CN101987757B

CN101987757B - 去除饮用水中高浓度氨氮的方法以及系统

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Publication number: CN101987757B
Application number: CN2010105725593A
Authority: CN
Inventors: 张锡辉; 盛德洋; 吴月华; 陈明; 许欢; 巢猛; 陈怡球; 张建国; 丁卫; 陈丽珠; 刘健明
Original assignee: DONGGUAN DONGJIANG SHUIWU Co Ltd; Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: DONGGUAN DONGJIANG SHUIWU Co Ltd; Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: CN101987757A

Abstract

一种有效去除饮用水中高浓度氨氮的方法，包括以下步骤：对经过混凝沉淀处理的待滤水流进行纯氧预曝气，使溶解氧浓度与氨氮浓度比为4.2~5.2；然后将纯氧预曝气后的待滤水送入活性无烟煤滤床，通过活性无烟煤滤料生物氧化降解和过滤处理，去除氨氮。其采用纯氧预曝气和活性无烟煤过滤联合工艺，通过纯氧预曝气使溶解氧浓度达到15~35mg/L，高浓度溶解氧为氨氮的生物硝化提供足够的氧气，并避免形成亚硝酸盐等有害的中间产物，经运行，出水氨氮达标，亚硝酸盐浓度得到有效控制，保证了出水安全。本发明可与水厂现有工艺及设备结合实施，不需要加设构筑物及设备，系统投资成本低，便于推广。

Description

去除饮用水中高浓度氨氮的方法以及系统

技术领域

本发明涉及饮用水处理技术，特别是一种有效去除饮用水中季节性高浓度氨氮的方法以及系统，适合于水源水受到氨氮污染，而导致常规工艺处理后氨氮超标的情况。

背景技术

目前饮用水源还主要是以地表水为主，地表水中普遍存氨氮污染。常规处理工艺如混凝沉淀和石英砂过滤等对氨氮和有机物的去除率很低。由于氨是自养菌繁殖的电子供体，在处理厂和配水系统中，氨氮浓度达到0.25mg/L就足以使硝化菌生长，而由硝化菌和氨释放出来的有机物会造成嗅味问题；另外，氨形成氯胺也要消耗大量的氯，降低消毒效率。

用于去除水中氨氮的处理工艺有：曝气法、折点加氯法、沸石过滤法及生物氧化法。

曝气法是去除水中溶解性气体的常用方法，对于水中的氨氮，必需考虑它在水中存在的状态。氨的离解常数为1.8×10^-5(25℃)，当pH=7.0时，水中[ NH₄ ⁺ ]=180[NH₃]，即水中主要为NH₄ ⁺离子；当pH=11时，[NH₃]=55[NH₄ ⁺]，即水中主要为溶解的分子态NH₃，易于在曝气过程中从水中逸出。这需要将水的pH调至11.0，当水与空气的重量比为0.12~0.16时，NH₃去除率可达90% 。但是，这种工艺需调整pH，耗碱量巨大，且有大量沉淀，成本高。

折点加氯可以去除氨氮，其化学反应可简化为：2NH₃+3Cl₂→ N₂+6HCl，在余氯—加氯量曲线上出现一个折点，余氯量最低。折点加氯量与水中氨氮之比约为7.6，一般加氯量要达到氨氨的9~10倍；如果还要达到除铁、锰、色度及消毒的目的，则加氯量需要达到几个甚至几十毫克升，导致水中消毒副产物浓度增加。氯仿浓度会高至几十至几百微克/升，此外尚有卤代醋酸，卤代醛，卤代酮等等消毒副产物，增加了致癌风险，近几年折点加氯已较少采用。

沸石是一种天然硅铝酸盐矿物，具有独特的矿物和晶体化学性质，外观为灰白色，对水中NH₄ ⁺有吸附交换作用，通常以粒状颗粒固定床方法运行，该法占地小，温度和毒物对脱氨效率影响小。但是，当氨氮浓度高时，沸石滤床再生频繁，操作困难，而且再生液仍为高氨氮废水。此法缺点是沸石用量大，再生频繁，操作复杂。

生物氧化法是近十几年来在我国发展起来的针对污染水源的处理工艺。这种工艺采用各种类型的生物填料，工艺设备在启动时，需要以比较低的水力负荷运行，进行生物挂膜，使填料表面逐步发育布满生物膜，生物膜能够利用水中的溶解氧对有机物、氨氮以及其他可被氧化的物质进行降解处理，使其得到去除或转化成无害的物质。生物氧化除氨由于其净水效率高，能同时去除多种污染物，成本低，受到广泛的欢迎。

生物法包括生物预处理、强化过滤、生物深度处理等。生物预处理是指在常规的物化处理工艺之前增加生物预处理工艺，利用微生物群体的新陈代谢作用对水源水中的有机污染物以及氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、铁和锰等无机污染物进行初步去除，这样能够改善了水源水的混凝沉淀性能，使常规工艺更好地发挥作用，同时也减轻了后继常规处理和深度处理的负担，从而发挥水处理工艺的整体作用，降低水处理的费用，提高对水源水中的污染物的去除效果，改善饮用水的水质，同时也减少了微生物在配水管网中重新滋生的可能性。但是，这种生物工艺占地面积比较大，对于许多已经建成的水厂，场地有限，改造比较困难。

强化过滤，即在保证滤池对浊度去除效果的同时，使滤池具有去除水中氨氮、亚硝酸盐氮和有机物的能力。其核心技术是将普通滤池改造成生物活性快滤池，简称生物活性滤池，以区别于生物预处理中广泛使用的生物滤池。美国LeChevallier等人研究了几种形式的滤池：无烟煤—石英砂—石榴石滤池、活性炭—石英砂滤池，结果表明通过生物强化的过滤工艺能够有效去除氨氮、AOC（可生物同化有机碳）和TOC（总有机碳）等，出水浊度大部分情况下均小于0.5NTU。但是强化过滤不能去除高浓度的氨氮，当氨氮浓度高于2mg/L时，出水亚硝酸盐浓度大幅度上升，严重影响应饮用水的安全性。

深度处理如臭氧－生物活性炭技术，是将活性炭物理化学吸附、臭氧化学氧化、生物氧化降解及臭氧消毒合为一体的工艺，在饮用水处理中有其独特的优势，取得了多重效应。但是，这种工艺成本比较高，设备操作复杂，需要比较大的占地面积。

通过综合比较，可以看到预处理和深度处理的各种方法各有其优点，但也存在明显的局限性，即均须在现有常规工艺的基础上另外增设构筑物及设备，这就需要大量占地与设备投资。在深度处理中，尽管臭氧—活性炭的处理效果已被公认，但是由于其价格和运转费比较昂贵，并非任何水厂都有经济能力和足够的场地采用这些方法，因而妨碍了一些深度处理技术的推广应用。而生物强化过滤工艺主要指在不增加水厂构筑物的前提下，通过对过滤工艺的改进，最大程度地发挥现有构筑物及设备的处理效果，或使其具有某种新的处理功效，达到提高饮用水水质的目的，具有投资少、不需另设构筑物的优点。因此，生物强化过滤对氨氮和有机物的去除是技术发展的方向。

发明内容

为避免现有饮用水处理技术存在的上述不足，本发明提供一种有效去除饮用水中季节性高浓度氨氮的方法以及系统，以有效解决水源水受到季节性的高浓度氨氮污染问题，同时能结合水厂现有工艺及条件基础实施，不需加设构筑物。

本发明有效去除饮用水中高浓度氨氮的方法，包括以下步骤：对经过混凝沉淀处理的待滤水流进行纯氧预曝气，使溶解氧浓度与氨氮浓度比为4.2~5.2；然后将纯氧预曝气后的待滤水送入活性无烟煤滤床，通过活性无烟煤滤料生物氧化降解和过滤处理，去除氨氮。

其中，所述纯氧预曝气步骤包括：将压力为0.1~0.3MPa的纯氧经曝气喷嘴快速充入流速为0.2~1.0 m/s 的所述待滤水流中，然后进入静态混合器内使氧气溶解到水流中，并且溶解氧浓度达到15~35mg/L，以满足氨氮硝化过程对氧的需求。

一种有效去除饮用水中高浓度氨氮的系统，包括：

一静态混合器，具有进水管和出水管，进水管一侧设进气口，经混凝沉淀处理后的待滤水流以流速0.2~1.0 m/s输入进水管；

一纯氧源,提供压力为0.1~0.3MPa的纯氧；

一曝气喷嘴，连接于纯氧源的出口与静态混合器的进水管的进气口之间，纯氧在0.1~0.3MPa压力下经曝气喷嘴快速充入所述待滤水流于静态混合器中预曝气；及

一活性无烟煤滤床，其内填充活性无烟煤滤层，该滤层的上、下面分别设水气进口和出水口，靠近该滤层的下端部设反冲洗进水管和反冲洗进气管，活性无烟煤滤床的水气进口连接静态混合器的出水管，由该出水管将纯氧预曝气后的待滤水送入活性无烟煤滤床进行生物氧化降解和过滤处理。

所述活性无烟煤滤床中的活性无烟煤滤层厚度为1~1.5米，过滤速度为8~12m/h。所述活性无烟煤的机械强度85%~95%，碘值达到500~900mg/g。

本发明是对待滤水进行纯氧预曝气，根据待滤水中氨氮浓度，调节纯氧曝气量使其中的溶解氧浓度与氨氮浓度之比为4.2~5.2，采用活性无烟煤原位代替常规的石英砂滤料。

活性无烟煤具有丰富的多孔结构和比较大的比表面积。一方面，丰富的多孔结构有利于吸附水中污染物质和微生物的附着，利用生物作用提高出水水质；另一方面，滤料床层，有利于截留颗粒物质，发挥传统的过滤性能。

在没有纯氧预曝气的情况下，正常待滤水的溶解氧约为4~6，通过微生物作用，活性无烟煤过滤能够去除的氨氮浓度为1.5mg/l左右的氨氮（包括完全和非完全转化为硝酸盐氮），基本符合降解氨氮和溶解氧之比为1:4.57的理论值。但是，当氨氮浓度升高时，由于受到溶解氧的限制，出水氨氮基本不能达标，且亚硝酸盐氮的浓度明显升高。本发明采用纯氧预曝气和活性无烟煤过滤的联合工艺，高浓度溶解氧为氨氮的生物硝化提供足够的氧气，并避免形成亚硝酸盐等有害的中间产物。当进水氨氮浓度分别为1、2、4、6mg/L ，通过纯氧预曝气，溶解氧浓度达到15~35mg/L，经过稳定运行，出水氨氮都能达标<0.5mg/L，亚硝酸盐浓度得到有效控制，保证出水安全。

本发明方法对有机物也有较好的去除效果，对COD_Mn的去除率为40~60%，UV₂₅₄的去除率在50%左右；对浊度的去除率≥90%，当进水浊度为1~6NTU时，出水浊度均在0.5NTU以下，可以代替传统的石英砂滤料，发挥良好的传统过滤效果。

本发明可与水厂现有工艺及设备结合实施，不需要加设构筑物及设备，系统投资成本低，便于推广。

附图说明

图1为本发明一种去除饮用水中高浓度氨氮系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体试验对本发明做进一步说明。

参照图1, 所示有效去除饮用水中高浓度氨氮的系统主要包括：静态混合器1、曝气喷嘴2、纯氧源3和活性无烟煤滤床4。

静态混合器1具有进水管11和出水管12，进水管11一侧设进气口13，经混凝沉淀处理后的待滤水流以流速0.2~1.0m/s输入进水管11。纯氧源采用纯氧储罐3，也可采用制氧机来提供纯氧，输出的纯氧压力为0.1~0.3MPa，用于对所述待滤水流进行纯氧预曝气。曝气喷嘴2连接于纯氧储罐3的出口与静态混合器1的进水管11的进气口13之间，来自纯氧储罐3的纯氧经曝气喷嘴2快速充入所述待滤水流于静态混合器1中预曝气。

活性无烟煤滤床4内填充活性无烟煤滤层42，该滤层42的上、下面分别设水气进口41和出水口43，靠近该滤层42的下端部设反冲洗进水管44和反冲洗进气管47，反冲洗进水管44连接水反冲洗泵45，反冲洗进气管47连接空气反冲洗泵46。

活性无烟煤滤床4中的活性无烟煤滤层42厚度为1~1.5米，过滤速度为8~12m/h。活性无烟煤滤层采用普通无烟煤经过高温活化得到的新型活性无烟煤滤料，其机械强度85%~95%，其碘值达到500~900mg/g。该高温活化工艺可采用常规的活性炭活化工艺等。

通过图1系统实现去除饮用水中高浓度氨氮的方法采取如下步骤：

对经过混凝沉淀处理的待滤水流进行纯氧预曝气，将待滤水流泵入进水管11、静态混合器1，待滤水流速为0.2~1.0m/s；将来自纯氧储罐3的压力为0.1~0.3MPa的纯氧经曝气喷嘴2快速充入进水管11内的所述待滤水流中，然后进入静态混合器1内气水混合1~5分钟，使氧气快速溶解到水流中，并且溶解氧浓度达到15~35mg/L，使溶解氧浓度与氨氮浓度比为4.2~5.2，以满足氨氮硝化过程对氧的需求。

在静态混合器1内纯氧预曝气后的待滤水通过出水管12进入活性无烟煤滤床4，通过活性无烟煤滤料42生物氧化降解和过滤处理，去除氨氮的滤后水从活性无烟煤滤床4的出水口43流出。

经过充氧后的水进入到活性无烟煤过滤池中，由于活性无烟煤表面能够吸附有机物，能够使大量微生物附着生长而形成生物膜，从而能够对氨氮进行生物消化过程，将氨氮转化成为硝酸盐，出水流量用流量计控制。

当出水浊度超标或者水头损失超过1.5m时，停止过滤池的运行，通过空气反冲洗泵47和水反冲洗泵46先进行气水联合反冲洗，然后进行水反冲洗，将床层中积累的浊度颗粒和老化的生物膜冲洗出来，恢复滤床的过滤功能。

纯氧曝气量则根据水中氨氮浓度，使水中溶解氧浓度与氨氮浓度之比达到4.2~5.2，这是通过具体试验和传统的耗氧量理论值得出，此时出水中的溶解氧很低，可适当增加待滤水中溶解氧浓度（如2~4mg/L），使出水溶解氧得到相应的提高，但溶解氧所占比例过高则会造成氧气浪费。

实验1：在滤速8m/h的工况下进行测试，进水氨氮浓度分别为1.23、1.53、1.35、1.08、0.86、0.8、0.71、0.46、0.21、0.24mg/L，经过活性无烟煤滤层过滤，出水氨氮浓度分别为0.04、0.3、0.11、0.01、0.01、0.02、0、0、0.01、0mg/L，氨氮去除效率平均值是94.1%。

实验2：在滤速12m/h的工况下进行测试，进水氨氮浓度分别为0.52、0.59、0.5、0.53、0.54、0.46、0.38、0.56、0.33、0.34mg/L，经过活性无烟煤滤层过滤，出水氨氮浓度分别是0.02、0、0.03、0、0.01、0.01、0.04、0.03、0.02、0.04mg/L，氨氮去除效率平均值是95.8%。

实验3：针对季节性的氨氮污染，分别测试了进水氨氮浓度为1 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、6mg/L等4个梯度，在没有进行纯氧预曝气的情况下，水流中溶解氧浓度为6mg/L，出水氨氮浓度分别是0.07、0.52、2.24、4.31mg/L，去除效率分别是93.0%、74.1%、44.0%、28.3%。采用本发明方法，在进行了纯氧预曝气的情况下，水流中溶解氧浓度达到25mg/L，出水氨氮浓度分别是0.02、0.02、0.03、0.43mg/L，去除效率分别是98.0%、99.0%、99.2%、92.8%。

实验4：对亚硝酸盐浓度（以氮计）进行了测试比较，进水氨氮浓度为1 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、6mg/L等4个梯度，在没有进行纯氧预曝气的情况下，水流中溶解氧浓度为6mg/L，出水亚硝酸盐浓度分别是0.38、1.35、1.83、1.86mg/L，不能够满足国家饮用水标准【GB5749-2006】对于亚硝酸盐1mg/L的要求。采用本发明方法，在进行了纯氧预曝气的情况下，水流中溶解氧浓度达到25mg/L，出水亚硝酸盐浓度分别是0.05、0.10、0.32、0.64mg/L，能够满足国家饮用水标准对于亚硝酸盐1mg/L的要求。

实验5：当采用上述方法进行纯氧预曝气后，对COD_Mn的去除率为40~60%，对UV₂₅₄的去除率在50%左右；对浊度的去除率≥90%，当待滤水浊度为1~6NTU时，出水浊度均在0.5NTU以下。

Claims

1.一种有效去除饮用水中高浓度氨氮的方法，其特征在于包括以下步骤：对经过混凝沉淀处理的待滤水流进行纯氧预曝气，使溶解氧浓度与氨氮浓度比为4.2~5.2；然后将纯氧预曝气后的待滤水送入活性无烟煤滤床，通过活性无烟煤滤料生物氧化降解和过滤处理，去除氨氮；

其中，所述纯氧预曝气步骤包括：将压力为0.1~0.3MPa的纯氧经曝气喷嘴充入流速为0.2~1.0m/s的所述待滤水流中，然后进入静态混合器内使氧气溶解到水流中，并且溶解氧浓度达到15~35mg/L，以满足氨氮硝化过程对氧的需求。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：充有氧气的待滤水流在静态混合器内气水混合时间为1~5分钟。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述活性无烟煤滤床中的填料为活性无烟煤，厚度为1~1.5米，过滤速度为8~12m/h。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述活性无烟煤是普通无烟煤经过高温活化得到的活性无烟煤，其机械强度 85%~95%，碘值达到500~900mg/g。

5、一种有效去除饮用水中高浓度氨氮的系统，其特征在于包括：

一静态混合器，具有进水管和出水管，进水管一侧设进气口，经混凝沉淀处理后的待滤水流以流速0.2~1.0m/s输入进水管；

一纯氧源，提供压力为0.1~0.3MPa的纯氧；

一曝气喷嘴，连接于纯氧源的出口与静态混合器的进水管的进气口之间，压力为0.1~0.3MPa的纯氧经曝气喷嘴快速充入所述待滤水流于静态混合器中预曝气；及

6、如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述活性无烟煤滤床中的活性无烟煤滤层厚度为1~1.5米，过滤速度为8~12m/h。

7、如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述活性无烟煤的机械强度85%~95%，碘值为500~900mg/g。

8、如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述纯氧源是纯氧储罐或制氧机。