夏季水库水因为流动性差、温度升高等原因,水中氨氮、有机物升高,藻类暴发,当水源水中氨氮含量在0.5~1 mg/L时即被定义为 Ⅲ 类水源。但是随着季节的变化,冬季进入水厂的水呈现低温低浊状态而难以絮凝沉淀。面对这种随季节变化水质变化较大的污染水源,常规净水厂可在净水工艺前增设生物预处理工艺^[1~3],但考虑到占地问题较难实现。针对夏季的高有机物高氨氮水源,将砂滤池改良为炭砂双层滤池,既能有效去除水中的溶解性氨氮也能够解决用地问题^[4~6]。针对冬季低温低浊的水体,将沉淀池改良为气浮池能有效解决絮体难以沉降的问题^[7,8],因此气浮- 炭砂滤池的组合工艺在水厂中得以应用,并有学者对此组合工艺开展了系统的试验研究,研究表明气浮-炭砂过滤工艺能够应对水质变化较大的水源。

　　 目前国内外对气浮-炭砂滤池组合工艺进行了初步的探索^[9,10],但在气浮单元和炭砂过滤单元协同净水方面没有深入的研究,且气浮脱氮的有关研究仅限于污水处理^[11~13]。试验以高氨氮水源为研究对象,对气浮-炭砂滤池组合工艺去除氨氮过程进行了初步探索,考察了气浮单元出水中的高溶解氧含量对炭砂过滤的影响;在气浮单元除氨氮的过程中分析其主要去除途径;通过N的相关指标分析探讨N元素在整个组合工艺中的转化。

　　 试验装置见图1,分别由混凝、气浮、过滤3 个单元组成。池体全部采用透明的有机玻璃制作而成,混凝采用独立混合和絮凝池体从而加强了混凝效果,且减少投药量;气浮池由溶气回流系统和池体组成,是较典型的溶气气浮池;过滤部分规格为:滤层厚1 000mm,上层为活性炭层500mm,下层为石英砂层500mm。进水流量为0.5 m³/h,滤柱采用下向流方式运行,滤速为8m³/(m²·h)。

　　 原水投加混凝剂后,进入混凝部分,形成的微絮凝体进入气浮接触反应室后与加压溶气水混合,絮体与微气泡充分接触后进入气浮区,气泡絮体结合体在气浮区进行分离,浮渣通过机械刮渣方式从水体表面刮除,气浮池出水进入中间水箱。然后在提升泵的提升下进入炭砂双层滤柱,上层活性炭具有吸附和生物降解功能,可有效降低水中有机物含量,下层石英砂在进一步处理水体的同时可有效防止脱落的生物膜碎片穿透滤池。

　　 试验期间原水水质:原水水温22.0~24.9 ℃,pH为7.21~8.32,浊度为2.35~5.21NTU,耗氧量为2.56 ~ 4.02 mg/L,UV₂₅₄为0.122 ~0.137cm^-1,DOC为3.33~5.20 mg/L,且藻类含量一直小于10⁵个/L。

　　 试验所检测的进出水指标为氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和溶解氧(DO)含量。检测方法依据国家环保总局编制的《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)。检测指标与检测仪器和方法见表1。

　　 室温下,取一500 mL烧杯,加入气浮出水样300mL,室温条件下静置,每隔5min检测水中DO含量。这个试验过程模拟工艺气浮出水静置过程中DO的释放过程。

　　 在进一步的试验中,以两种试验方式研究气浮出水中的溶解氧对过滤单元的影响。一种方式是相同原水通过混凝及气浮单元,气浮单元的出水进入炭砂滤柱,这种方式在下一步的试验中称为气浮-过滤方式;另一种方式是气浮出水进入中间水箱进行DO释放半个小时,待溶解氧释放至和原水中溶解氧含量相当后再进入炭砂滤柱,这种方式在下一步的试验中称为气浮释氧-过滤方式。在相同工况条件下,比较气浮出水释氧前后进入过滤单元,滤后水中氨氮和有机物的变化情况。

　　 由图2气浮出水溶解氧的释放速率曲线可知,气浮出水溶解氧含量比较高,能够达到12mg/L,远大于原水中溶解氧含量(7~8mg/L)。气浮出水在静置的过程中,在开始的10min DO释氧速率很快,在10min内水中溶解氧释放到7mg/L。到30min之后,水中溶解氧已经不发生变化,在烧杯中的水静置的过程中可以发现,烧杯表面附着一层微小的气泡。为保证实际中气浮出水中溶解氧的释放完全,进一步的试验中安排气浮后出水静置30 min再进入炭砂滤柱,此即为气浮释氧-过滤方式。

　　 炭砂过滤工艺上层颗粒活性炭表面丰富的空隙使各种菌种在活性炭表面形成生物膜,氨氮在过滤单元的去除主要靠氨化细菌和硝化细菌的生化作用,此阶段称为硝化阶段,在此阶段化学自养型细菌在好氧条件下将NH₃- N转化为NO₂^-- N和NO₃^--N。

　　 颗粒活性炭石英砂滤池去除氨氮所需具备的条件除了较好的滤料,充分的停留时间还需要充足的溶解氧。以往的研究普遍认为气浮之后出水中的高溶解氧对炭砂滤池去除氨氮具有正面的提升作用,本次试验通过两种不同的进水方式来验证气浮单元对炭砂过滤单元的影响。

　　 结合上节气浮出水释氧试验,改变进水氨氮浓度,分别通过两种进水方式来探讨气浮出水中的溶解氧对炭砂滤柱的作用。试验安排了由低到高的不同进水氨氮浓度,取4次代表性试验进行分析讨论。进水氨氮浓度调控是通过原水中加入NH₄Cl进行的。

　　 由图3分析可得,气浮除氮效果比较明显,气浮过程氨氮的减少可能主要包括浮渣、挥发逸出和氮氧化还原转化这3个途径。在混凝过程中,混凝剂水解产物和氨氮形成一定的配合物絮体,例如Al(NH₃)₄³⁺离子盐类,形成的絮体在气泡的作用下形成泡絮体在气浮过程中被去除。水中可能有部分硝化细菌和异养微生物在溶解氧充足的条件下不断利用氨氮和有机氮,水中的氮形态不断发生变化,氨氮部分转化为亚硝酸盐和硝酸盐被去除。水溶液中,氨氮以NH₄⁺的形式存在,气浮过程中随着溶解气体含量的增多,NH₄⁺逐渐向微气泡中转化形成NH₃,随着微气泡的上浮,将气态氮吹出水体,图3中随着进水氨氮的增多,气浮过程的氨氮去除率也随之增高,因为如式(1)所示,氨氮在两项的传质过程维持一定的平衡,随着水中NH₄⁺的增加,NH₄⁺向微气泡中转化形成NH₃(气态)也增加。

　　 从4种不同的进水水质下,两种运行方式出水结果对比可知,在氨氮进水浓度较低的情况下,气浮-释氧过滤出水的氨氮含量低于气浮-过滤出水的氨氮含量;在氨氮进水浓度相对较高的情况下,气浮-释氧过滤出水中的氨氮含量高于气浮-过滤出水的氨氮含量。试验结果引出思考:气浮出水的高溶解氧是否利于炭砂滤柱去除氨氮。

　　 分析两种试验方式出水结果可知,气浮出水中的高溶解氧不一定利于炭砂滤柱去除氨氮,在滤前水相对浓度较低的条件下(进水氨氮浓度分别为1.5mg/L和3mg/L),气浮出水中的高溶解氧不利于炭砂滤柱去除氨氮。NH₄⁺在炭砂滤柱中的去除分为吸附和生物作用,氨氮是一种溶解性离子,作为硝化细菌和异养微生物的营养源,生物去除占主要作用,但是也不排除过滤初期活性炭的吸附作用,气浮出水在流动和进入滤池的过程中溶解氧逐渐释放出水体,形成的气泡在滤料表面可能形成一定的水化膜阻碍了炭砂滤池对氨氮的吸附和降解作用,从而致气浮出水中的高溶解氧不利于炭砂过滤对于氨氮的去除。在滤前水相对浓度较高的条件下(进水氨氮浓度分别为6.1mg/L和8.9mg/L),气浮出水中的高溶解氧利于炭砂滤柱去除氨氮,滤前水氨氮含量高,进入上层滤料的过程中水中各种氨化和硝化细菌能够迅速依靠高溶解氧和高NH₄⁺含量将NH₄⁺转化为NO₂^-和NO₃^-,炭砂过滤的过程中吸附和生物作用能充分发挥各自的作用。由此可知气浮-过滤工艺处理氨氮含量较高的水源水能够充分发挥气浮和过滤单元相辅相成的协同净水除氨氮作用。

　　 在氨氮进水浓度为3 mg/L的条件下,以滤床表面为0 点,沿水流方向向下在0.1 m、0.2 m、0.5m、0.7m、0.9 m处取水。其中水流方向向下0.1m、0.2m、0.5m取样点是在炭层取水,沿水流方向向下0.7 m、0.9 m取样点为砂层取水。检测指标为NH₃-N、NO₂^--N和NO₃^--N,最后将3个指标加和为指标三N总和见图4,9个取样点出水中溶解氧的变化趋势见图5。

　　 由图4可以看出,气浮之后的三N之和减少较多,而NO₃^--N略有升高,NO₂^--N反而降低。分析气浮单元去除氨氮的3种途径,由于气浮过程中水力停留时间相对较短,水中原有的较少量的硝化细菌即使在溶解氧充足的条件下在气浮过程也无法发挥生物作用,由此可认为氮氧化还原转化途径起到了微弱作用。气浮单元的产渣率为20%,取气浮池上层浮渣20mL,加去离子水稀释到100mL,过0.45μm滤膜后测定氨氮浓度,结果只有0.32mg/L,浮渣层中氨氮浓度不高,此时气浮进水氨氮3.3mg/L,气浮出水氨氮1.75mg/L,只贡献了气浮过程氨氮去除率的25%,由此可知气浮过程除氨氮中挥发逸出为主要去除氨氮途径,可以贡献气浮过程氨氮去除率的70%。

　　 由图5可知,滤柱出水溶解氧含量为6mg/L,相对于原水没有明显降低,由此可知,此炭砂滤柱中不存在反硝化作用或者是反硝化作用极其微弱。再结合图4分析可得,氨氮在炭层0.2m以上去除效率较高,在0.2~0.5m的炭层有部分去除,由于氨氮在活性炭的去除主要因为颗粒活性炭表面各种菌类的生物作用,由结果分析上层活性炭的细菌含量高于下层细菌含量。在炭砂柱中消失的N元素较少,氨氮大部分转化为NO₃^--N、NO₂^--N。较少量的N元素的消失一部分是被活性炭吸附,另一部分转化为氨化细菌和硝化细菌自身的物质。炭砂过滤柱中的溶解氧充足,没有出现NO₂^--N的累积现象,出水NH₃-N、NO₂^--N都低于0.5 mg/L,均满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)。

　　 (1)气浮出水中的高溶解氧含量不一定利于炭砂滤柱去除氨氮,气浮单元出水中的溶解氧对于炭砂过滤过程的促进或抑制作用取决于原水中氨氮的含量。气浮-炭砂过滤工艺处理氨氮含量较高的进水能够充分发挥气浮和过滤单元的协同净水除氨氮的作用。

　　 (2)气浮单元除氨氮的过程中,主要的3个途径有浮渣去除、挥发吹脱和氮氧化,经分析3种转化途径,挥发吹脱起到了主要作用,浮渣去除次之,氮氧化还原转化作用较小。

　　 (3)处理氨氮浓度为3mg/L左右的进水,过滤单元最终出水DO较高,认为炭砂滤柱中基本无反硝化作用,本工艺最终出水NH₃-N、NO₂^--N都低于0.5mg/L,均能满足《生活饮用水卫生标准》。