沸石强化SBR脱氮研究

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简介： 近年来 ,随着工农业生产规模的不断扩大和人们生活水平的提高，含氮化合物的排放量急剧增加，业已成为环境的严重污染源而引起各界的关注。
关键字：沸石 强化SBR 脱氮

一、绪论

1.氮素污染的危害：

近年来 ,随着工农业生产规模的不断扩大和人们生活水平的提高，含氮化合物的排放量急剧增加，业已成为环境的严重污染源而引起各界的关注。氮素污染的危害极大，表现在^[1,2,3]：（1）造成水体的“富营养化”，致使藻类毒素通过食物链使人中毒。（2）在一般条件下 ,废水中所含的有机氮会转化成氨。而氨的氧化 ,将导致水体中溶解氧浓度降低，使水体缺氧，从而引起鱼类大量死亡，造成水生生态系统紊乱；（3）与氯气作用生成氯胺，妨碍氯化消毒，增加市政给水处理成本。（4）氨转化为硝酸，又可由饮用水而诱发婴儿的高铁血红蛋白症；硝酸盐进一步转化为亚硝胺则具有严重的“三致”作用，直接威胁着人类的健康。所以，经济有效地控制氮素污染已成为当今环境工作者所面临的重大科研课题。

2.城市污水除氮方法：

城市污水除氮方法分为物理化学方法与生物处理方法两种^[4]。

物化法操作弹性大、效率高、投资省、占地小，但运行费用或药剂费用较高，且易产生二次污染；生物法脱氮的形式多种多样，经济、且无二次污染，具有很大潜力^[5]。其中，生物法中的SBR（）由于有很多独到之处而收到人们的重视。其可以通过限制曝气或半限制曝气等运行方式在时间上实现缺氧／好氧的组合，并对每一部分的时间比例作合适的控制，以达到脱氮的目的^[9]。与其他工艺相比，SBR工艺具有处理构筑物少，调节功能好，对水质、水量的变化具有一定的适应性，且不宜产生污泥膨胀的优点^[6]，其TN的去除率可以达到90%以上^[7]。

3.选题目的、意义以及研究路线确定

(1)选题的目的和意义：

2003年7月1日，国家执行了新的污水排放标准，规定氨氮浓度不得超过12mg/L，而现行的废水处理工艺很难达到此要求。尤其是在冬季低温和氨氮浓度较高的情况下，出水总氮和氨氮浓度更难达到排放标准。为改善冬季低温和高浓度氨氮条件下的生物脱氮效果，可采用吸附法来强化生物脱氮。我国具有丰富的沸石矿产资源，其不但具有良好的吸附性能，而且价格低廉，已被广泛应用于工农业及环境保护领域。本选题拟采用沸石来强化SBR的生物脱氮功能。

 (2)研究路线的确定：

本选题利用天然沸石的良好吸附性能，将沸石与SBR工艺结合起来，强化SBR工艺生物脱氮的效果。

本试验工艺流程：污水→初沉池→曝气池（SBR反应器）→出水

二、沸石强化SBR生物脱氮研究

1.沸石吸附原理

沸石是一种含水的碱或碱金属架状铝硅酸盐矿物^[17～21]，其矿物结构是硅氧（SiO₄）四面体和铝氧（AlO₄）四面体按一定的规律排列成具有笼状的骨架，具有很多大小均一的孔穴和通道。在孔穴和通道中存在许多沸石水，经加热其中水分可逸去，失水后的沸石，形成一个内表面很多的孔穴，其结构很像是疏松多孔的海绵体，具有很强的吸附性，可吸附大量的其它分子（如NH₃、CO₂、H₂S等），填充沸石水的空缺，并保有很高强度。

沸石孔穴、通道大小均匀、固定，小于其直径的物质能被吸附，大于其直径的物质则不被吸附，从而对分子起着筛选作用。沸石能作吸附剂，主要靠它表面具有强大的包容力，而且还有较大的静电力。因沸石晶格孔穴中分布有阳离子，同时部分格架氧也具有负电荷，从而在离子周围形成了强大电场，故其吸附力特别强大。由于其吸附力的强大，对铵离子能有选择地吸收交换。

沸石对于各种离子的选择交换顺序如下：

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

所以，当沸石用于氨氮的去除时，影响最大的为K^+[22]。由于城市污水中一般K⁺含量并不高，故沸石对氨离子有较高的选择性^[23]。

2.试验装置与工艺运行参数

（1）试验材料：

本试验所用沸石为浙江缙云出产的400目天然沸石粉；试验用水为实验室制备的蒸馏水和超纯水、屏风泵站生活污水；污泥取自桂林市七里店污水厂氧化沟。

（2）试验装置

试验装置（小试）为三组并联运行的SBR池，单池尺寸   ，各设磁力搅拌器1台。

（3）试验设计：试验研究分三组、四个工况进行，如下

A组（反应器1）：对比组，研究SBR工艺对城市污水的脱氮效果。

B组（反应器2）：SBR＋沸石（组合工艺），研究沸石对中低浓度氨氮的脱氮效果。

C组（反应器3）：SBR＋沸石（组合工艺），研究沸石对中高浓度氨氮的脱氮效果。

B组和C组的沸石投加量均为3g/L（以105℃下烘干4h以上的沸石重量计）。

试验研究共进行了未反硝化、投小苏打、反硝化、减少曝气量四个工况。各工况运行条件如下：

（4）工艺运行参数：每天运行两个周期，每组每周期处理2.5升污水；进水0.5h、反硝化１h、曝气7.5h、沉淀和排水2h、闲置１h；泥龄：20d；每天排泥一次。

（5）试验分析项目及方法：

测试项目

测试方法

使用仪器或设备

pH

玻璃电极法^[45]（GB 6920-86）

PHS－3S型精密pH计

COD

快速测定法（俗称＂三五法＂）

微波密封消解COD速测仪

NH₃-N

纳氏试剂比色法^[45]（GB 7479-87）

分光光度计

MLSS

重量法（105℃烘干恒重）

DRH型电热鼓风干燥箱

MLVSS

重量法（600℃灼烧恒重）

马辐炉

SV%

自由沉淀30min

量筒

3.试验结果及分析

3.1 COD的去除效果

由图3-1和3-2可以看出，整个反应期间各反应器的COD去除率都基本在50%以上，而且各反应器COD去除率差别并不十分显著。在进行反硝化以后，COD去除率达到了80%以上。尽管进水COD浓度波动很大，但出水COD浓度一直维持在50mg/L以下。达到了国家污水综合排放一级标准。

3.2氨氮的去除效果

从图3-3可以看到，整个反应期间除了5月5日受寒潮影响温度较低以外，温度是基本恒定的，大致在25～30℃之间。在此温度范围内，氨氮去除率受温度的影响不大，也就说温度不是决定性的影响因素。但可以看到三个反应器的氨氮去除率变化曲线的起伏与温度变化曲线的起伏是大致相同的，且氨氮去除率的变化具有一定的滞后性。

整个反应期间，反应器1和2的氨氮去除率差别不是很明显，但我们还是可以看到在各反应器运行反硝化以后，反应器2的去除率是略高于反应器1的，而反应器3的去除率则明显低于前二者。在工况二，投加小苏打调pH值后，各反应器的氨氮去除率都有显著提高。

3.3 各反应器运行期间f值的变化

（注：MLVSS与MLSS的比值以f表示，即：f＝MLVSS/MLSS）

图3-4的结果表明，各反应器的f值在运行期间是基本恒定的。投加了沸石的反应器2、3的f值明显地低于未投加沸石的反应器1。

3.4 pH值与氨氮、COD的关系