中国环境科学
CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE
1998年 第18卷 第4期 No.4 Vol.18 1998
科技期刊

粗滤慢滤工艺去除氨氮的实践与机制*
吕锡武　马　春　(东南大学环境工程系，南京 210018)
陈　俊　(中国石化总公司扬子石油化工公司水厂，南京 210048)
文　摘　为寻求改善乡村微污染饮用水水质的有效方法,结合粗滤慢滤工艺研究的实践,阐述了该工艺氨氮的去除规律以及与溶解氧的关系,提出需氧量的估算方法。研究结果表明,粗滤慢滤工艺具有良好的去除NH3-N能力,其效率主要受溶解氧的限制,实用工艺中,停留时间及水温对其影响不大。该工艺可直接应用于乡村饮用水的处理。
关键词　粗滤　慢滤　氨氮　给水处理　乡村水厂
Practice and mechanism of ammonium-nitrogen removal by roughing filtration and slow-sand filtration process.Lu Xiwu, Ma Chun(Department of Environmental Engineering, Southeast University, Nanjing 210018)；Chen Jun(Yangzi Petro-chemical Corporation Water Plant,China Petrochemical Corporation,Nanjing 210048).China Environmental Science.1998,18(4):319～323
Abstract—To find an effective process of improving drinking water quality in rural area,it was made to investigate into the process of roughing filtration and slow-sand filtration.This paper presented the mechanism of ammonium-nitrogen removal and the relationship between removal efficiency and dissolved oxygen;also put forward a method of determining the oxygen demand. The results indicate that roughing filtration and slow-sand filtration can remove NH３-N effectively；DO affects the rate of NH３-N removal；and meanwhile, HRT and water temperature have slight influence on practical process. This process is a preferable choice for countryside water treatment plants.
Key words:roughing filtration　slow-sand filtration　ammonium-nitrogen　water supply　countryside water plant 

　　在我国乡镇企业发达的农村地区,饮用水水源污染程度往往甚于城市。氨氮是污染水源中的主要污染物之一。目前,我国的城市常规水处理工艺对氨氮尚无有效的去除方法。而在乡村地区,由于水厂规模小,设备简陋,管理技术不足,氨氮的去除更为困难。
　　粗滤慢滤工艺是一项由国际供水和卫生咨询中心与一些发展中国家合作,新近开发的水处理技术。这一技术既具有工艺简单、技术要求低、管理方便、适合于乡村水厂使用的特点,还有良好的去除有机污染物的能力。本文试就从事该项技术的研究实践,对粗滤慢滤工艺去除氨氮的特点和机制进行探讨。
1　氨氮硝化的生物化学原理
　　对给水水源而言,有机物浓度不高,且总存在一定量的无机碳酸盐(碱度),这种水质条件有利于自养型细菌生长。此时,如溶解氧充分,自养型细菌—硝化细菌将很容易培养成优势菌种,氨氮硝化过程是很容易完成的。
　　在好氧条件下,水中氨氮的去除通过硝化过程实现,即氨氮先由亚硝化细菌氧化成亚硝酸氮,再由硝化细菌将亚硝酸氮氧化成硝酸氮。按硝化过程的化学计量,1mg NH3-N完全氧化成NO-3-N需氧4.57mg。由于硝化细菌对少量氨氮的同化作用减少需氧量约2%〔1〕,。另外在硝化的同时,若还存在异养细菌去除BOD5,则也会利用氨氮合成细胞。根据异养微生物细胞组成比例BOD5∶N=100∶5,亦即异养菌合成细胞耗氮量为0.05△BOD5。所以,粗滤池去除每单位氨氮耗氧量关系应该是:
4.57×(1-0.02)×［△NH3-N-0.05△BOD5］(1)
包含有机物去除的需氧量计算式为:
4.57×(1-0.02)×［△NH3-N-0.05△BOD5］+△BOD5 (2)
式中:△NH3-N为氨氮去除量;△BOD5为BOD5去除量。
　　废水处理场合,因有机物浓度高,硝化作用一般不发生,或者因氨氮浓度低,硝化需氧量所占比例很小。但在饮用水处理场合,往往硝化需氧量占主导地位,式(2)的理论和实用意义就显得很重要。
2　材料与方法
2.1　试验设计
　　试验地点为南京八卦洲北支江段的扬子石化水厂。长江原水经自然沉淀池和垂直流粗滤池降低浊度后,经30cm高度跌水,进入一级水平流粗滤池,该池长1m,装有高度0.7m的10～20mm卵石滤料。水流通过时,悬浮物主要通过沉淀作用被截留,而有机物和氨氮则在好氧条件下被滤料表面附着的生物膜降解。一级粗滤池出水再次经30cm跌水充氧后,进入二级粗滤池(尺寸同一级，但滤料为5～10mm碎石)。慢滤池砂层高度0.6m,滤料粒径0.3～0.8mm,该池为水质把关工序,可使水的多项卫生学指标得到进一步的显著改善。
2.2　原水水质
　　试验用水取自扬子石化公司取水总管,该厂1995年水质监测资料如表1。根据试验需要,在汛期长江水NH3-N浓度较低时,人工投加氨氮,以模拟污染期水质。
表1　长江原水水质监测数据
Table 1　Monitoring data of quality of Changjiang 
River's water

监测项目年平均值　　 　　浓度范围 
浊度(度)112　 38～1174
CODMn(mg/L)4.1 　2.3～7.9
氨氮(mg/L)0.280.15～1.06
亚硝酸氮(mg/L) 0.005 　　0～0.023
DO(mg/L)7.3　4.9～10.2

3　结果与分析
3.1　粗滤池去除氨氮的成熟期
　　粗滤池初运行的10d内,进出水氨氮基本无变化;以后逐渐开始有去除效果,至第3周末,去除率达到30%左右;随着运行时间的增长,去除率持续提高;7周后氨氮去除率稳定在80%～95%之间,出水浓度范围为0.00～0.13mg/L。图1是粗滤池进出水氨氮浓度测定情况,明显反映了粗滤池氨氮去除成熟期的存在。这一现象的原因在于硝化菌世代周期长,细胞量累积速度慢,达到细胞量与基质(水中氨氮)动态平衡状态所需时间长。

图1　成熟期氨氮浓度变化
Fig.1　Variation of concentrations of NH3-N 
with running time 
　　图1试验是在夏季进行,水温较高(20～30℃)，由于温度对硝化菌世代周期影响显著(表2),冬季水温低时,成熟期会更长一些。从有关的研究曾观察到生物活性炭去除氨氮，冬季启动成熟期约为5个月〔2〕。
表2　不同温度硝化菌世代周期与生长率
Table 2　Variation of generation period and growth rate of
nitrobacter with different temperature

温度(℃)生长率(%/d)世代周期(d)
10 10 10.0　
15 13 5.5
20333.0
25601.7

3.2　停留时间对氨氮去除率的影响
　　表3是粗滤池进入稳定运行期后,在水温22.5～30℃,进水溶解氧浓度5.7～6.8mg/L条件下,停留时间对氨氮去除的影响试验。
　　表3的结果表明,总停留时间从300min减少到140min时,氨氮去除率仅从90%降至85.2%，相对于停留时间减少了53%,氨氮去除率仅下降5.3%，即在此范围内,停留时间对氨氮去除率影响极小；当停留时间继续减少到80min时,氨氮去除率下降到78.3%,变化幅度虽稍大,但仍远低于停留时间的变化幅度。对于实用性的粗滤慢滤工艺而言,为保证粗滤池出水满足后续慢滤进水浊度10度的要求,粗滤池实际停留时间一般均不低于4h。因此,停留时间对粗滤池去除氨氮的影响不占控制地位。
表3　粗滤停留时间对氨氮去除率的影响
Table 3　Influence of HRT in roughing filtration on the rate of removing NH3-N 

停留时间
(min)进水NH3-N浓度
(mg/L)一级粗滤出水NH３-N 浓度
(mg/L)二级粗滤出水NH３-N 浓度
(mg/L)去除率平均值
(%)
平均值 范围平均值 范围平均值 范围
3000.75 0.53～0．890．1020．08～0．12 0．0750．00～0．108 90
2000.71 0.62～0．850．1160．09～0．160．097 0．00～0．13 86．3
1400.690.57～0．910．12 0．08～0．160．1020．06～0．13 85．2
800.7260.49～0．980．1950．09～0．270．1410．05～0．18978.3

3.3　溶解氧对氨氮去除率的影响
　　由于粗滤池属于自然净化法,池中没有人工增氧措施,所以需氧量主要依靠进水中的溶解氧。由于池顶为敞开式,大气复氧也可提供少量氧源,有关池顶复氧能力的研究尚不充分,但已有的研究经验表明,其充氧能力十分微弱，所以,如果进水氨氮浓度较高(或有机物浓度高),溶解氧将成为反应控制因素。

图2　粗滤池DO浓度沿程变化
Fig.2　Variation of DO concentration with the length of roughing filter 

图3　粗滤池NH3-N浓度沿程变化
Fig.3　Variation of NH3-N concentration with the length of roughing filter 
　　为考察池中溶解氧量不足的影响,人工提高进水氨氮浓度(长江水中有机物浓度也较低,且经自然沉淀和垂直流粗滤已部分去除)。图2，图3，图4为试验中有关参数沿池长测定结果。

图4粗滤池NO-2-N浓度沿程变化
Fig.4　Variation of NO-2-N concentration with the length of roughing filter
　　试验中一级粗滤进水氨氮浓度1.5mg/L(图3),DO 6.1mg/L(图2)。一级粗滤池中,由于硝化反应造成DO急剧下降,60cm处DO值为1.4mg/L,出水仅为0.8mg/L(图2),相应两处氨氮分别为0.51和0.45mg/L(图3);NO-2-N分别为0.0475和0.116mg/L(图4)。
　　从反应曲线分析,再参照上述的试验结果,池长60cm后,因为DO浓度偏低,已对氨氮的转化产生显著的抑制作用;同时NO-2-N浓度升高,最高值出现在一级粗滤池出水处(图4)。因为DO不足, 部分氨氮只能完成亚硝化作用,而无法完全转化成NO-3-N。
　　一级粗滤出水跌水充氧后进入二级粗滤池。由于DO值上升,剩余氨氮在二级粗滤池中可完成硝化作用,累积的NO-2-N也迅速转化成NO-3-N。
3.4　水温对氨氮去除率的影响
　　将近1年时间内,在同一停留时间,不同水温条件下，氨氮的去除率列于表4。从表4可见,氨氮去除率几乎不受水温的影响,不同温度时的去除率变化很小。
表4　水温对NH3-N去除影响试验(HRT=5h)
Table 4　Influence of water temperature on the rate of removing NH３-N（HRT＝5h)

水温
(℃)进水NH３-N浓度(mg/L)出水NH３-N浓度(mg/L)去除率
(%)
平均值范围范围平均值
8～120．620．40～0．960．0750．0～0．1287．5
15～200．740．62～0．890．0910．0～0．1386．3
25～320．670．42～0．900．0760．0～0．1688．6

　　从原理上讲,硝化是生物反应,受温度影响应十分明显，而表4的试验结果却完全没有遵循这一规律。分析其原因可能有以下几点:(1)亚硝化菌、硝化菌生长的温度范围较宽(亚硝化菌2～30℃,硝化菌5～40℃,而从南极地区分离的品系可在-4℃生长〔3〕)，可见,在所试验温度范围内,亚硝化、硝化菌能良好生长。(2)低温时溶解氧浓度较高,因DO浓度的提高可在某种程度上弥补温度的不利影响。(3)停留时间长。试验结果表明,20℃左右,停留时间2h,NH3-N去除率已超过80%(表3也可反应这一规律)。而表4试验数据是在HRT为5h条件下取得(实用工艺停留时间)。充分的停留时间使硝化反应也十分充分,故因水温影响造成的反应速率变化未能体现。
　　试验结果表明,对于实用中的粗滤池(南方地区),不必担心冬季的硝化效果。
3.5　慢滤池去除氨氮试验
　　慢滤池功能在于进一步改善粗滤池出水水质,也是整个工艺的水质把关工序。二级粗滤出水经30cm跌水充氧后,进入砂层厚度为60cm的慢滤池,滤速为0.2m/h。在粗滤池出水氨氮很低的条件下,为考察慢滤池除氨氮能力,提高进水氨氮浓度。试验结果如表5。
　　由表5结果可见,进水氨氮浓度为0.14～0.32mg/L时,出水降低为0.00～0.06mg/L,大部分场合去除率可达100%，这说明慢滤池对氨氮去除能力很强,确实起到了水质把关的作用〔4〕。
3.6　粗滤慢滤工艺除氨氮能力分析
　　粗滤慢滤组合工艺的除氨氮能力,主要受到水中溶解氧的限制。其供氧能力以常规一级粗滤加慢滤工艺,原水溶解氧在6～8mg/L之间(随水温而变化,冬季高,夏季低)。若粗滤出水DO为1mg/L,跌水进入慢滤池后恢复到4mg/L,则慢滤池可使用溶解氧(△DO)约为3mg/L,再考虑池顶天然复氧能力1mg/L,则全过程溶解氧可用量为10mg/L左右。根据(2)式可计算出其除污染能力为去除氨氮 1mg/L,有机物耗氧量5mg/L，这对于一般污染程度的地表水已足可满足。
　　粗滤池若改为两级,并适当加大跌水高度,可使该工艺除污染能力提高30%～50%。
　　在气候温暖地区,粗滤池水力停留时间大于4～5h,冬季硝化速度不影响净水效果。
表5　慢滤池去除氨氮试验
Table 5　Results of removing NH３-N by slow filtration

进水NH３-N浓度
(mg/L)出水NH３-N浓度
(mg/L)去除率
(%)
0.320.0584.4
0.250.00100
0.190.0289.5
0.140.00100
0.170.00100
0.300.0680.0

4　结束语
　　粗滤慢滤工艺具有良好的去除氨氮能力。对于实用粗滤池停留时间大于4～5h的工艺,出水氨氮去除率可达85%以上，停留时间不会成为氨氮去除的控制因素。而其除污染能力(氨氮和有机污染物)主要受溶解氧可用量的限制。一般而言,一级粗滤加慢滤工艺溶解氧可用量在10mg/L左右;可去除氨氮1mg/L，有机物耗氧量5mg/L，两级粗滤和跌水措施的应用,可再提高该工艺除氨氮的能力30%～50%。

参考文献
1　Winkler M A.Biological treatment of wastewater.Chichester：Ellis Horwood Publishers,1981.226～236
2　吕锡武,严煦世.生物活性炭去除氨氮的实践与机制.上海环境科学,1988,7(1):13～16
3　郑士民,颜望明,钱新民编著.自养微生物.北京:科学出版社,1983
4　吕锡武，马　春，陈　俊.粗滤慢滤组合型乡村净水工艺研究.给水排水，1997.10(23)：21～23

作者简介
吕锡武　男,1954年9月生。现为东南大学环境工程研究所所长,教授。主要从事微污染饮用水的处理、石油、化工废水治理、富营养化水体的整治等研究工作及环境工程设计。近年来，主持了国家自然科学基金、国家“八*五”攻关项目、省科委资助项目等研究工作,获建设部科技进步二等奖1项。发表论文30余篇,合著3本。
收稿日期:1997-09-02
* 江苏省科委资助项目
