖4可看出，掛膜4 d、14 d和28 d濾料反沖洗前(即反沖洗后時間為-2 h時)氨氮去除率均為90%,反沖洗后氨氮去除率約分別為78.44%、81.94%和82.90%,反沖洗后氨氮的去除率分別降低了11.56個百分點(diǎn)、8.06個百分點(diǎn)和7.10個百分點(diǎn).顯然，掛膜時間越短，受反沖洗影響越大.有實驗表明，反沖洗后濾料去除氨氮能力會降低[8].文獻(xiàn)[9]已證實，濾料掛膜后表面的黑色附著物主要以鐵錳復(fù)合氧化物為主.掛膜時間短的濾料上附著的鐵錳復(fù)合氧化物不穩(wěn)定，反沖洗時易被水沖刷，活性氧化物減少，濾料的氨氮去除能力降低.

2.2.2 反沖洗前后氨氮濃度沿濾層厚度的變化

為考察反沖洗前后氨氮在濾層厚度方向的變化，取反沖洗前一刻的濾池水和反沖洗后30 min的濾池出水進(jìn)行實驗.實驗用氨氮濃度、濾速及反沖洗條件同2.2.1.圖5所示為反沖洗前后濾池中氨氮濃度隨濾層厚度的變化情況.

(a)掛膜4 d

(c)掛膜28 d

從圖5可看出：當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度約為2.4 mg/L時，掛膜4 d濾料反沖洗后氨氮濃度隨濾層厚度的變化較大，反沖洗后出水氨氮濃度大于0.5 mg/L，出水不達(dá)標(biāo)；掛膜14 d濾料反沖洗前后氨氮在濾柱上部80 cm處變化較大，80 cm以下氨氮濃度幾乎與反沖洗前相同，出水氨氮濃度受反沖洗影響較??；掛膜28 d濾料氨氮濃度沿濾柱深度變化曲線在反沖洗前后基本重合，氨氮去除率不變，不受反沖洗影響.

2.2.3 反沖洗后水濁度的變化

為研究不同掛膜時間濾料經(jīng)過反沖洗，在短時間內(nèi)濾柱出水濁度的變化，考察短期掛膜濾料是否出現(xiàn)濁度泄露問題，實驗采用氣水聯(lián)合反沖洗，反沖洗條件同2.2.1，反沖洗后連續(xù)30 min檢測濾柱出水濁度.圖6所示為濾池反沖洗后水濁度的變化情況.

圖6 濾池反沖洗后水濁度的變化曲線

從圖6可看出，3種濾料均在反沖洗后1 min附近出現(xiàn)水濁度峰值，掛膜4 d濾料出水濁度最高，濁度達(dá)16 NTU，而掛膜28 d濾料1 min時出水濁度僅為5 NTU；反沖洗后約6～8 min,3種濾料出水濁度均能恢復(fù)到0.分析可知，掛膜時間越短，濾料在反沖洗后短時間內(nèi)越容易出現(xiàn)出水濁度泄露問題，對安全生產(chǎn)造成不利影響.因此，對濁度要求較高的生產(chǎn)，建議掛膜時間大于4 d.

2.2.4 連續(xù)反沖洗周期內(nèi)氨氮濃度的變化

為研究連續(xù)反沖洗周期內(nèi)濾柱出水氨氮濃度的變化，按濾速8 m/h、進(jìn)水氨氮濃度約2.3 mg/L、反沖洗周期3 d，反沖洗強(qiáng)度同2.2.1，取連續(xù)3個反沖洗周期內(nèi)每天的氨氮出水進(jìn)行實驗.圖7所示為連續(xù)反沖洗周期內(nèi)濾池中氨氮濃度的變化情況.

圖7 連續(xù)反沖洗周期內(nèi)濾池中氨氮濃度的變化曲線

根據(jù)圖7分析可知：在進(jìn)水氨氮濃度保持不變的情況下，3種濾料出水氨氮濃度均隨反沖洗時間延長而周期性變化；反沖洗周期內(nèi)第一天，3種濾料出水氨氮濃度會升高，原因是反沖洗對濾料表面的沖刷作用使得反沖洗后短時間內(nèi)，氨氮去除率未能恢復(fù)到最佳狀態(tài)，掛膜4 d濾料在第一天甚至出現(xiàn)出水氨氮不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象；第二天，3種濾料出水氨氮濃度均降低，原因是濾料活性慢慢恢復(fù)；第三天，3種濾料出水氨氮濃度又有所升高，原因是過濾3天后濾料中水濁度升高，降低了濾料的氨氮去除能力，說明濾柱需要反沖洗.

第二個和第三個反沖洗周期內(nèi)出水氨氮濃度變化情況與第一個周期相似，但整體上隨著反沖洗周期數(shù)的增加，出水氨氮濃度呈現(xiàn)增高趨勢.根據(jù)文獻(xiàn)[10]，造成這種情況的原因是，反沖洗對短期掛膜的濾料表面造成了破壞，其表面附著的鐵錳復(fù)合氧化物隨水沖走，氨氮去除能力難以恢復(fù)到反沖洗前水平.

3 結(jié) 論

(1)不同掛膜時間濾料去除氨氮能力及對濾速適應(yīng)能力均較強(qiáng)，在高濾速(12 m/h)、高氨氮濃度(2.0 mg/L)條件下，掛膜4 d濾料即能讓出水氨氮濃度達(dá)標(biāo).

(2)反沖洗對短期掛膜時間濾料去除氨氮能力的影響較大，掛膜4 d、14 d和28 d濾料的氨氮去除率均降低，且掛膜時間越短的濾料，濾池氨氮去除率降低得越多；對于掛膜4 d濾料，沿濾層厚度方向，反沖洗前后氨氮濃度變化最大，反沖洗后水濁度過高，出現(xiàn)了濁度泄露問題.對濁度要求較高的生產(chǎn)，建議掛膜時間大于4 d.