沸石強(qiáng)化SBR脫氮研究

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簡(jiǎn)介： 近年來(lái) ,隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和人們生活水平的提高，含氮化合物的排放量急劇增加，業(yè)已成為環(huán)境的嚴(yán)重污染源而引起各界的關(guān)注。
關(guān)鍵字：沸石 強(qiáng)化SBR 脫氮

一、緒論

1.氮素污染的危害：

近年來(lái) ,隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和人們生活水平的提高，含氮化合物的排放量急劇增加，業(yè)已成為環(huán)境的嚴(yán)重污染源而引起各界的關(guān)注。氮素污染的危害極大，表現(xiàn)在^[1,2,3]：（1）造成水體的“富營(yíng)養(yǎng)化”，致使藻類(lèi)毒素通過(guò)食物鏈?zhǔn)谷酥卸?。?）在一般條件下 ,廢水中所含的有機(jī)氮會(huì)轉(zhuǎn)化成氨。而氨的氧化 ,將導(dǎo)致水體中溶解氧濃度降低，使水體缺氧，從而引起魚(yú)類(lèi)大量死亡，造成水生生態(tài)系統(tǒng)紊亂；（3）與氯氣作用生成氯胺，妨礙氯化消毒，增加市政給水處理成本。（4）氨轉(zhuǎn)化為硝酸，又可由飲用水而誘發(fā)嬰兒的高鐵血紅蛋白癥；硝酸鹽進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為亞硝胺則具有嚴(yán)重的“三致”作用，直接威脅著人類(lèi)的健康。所以，經(jīng)濟(jì)有效地控制氮素污染已成為當(dāng)今環(huán)境工作者所面臨的重大科研課題。

2.城市污水除氮方法：

城市污水除氮方法分為物理化學(xué)方法與生物處理方法兩種^[4]。

物化法操作彈性大、效率高、投資省、占地小，但運(yùn)行費(fèi)用或藥劑費(fèi)用較高，且易產(chǎn)生二次污染；生物法脫氮的形式多種多樣，經(jīng)濟(jì)、且無(wú)二次污染，具有很大潛力^[5]。其中，生物法中的SBR（）由于有很多獨(dú)到之處而收到人們的重視。其可以通過(guò)限制曝氣或半限制曝氣等運(yùn)行方式在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)缺氧／好氧的組合，并對(duì)每一部分的時(shí)間比例作合適的控制，以達(dá)到脫氮的目的^[9]。與其他工藝相比，SBR工藝具有處理構(gòu)筑物少，調(diào)節(jié)功能好，對(duì)水質(zhì)、水量的變化具有一定的適應(yīng)性，且不宜產(chǎn)生污泥膨脹的優(yōu)點(diǎn)^[6]，其TN的去除率可以達(dá)到90%以上^[7]。

3.選題目的、意義以及研究路線(xiàn)確定

(1)選題的目的和意義：

2003年7月1日，國(guó)家執(zhí)行了新的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定氨氮濃度不得超過(guò)12mg/L，而現(xiàn)行的廢水處理工藝很難達(dá)到此要求。尤其是在冬季低溫和氨氮濃度較高的情況下，出水總氮和氨氮濃度更難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。為改善冬季低溫和高濃度氨氮條件下的生物脫氮效果，可采用吸附法來(lái)強(qiáng)化生物脫氮。我國(guó)具有豐富的沸石礦產(chǎn)資源，其不但具有良好的吸附性能，而且價(jià)格低廉，已被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域。本選題擬采用沸石來(lái)強(qiáng)化SBR的生物脫氮功能。

 (2)研究路線(xiàn)的確定：

本選題利用天然沸石的良好吸附性能，將沸石與SBR工藝結(jié)合起來(lái)，強(qiáng)化SBR工藝生物脫氮的效果。

本試驗(yàn)工藝流程：污水→初沉池→曝氣池（SBR反應(yīng)器）→出水

二、沸石強(qiáng)化SBR生物脫氮研究

1.沸石吸附原理

沸石是一種含水的堿或堿金屬架狀鋁硅酸鹽礦物^[17～21]，其礦物結(jié)構(gòu)是硅氧（SiO₄）四面體和鋁氧（AlO₄）四面體按一定的規(guī)律排列成具有籠狀的骨架，具有很多大小均一的孔穴和通道。在孔穴和通道中存在許多沸石水，經(jīng)加熱其中水分可逸去，失水后的沸石，形成一個(gè)內(nèi)表面很多的孔穴，其結(jié)構(gòu)很像是疏松多孔的海綿體，具有很強(qiáng)的吸附性，可吸附大量的其它分子（如NH₃、CO₂、H₂S等），填充沸石水的空缺，并保有很高強(qiáng)度。

沸石孔穴、通道大小均勻、固定，小于其直徑的物質(zhì)能被吸附，大于其直徑的物質(zhì)則不被吸附，從而對(duì)分子起著篩選作用。沸石能作吸附劑，主要靠它表面具有強(qiáng)大的包容力，而且還有較大的靜電力。因沸石晶格孔穴中分布有陽(yáng)離子，同時(shí)部分格架氧也具有負(fù)電荷，從而在離子周?chē)纬闪藦?qiáng)大電場(chǎng)，故其吸附力特別強(qiáng)大。由于其吸附力的強(qiáng)大，對(duì)銨離子能有選擇地吸收交換。

沸石對(duì)于各種離子的選擇交換順序如下：

Cs⁺>Rb⁺>K⁺> NH₄⁺>Sr²⁺>Na⁺>Ca²⁺>Fe³⁺>Al³⁺>Mg²⁺>Li⁺

所以，當(dāng)沸石用于氨氮的去除時(shí)，影響最大的為K^+[22]。由于城市污水中一般K⁺含量并不高，故沸石對(duì)氨離子有較高的選擇性^[23]。

2.試驗(yàn)裝置與工藝運(yùn)行參數(shù)

（1）試驗(yàn)材料：

本試驗(yàn)所用沸石為浙江縉云出產(chǎn)的400目天然沸石粉；試驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室制備的蒸餾水和超純水、屏風(fēng)泵站生活污水；污泥取自桂林市七里店污水廠(chǎng)氧化溝。

（2）試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置（小試）為三組并聯(lián)運(yùn)行的SBR池，單池尺寸   ，各設(shè)磁力攪拌器1臺(tái)。

（3）試驗(yàn)設(shè)計(jì)：試驗(yàn)研究分三組、四個(gè)工況進(jìn)行，如下

A組（反應(yīng)器1）：對(duì)比組，研究SBR工藝對(duì)城市污水的脫氮效果。

B組（反應(yīng)器2）：SBR＋沸石（組合工藝），研究沸石對(duì)中低濃度氨氮的脫氮效果。

C組（反應(yīng)器3）：SBR＋沸石（組合工藝），研究沸石對(duì)中高濃度氨氮的脫氮效果。

B組和C組的沸石投加量均為3g/L（以105℃下烘干4h以上的沸石重量計(jì)）。

試驗(yàn)研究共進(jìn)行了未反硝化、投小蘇打、反硝化、減少曝氣量四個(gè)工況。各工況運(yùn)行條件如下：

（4）工藝運(yùn)行參數(shù)：每天運(yùn)行兩個(gè)周期，每組每周期處理2.5升污水；進(jìn)水0.5h、反硝化１h、曝氣7.5h、沉淀和排水2h、閑置１h；泥齡：20d；每天排泥一次。

（5）試驗(yàn)分析項(xiàng)目及方法：

測(cè)試項(xiàng)目

測(cè)試方法

使用儀器或設(shè)備

pH

玻璃電極法^[45]（GB 6920-86）

PHS－3S型精密pH計(jì)

COD

快速測(cè)定法（俗稱(chēng)＂三五法＂）

微波密封消解COD速測(cè)儀

NH₃-N

納氏試劑比色法^[45]（GB 7479-87）

分光光度計(jì)

MLSS

重量法（105℃烘干恒重）

DRH型電熱鼓風(fēng)干燥箱

MLVSS

重量法（600℃灼燒恒重）

馬輻爐

SV%

自由沉淀30min

量筒

3.試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 COD的去除效果

由圖3-1和3-2可以看出，整個(gè)反應(yīng)期間各反應(yīng)器的COD去除率都基本在50%以上，而且各反應(yīng)器COD去除率差別并不十分顯著。在進(jìn)行反硝化以后，COD去除率達(dá)到了80%以上。盡管進(jìn)水COD濃度波動(dòng)很大，但出水COD濃度一直維持在50mg/L以下。達(dá)到了國(guó)家污水綜合排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2氨氮的去除效果

從圖3-3可以看到，整個(gè)反應(yīng)期間除了5月5日受寒潮影響溫度較低以外，溫度是基本恒定的，大致在25～30℃之間。在此溫度范圍內(nèi)，氨氮去除率受溫度的影響不大，也就說(shuō)溫度不是決定性的影響因素。但可以看到三個(gè)反應(yīng)器的氨氮去除率變化曲線(xiàn)的起伏與溫度變化曲線(xiàn)的起伏是大致相同的，且氨氮去除率的變化具有一定的滯后性。

整個(gè)反應(yīng)期間，反應(yīng)器1和2的氨氮去除率差別不是很明顯，但我們還是可以看到在各反應(yīng)器運(yùn)行反硝化以后，反應(yīng)器2的去除率是略高于反應(yīng)器1的，而反應(yīng)器3的去除率則明顯低于前二者。在工況二，投加小蘇打調(diào)pH值后，各反應(yīng)器的氨氮去除率都有顯著提高。

3.3 各反應(yīng)器運(yùn)行期間f值的變化

（注：MLVSS與MLSS的比值以f表示，即：f＝MLVSS/MLSS）

圖3-4的結(jié)果表明，各反應(yīng)器的f值在運(yùn)行期間是基本恒定的。投加了沸石的反應(yīng)器2、3的f值明顯地低于未投加沸石的反應(yīng)器1。

3.4 pH值與氨氮、COD的關(guān)系