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滤料床在受污染新沂河水净化中的应用 ＊ 张建华 张继彪 郑 正 马 艳 胡 金 污染控制与资源化研究国家重点实验室, 南京大学环境学院, 南京 210093 摘要 采用滤料床工艺, 对受污染的新沂河水进行了中试处理研究。 结果表明 3 种不同粒径的滤料床对 NH3-N 和 CODMn的去除能力大小不同, 依次为细滤料床中滤料床粗滤料床, 对 NH3-N 的去除率分别为 88, 70和 47, 对 CODMn的去除能力较低, 分别为22, 15和 12, 但均可以去除其中的可生化有机物。 在25～ 35 ℃时, 3 种滤料床对 NH3-H 的去除效果最好, 同时细滤料床抗温度的变化能力较强。 关键词 滤料床; NH3-N; CODMn PILOT-SCALE TREATMENT OF POLLUTED RIVER WATER OF XINYI RIVER WITH FILTRATING BEDS Zhang Jianhua Zhang Jibiao Zheng Zheng Ma Yan Hu Jin State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210093, China Abstract Pilot-scale experiments were carried out to treat the polluted Xinyi River water with the filtrating -bed process. The results indicated that, the three filtrating beds with media of different diameters had the same sequence of ammonium and CODMnremoval ability, and removal rates of ammonium were 88, 70 and 47, respectively, and that of CODMnwere 22, 15 and 12, respectively. But most of the bio -degradable organic matters could be removed.When the temperature keeps between 25 ℃ to 35 ℃, the optimal removal rate of NH3-N could retain at a high by these three kinds of filtrating beds could be kept.Also, the filtrating bed with fine filter material restrains temperature change better than other two kinds of filtrating beds. Keywords filtrating bed; NH3-N ; CODMn ＊水利部科技创新项目子项内容 XCX2001 -01 -03 。 0 引言 我国的江河湖泊和水库中 , 已经被污染的约占 82. 3, 全国有监测资料的1 200条河流中 , 已有 850 条受到污染,使已十分严重的水资源短缺状况更趋恶 劣 [ 1- 3] 。尤其是受纳城市尾水的河道, 由于排入的污 水量大,浓度高 ,污染更为严重 ,是地表水污染的重灾 区。采用处理水量大 、效率高 、 占地面积小、能耗低、 管理简单的污水处理技术来实现污染河水的就地净 化,对避免污染扩散 、 保障水资源利用, 恢复河道生态 系统具有十分重要的意义 。 本文以接纳城市尾水的行洪河道新沂河为对象, 在河道滩地上建设生物滤料床中试工程 ,试验研究了 滤料床工艺对受污染河水的净化效果, 为受污染的河 道治理、 水环境修复提供有意义的借鉴 。 1 中试工程设计 中试工程工艺流程, 如图 1 所示 。 图 1 中试工程工艺流程 受污染的新沂河水经潜污泵提升进入集水池 ,设 计水力停留时间为2 h。污水经集水池自流进入滤料 床前端的配水井 , 配水井尺寸10 m 1 m 0. 8 m , 采 用孔砖均匀布水, 配水井后设有 3 个分隔的布水池, 池深60 cm ,布水池出水进入滤料床系统 ,滤料床由内 填3 个不同粒径滤料的滤池并排组成, 尺寸均为 L W H 30 m 10 m 0. 6 m, 池底设计坡度 2, 在 距离进水端15 m处设置长度为2 m的曝气段。滤料层 为经挑选的当地产的砾石 ,为了保证池体过水的平稳 性和均匀性 ,在铺设砾石填料前, 在滤料床底层均匀 地铺设了厚10 cm的粗砂 ,然后在其上层铺设0. 6 m厚 47 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 的砾石 ,其中粗粒径滤料床的砾石直径 60 ～ 80 mm, 中粒径滤料床的砾石直径 30 ～ 50 mm ,细粒径滤料床 的砾石直径 10～ 20 mm ,处理水由滤料床下游挡水孔 砖墙溢流出水 ,3 个滤料床设计处理水量500 m 3 d 31 500 m 3 d,水力负荷为1. 7 m3 m2 d 。滤料床系 统剖面图如图 2 所示 。 图 2 滤料床系统剖面图 滤料床中试工程于 2002 年 12 月底建设完成 ,经 2 个月调试运行达到稳定状态后, 于2003 年 2月进入 正常试验,一直运行至 2003 年 12 月底 , 期间分别于 2003年 2 月、4 月和 6 月 3 次采样分析, 测试工程对 污染河水的净化效果 。试验用水为接纳城市尾水的 新沂河河水。具体水质情况如表 1所示。 表 1 新沂河河水水质mg L pH 除外 项目pHDOCODMnBOD5NH3-N 平均值7 . 67. 665. 312 . 94 . 63 最高值7 . 812. 718238 . 713. 3 最低值7 . 20. 519. 82. 70 . 16 2 试验结果与分析 2. 1 对NH3- N 的去除 不同粒径滤料床对NH3-N 的去除如图3 所示 ,按 照运行时间滤料床工艺对 NH3-N 的去除可以分为 3 个阶段 , 第 1 阶段从 2003 年 2 月 15 日试验开始到 2 月 27日 ,共取样 12 次, 进水 ρ NH3-N 平均浓度为 3. 1475 mg L , 细 、 中 、 粗 3种滤料床出水 ρ NH3- N 平 均浓度分别为 1. 0 ,2. 5,2. 9 mg L ,相应的去除率分别 为68,19,9; 从 2003年 4 月 6日至 13日为第 2 阶段, 共取样 7 次 ,即图 3 中的第 13 次取样到第 19 次, 在 该阶段进 水 ρ NH3-N 浓度 升高, 平 均为 9. 8 mg L ,出水分别为 2. 0, 5. 2, 7. 1 mg L, 相应的去除 率分别为 79,47,28。从 2003 年 6月 3 日至 13 日为第3 阶段试验,即图 3中的第 20次到试验结束, 该阶段进水的 ρ NH3- N 平均浓度回落至2. 0 mg L, 出水分别为 0. 2,0. 6,1. 0 mg L , 相应的去除率分别为 88,70 ,47。从运行结果可以看出, 3 种滤料床 对NH3- N 的去除效果都随着运行时间的增加而增 加,这是因为随着运行时间的增加, 滤料床系统越来 越成熟 ; 3 种滤料床对 NH3- N 的去除效果为细滤料 床中滤料床粗滤料床 ,这可能是由于两方面的原 因造成的, 一方面滤料的粒径越小, 对污染物的截留 吸附效果越好; 另一方面, 在滤料床系统中 NH3-N 的 去除主要是通过微生物的硝化作用完成的,滤料粒径 越小, 为微生物提供的可以附着的表面积越大, 微生 物的量越多 ,所以对 NH3- N 的去除效果越好 。 图3 不同粒径滤料床NH3-N 进出水浓度变化 2. 2 含氮化合物的沿程变化 氨氮和硝态氮浓度沿滤料床的变化见图 4。 a 细滤料床; b中滤料床; c 粗滤料床。 图 4 不同滤料床氨氮和硝态氮浓度的沿程变化 图4 可见,细 、 中、粗三滤料床中间端面和出口处 的 ρ NH3- N 平均浓度分别为 0. 5, 1. 5,1. 9 mg L以及 0. 2,0. 5, 1. 1 mg L 。可以看出在中间和出口两个断 面,3 种滤料床对NH3- N 的转化能力为细滤料床中 48 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 滤料床粗滤料床, 这和图 3得到的结论一致 。而在 相应的断面 ρ NO - 3- N 的浓度 分别为 2. 0, 1. 9, 1. 6 mg L以及 3. 7, 2. 8 , 2. 6 mg L 。在 3 种滤料床中 ρ NO - 3- N 的浓度都沿程增加,NO3-N 由 NH3- N 转化 而来, 表明在滤料床系统中 NH3- N 的去除转化确实 主要是微生物的作用。同时 3 种滤料床同一断面硝 态氮浓度为细滤料床 中滤料床粗滤料床 ,表明细 滤料床的NH3- N 转化能力最强, 中滤料床次之 ,粗滤 料床最弱 ,这也证明上述滤料床中滤料粒径越细微生 物量越多的推论 。 2. 3 对CODMn的去除 图5 为 3 种不同粒径滤料床 CODMn进出水浓度 及去除效果,可以看出CODMn的变化趋势与 NH3- N 相 似,按照运行时间可以分为 3 个阶段, 第 1 阶段从试 验开始到第 12 次取样, 进水 ρ CODMn 平均浓度 16. 4 mg L ,细 、 中 、 粗 3 种滤料床出水 ρ CODMn 平均 浓度分别为 13. 9, 15. 0, 15. 2 mg L , 相应的去除率分 别为15,8 , 7; 从第 13 次取样到第 19 次为第 2 阶段, 在该阶段进水 ρ CODMn 浓度升高, 平均为 31. 4 mg L ,出水分别为 26. 0,26. 1,26. 8 mg L ,相应的去 除率分别为 15,14,13, 从第 20次到试验结束为 第 3 阶 段, 进 水 的 ρ CODMn平 均 浓 度 回 落 至 11. 0 mg L ,出水分别为 8. 4,9. 3,9. 6 mg L相应的去除率 22,15,12,总之CODMn的去除率随运行时间的推 移逐渐增加 ,这是因为滤料床系统中 CODMn主要依靠 异养细菌去除,随着运行时间增加 ,滤料床微生物系统 越来越稳定成熟,3种滤料床对CODMn的去除效果依次 为 细滤料床中滤料床粗滤料床,和对NH3- N 去除 的规律一致 ,同样表明细滤料床的生物量最丰富。3 种 滤料床对 CODMn的去除率都比较低 ,但是从图 6 可知 该滤料床系统进水 BOD5较低, ρ BOD5 ρ CODMn 最 小为0. 1,最大为 0. 3,平均为0. 2,表明进水的可生化性 较差 ,上述 CODMn去除率可认为该滤料床系统可将绝 大部分可生化的有机物去除。 3 工程设计与运行条件对污染物净化的影响 3. 1 池长的影响 在试验过程中 , 对 NH3- N 浓度沿池长方向的变 化进行了 5 次监测,图 7 是 3种不同粒径滤料床沿池 长方向NH3- N 浓度 5 次测定的平均值 的变化状况。 由图 7 可以看出, 在 3 种滤料床中 ,NH3-N 的浓度都 图 5 不同粒径滤料床CODMn进出水浓度及去除效果 图6 进水 BOD5与 CODMn浓度比较 沿着池长方向逐渐降低, 并且在3 种滤料床任一相同 长度的断面 NH3-N 的浓度依次为细滤料床 粗滤料床, 这和图 3 所显示的结果一致 。对 NH3- N 浓度沿池长方向的变 化曲线进行了拟合, 结果如表 2 所示。结果表明, NH3-N 浓度的变化与池长近似呈指数关系 ,NH3-N 浓 度在开始时下降很快, 越往下端, 浓度下降的速率则 越慢, 细粒径滤料床至滤料床下端 20 m 处 NH3-N 浓 度已基本趋于稳定 ,而对于中粒径和粗粒径滤料床, 池长30 m处NH3-N 尚未趋于稳定, 加长滤料床的长度 仍有进一步下降的空间, 因此 ,对于新沂河受污河水, 中粒径和粗粒径滤料床的长度至少要30 m, 才能达 到比较好的 NH3-N 净化效果 。 图 7 NH3-N 浓度沿程变化拟合曲线 表2 NH3-N浓度沿程拟合曲线方程 项 目拟合曲线K R2 粗滤料床 y 2. 4199e- 0. 0256x 2 . 41990. 9834 中滤料床 y 2. 2558e- 0. 032x 2 . 25580. 8658 细滤料床 y 1. 8867e- 0. 072x 1 . 88670. 9843 49 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 3. 2 水温的影响 图8 是不同粒径滤料床 NH3- N 去除率随温度变 化趋势。从图 8 中可以看出 ,生物滤料床对污染物的 净化效果对水温变化非常敏感, 水温在25 ～ 35 ℃是 滤料床净化效果最好的温度。在这一温度段 ,不同粒 径滤料床均可以取得较为理想的去除效果 。当水温 降低, 滤料床净化效果受到抑制, 当水温降至5 ℃以 下时, 污染物去除率降至很低的水平, 其中细粒径滤 料床NH3- N 去除率降至正常值的 1 2左右 ,中粒径和 粗粒径滤料床则基本降至 10以下 , 细粒径滤料床 的低温耐受性较好 ,水温低于35 ℃以下,NH3- N 有较 好的去除效果 ; 高温也不是很敏感, 而当水温超过 15 ℃ 以上,去除率基本趋于稳定, 不会因温度的增加 而有较大幅度的提高; 中粒径和粗粒径滤料床则不 然,其去除率对温度的改变相对比较敏感 ,尤其是在 低温阶段,在5 ～ 25 ℃, 去除率随水温增加而上升的 图8 水温对NH3- N 去除效果的影响 趋势十分明显, 但当温度超过30 ℃以上, 去除率则基 本趋于稳定 。 4 结论 13 种不同粒径的滤料床对NH3- N 的去除效果 依次为细滤料床 中滤料床粗滤料床 ,并且 3种滤 料床对 NH3-N 的去除效果都随着滤料床运行时间的 增加逐渐增加并达到稳定 。其中细滤料床对 NH3- N 的去除率最高可达 88。 23种不同粒径的滤料床对 COD的去除效果依 次为细滤料床中滤料床 粗滤料床,可将进水中大 部分的可生化有机物去除 。 3 NH3- N 浓度的沿程变化符合一级动力学方 程,对于细滤料床 ,池长20 m即可获得较好的脱氮效 果,而对于中滤料床和粗滤料床 ,池长需要30 m以上 才能保证对 NH3-N 的去除。 4温度对 NH3- N 的去除影响较大, 3 种滤料床 在25～ 35 ℃时, 对NH3-N 的去除效果最好, 细滤料床 抗温度的变化能力较强, 而中滤料床和粗滤料床则相 对较差。 参考文献 [ 1] 李周, 包晓斌, 尹晓. 直面中国水资源短缺[ J] . 国土资源通讯, 2001 4 18 -21. [ 2] 陈志恺. 水资源的可持续利用问题[ J] . 中国科技奖励, 2005 1 40 -42. [ 3] 杨敏儿, 蔡先军, 吴力真. 浅析我国污水处理的可持续发展[ J] . 市政技术, 2004, 22 2 82 -84. 作者通信处 郑正 210093 南京大学环境学院污染控制与资源化 研究国家重点实验室 电话 025 83593109 E -mail zzheng nju. edu. cn 2008- 10-24 收稿 新书出版信息 工业除尘设备 设计 、 制作 、 安装与管理 , 主编姜凤有 ,152 万字 。该书共分两篇 第一篇重点介绍工 业除尘设备设计总则和机械式除尘器、袋式除尘器 、 湿式除尘器 、 静电除尘器、 除尘器壳体结构设计与输灰设施 的设备设计 ; 第二篇分别介绍设备制作、设备安装 、 设备验收、设备运行和技术经济 ,并按工作需要附录有工业 气体特性、工业粉尘特性和排放标准等技术资料。该书每册售价 170 元 含邮资 , 若需购此书的单位和个人, 请与环境工程编辑部联系。 1 银行汇款 开户银行 中国工商银行北京北太平庄支行 户 名 中冶建筑研究总院有限公司 帐 号 0200010019200071570 请注明“购书” 2 邮局汇款 北京海淀区西土城路 33号环境工程编辑部 100088 3 联系电话 010 82227638; 传真 010 82227806 50 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期