摘要:采用自行设计的生物滤池反应器去除地表水中的氮，考察了HRT、水力负荷和氨氮负荷对生物滤池出水水质的影响。结果表明:系统TN去除率随水力负荷的增加而下降，氨氮去除率无明显变化，水力负荷小于1.2m3/(m2-d)，TN去除率达到54%以上;在进水氨氮质量浓度为14.52～17.44mg/L条件下，HRT为10h时，生物滤池对氮去除效果较好;当HRT为6h，进水氨氮负荷增加到0.048kg/(m3-d)以上，氨氮和TN平均去除率分别为96%和31%。随着许多地表水水质日益恶化，水中C/N低，N、P含量高的特点尤为突出。目前脱氮是水处理的研究热点，大量的生活污水、工业废水中携带含氮污染物排入受纳水体，对地表水进行深度脱氮具有一定的难度。
地表水中的氨氮过高不但会消耗水中溶解氧，还可能诱发富营养化。目前受污染地表水的生物脱氮方法大多采用生物膜法，其中生物滤池是有代表性的工艺。本文针对我国地表水水质普遍低碳高氮的特点，采用生物活性炭滤池处理污染地表水，通过添加甲醇为碳源强化生物滤池的脱氮效能，同时以颗粒活性炭为填料的生物滤池中，通过物化吸附和生物作用等途径将氮素去除。
1试验部分
1.1试验装置
设计反应器结构如图1所示，由有机玻璃加工而成，反应器容积10L，其中反应器底部约4L，中间部分6L。反应器底层以直径为1～3cm的鹅卵石作为承托层，厚度为10cm，上层以直径为4.0mm颗粒活性炭作为填料，长度为4～10mm的柱状颗粒活性炭，厚度为25cm。
图1生物处理工艺
1.2试验用水水质
本试验所处理的水取自A城市内河河道。表1为河水水质监测数据，结果显示水质等级为劣Ⅴ类。
1.3分析项目及方法
CODMn:酸性高锰酸钾法;氨氮:纳氏试剂分光光度法，参照GB7479—87《水质铵的测定纳氏试剂比色法》;亚硝酸盐氮:N-(l-萘基)-乙二胺光度法，参照
表1试验期间对A河道断面的监测数据
GB7493—87《水质亚硝酸盐氮的测定分光光度法》;硝酸盐氮:紫外分光光度法;TN:过硫酸钾氧化紫外分光光度法，GB11894—89《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》;TP:钼酸铵分光光度法，GB11893—89《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》。
2结果与讨论
2.1不同水力负荷对去除氮的影响
水力负荷与HRT是一对相关联的参数，水力负荷大则水力停留时间短，反之则长。对于反应器而言，填料上的微生物与污水中的基质进行作用需要一定的接触反应时间作保证。另一方面，水力负荷对控制生物膜厚度、改善传质等方面也有一定的作用。
反应器内不同微生物群落趋向于分布在其各自具有最大竞争优势的区域，水力负荷增加，原先保持的平衡将被打破。如果水力负荷过高，有机负荷也增加，异养的硝化细菌生长比较占优势，反硝化细菌处于劣势，不利于脱氮反应的进行。邱立平等的研究表明在不同进水负荷条件下，曝气生物滤池总氮去除可达60%。因此确定适宜的水力负荷，对提高生物滤池的处理性能有着重要的意义。
试验条件:温度为19～21℃，ρ(NH3－N)=15.24～17.96mg/L，ρ(TN)=19.36～22.17mg/L，外加碳源。图2为水力负荷对氮的去除。由图2可知:随着水力负荷的逐渐增加，出水氨氮浓度没有明显的变化，而随着水力负荷增加，出水TN浓度逐渐增大，TN去除率下降。
图2水力负荷对氮的去除
当水力负荷为0.94～1.24m3/(m2-d)，TN去除率为54.3%～61.9%;水力负荷为1.40～1.71m3/(m2-d)，TN去除率没有明显变化，此时TN去除率为27.3%～34.2%;水力负荷为1.87m3/(m2-d)时，TN去除率下降为15%左右。水力负荷过大，TN去除效果下降，选择适宜的水力负荷，在工程实际中有着重要的作用。
2.2不同HRT对氮去除的影响
水力停留时间(HRT)是影响处理效果的一个重要因素。HRT过大，水力负荷小，工程设备规模和投资费用也随之增大，在满足处理要求的前提下，应尽可能减少HRT。为此，本试验针对不同HRT，设计了3组试验，HRT分别为4，6，10h，生物滤池对水中氮的去除如图3所示。
图3HRT对氮去除的影响
试验条件:温度18.2～21.0℃，ρ(NH3－N)为14.52～17.44mg/L，ρ(TN)为19.65～22.17mg/L，外加碳源。根据试验结果，HRT的减少增加了污染物负荷，由图3可知:HRT大幅降低，出水氨氮浓度没有明显变化，而随着HRT的延长，TN去除效果明显提高。
HRT由6h降为4h时，TN去除率从26.1%下降到12.5%。当HRT为10h时，出水TN浓度发生了明显下降，此时TN去除率为61.9%。由于工程实际设计中，HRT不宜过大，在此试验条件下，HRT为10h时，生物滤池对氮的去除效果较好。
2.3进水氨氮负荷对氮去除的影响
在进水流量一定条件下，考察氨氮负荷对系统去除效果的影响，有助于了解系统抗氨氮冲击负荷的能力［10］。本试验进行不同氨氮浓度对氮去除效果的研究。1号与2号为不同批次从A河道取回的水样，两组不同氨氮浓度，进行对比如图4所示。
图4进水氨氮负荷对氮去除的影响
试验条件:HRT为6h，温度为17.8～23.0℃，外加碳源;1号水样ρ(NH3－N)为2.39～3.03mg/L，ρ(TN)为10.48～14.69mg/L，2号水样ρ(NH3－N)为14.52～16.09mg/L，ρ(TN)为19.17～21.17mg/L。
由图4可知:随着进水氨氮浓度的增加，出水氨氮浓度也增加。在1号中，进水氨氮负荷为0.009～0.012kg/(m3-d)时，氨氮去除率达到98%以上，出水氨氮浓度为0.04～0.10mg/L;2号中，进水氨氮负荷增加到0.048～0.065kg/(m3-d)时，氨氮去除率为90%左右，出水氨氮浓度为1.17～1.79mg/L。
本阶段随着进水氨氮负荷的增加，供氧量保持不变，所以负荷的增加造成溶氧的相对不足，而硝化过程是一个好氧过程，因此进水氨氮负荷增加抑制了硝化作用，所以氨氮去除率呈下降趋势。另外，1号出水中亚硝酸盐氮浓度为0.002～0.004mg/L，几乎没有亚硝酸盐氮的积累;而2号出水中亚硝酸盐氮浓度为0.75～1.13mg/L。
这是由于氨氮浓度较高时，水扩散到膜表面的氧量和膜内的氧量在一定曝气强度下基本是恒定的，硝化细菌得不足够的溶解氧来氧化中间产物亚硝酸盐氮，因而导致亚硝酸盐氮积累增多。
由图4可知:1号进水TN浓度为10.48～14.69mg/L，出水TN浓度为4.12～4.71mg/L，TN平均去除率为66.4%;2号进水TN浓度为19.17～21.17mg/L，出水TN浓度为12.80～17.85mg/L，而TN平均去除率仅为19.7%。
2.4、TP的去除
磷是引起地表水富营养化的主要营养物质之一。污染河流中TP超标，由图5可见，利用反应器可去除水体中部分TP。1号、2号分别为不同批次从A河道运回的水样，2号的水质污染情况比1号严重，可能是由于2号取水之前受到降雨的影响。
图5：TP去除情况
试验条件:HRT为6h，温度为17.8～23.0℃，ρ(TP)为0.93～1.62mg/L，外加碳源。如图5所示:1号进水ρ(TP)为0.93～1.00mg/L，TP平均去除率为27.0%，此时出水ρ(TP)为0.66～0.71mg/L;2号进水ρ(TP)为1.45～1.82mg/L，TP平均去除率为34.2%，此时出水ρ(TP)为1.02～1.14mg/L。该反应器对TP去除主要依靠生物作用。1号、2号出水中TP比较平稳，说明反应器对去除TP具有一定的稳定性。
3结论
以城市污染河流的水为研究对象，针对进水ρ(氨氮)为14.52～17.44mg/L，ρ(TN)为19.65～22.17mg/L污染河水，经过工艺参数优化后，HRT为10h时，氨氮去除率达87%以上，总氮去除率达到60%以上，表明在河道水脱氮方面的潜力和应用价值。试验结果进一步表明:
1)不同水力负荷对氨氮去除效果没有太大变化，对TN去除效果显著。选择适宜的水力负荷，对提高生物滤池去除氮的性能有着重要的意义。
2)不同HＲT对生物滤池去除氮的效果具有重要影响。结果表明，HRT为10h时，生物滤池对氮的去除效果比较好。
3)生物滤池对高氨氮负荷有一定耐冲击性。
《环境工程》 作者：董春枝 1，2; 吴利芳 2 ;张永明 1; 彭强辉 2 ;朱建龙 2 ;蔡 强 2。
1上海师范大学 环境工程系， 2浙江清华长三角研究院