草炭為填料的CHF工藝處理高濃度氨氮廢水
導讀:：采用草炭作為CHF工藝填料，研究了草炭的理化特性及其處理高濃度氨氮廢水效果。試驗表明，草炭獨特的理化性質(較大的氨氮吸附量、陽離子交換量和質軟便于循環)適合作為CHF工藝填料;當控制水力負荷為0.5m/d、溫度20℃、濕干比40min：140min時，該工藝對COD、氨氮、總氮的去除效果依次達到80%-85%、約100%、50-55%，系統內實現了高效硝化，但總氮的去除效果不佳。
關鍵詞：草炭，氨氮，CHF工藝，硝化
腐殖質濾池(Humus Filter，HF)是利用垃圾填埋場中篩選出的腐殖垃圾作為填料，構筑形式與生物濾池類似的一種新型惰性填料生物反應器。HF工藝由于其優越的污水凈化效率和廢物資源化的理念，現已被廣泛推廣，主要應用領域：生活污水和家禽廠污水的處理。但是HF工藝和其他滴濾池一樣有堵塞和污染物負荷較低的缺陷【1-2】。循環腐殖質濾池(Circulating Humus Filter， CHF)：通過腐殖填料循環提高處理效能，解決填料堵塞問題的腐殖填料濾池技術。立足CHF工藝特點硝化，通過采用草炭為填料調節工藝運行參數和方式分析了其處理高濃度氨氮廢水的效果，為CHF工藝應用于高濃度氨氮廢水提供了依據。
1、實驗材料、裝置與方法
實驗選用草炭為填料范文。草炭具有較高的氨氮吸附量【3】和較高的陽離子交換量CEC約為126.4cmol/kg，輕質纖維狀具有良好的透氣功能且水力負荷較一般滴濾池高【4】。高氨氮污水選用生活污水、葡萄糖和氯化銨配制。
圖1 草炭處理高濃度氨氮廢水裝置圖
實驗裝置見圖一。填料柱為3個DN100高1m的PVC管。草炭裝填高度90cm，柱底裝填5cm的碎石承托層;實驗時將3根填料柱交替串聯使用其中兩根，另一根閑置，閑置周期為3天。采用蠕動泵間歇自上而下進水濕干比為40min：140min，水力負荷0.5m/d，進水適當曝氣控制進水溶解氧大于2ppm。研究內容包括草炭的物化性質和工藝不同污染物負荷處理效果及其穩定性。主要水質分析項目COD、氨氮、總氮，分別采用重鉻酸鉀法、水楊酸-次氯酸鹽分光光度法、堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法。
2、結果與討論
2.1草炭吸附特性研究
2.1.1 pH對其吸附性能影響
配置50mg/l的NH4+溶液，分別取4份75ml該溶液于4個100ml錐形瓶中，并且用稀NaOH溶液調節PH至6、7、8、9，各加入2.00mg經65℃干燥的草炭。置于搖床中調節溫度25℃，轉速120r/min，時間為24h。待吸附平衡后測定吸附后溶液的NH4+濃度。
圖2 pH對草炭吸附氨氮的影響
實驗表明：在一定范圍內硝化，隨著溶液pH增大草炭對于氨氮的吸附呈增大趨勢，同時偏堿性環境有利于硝化細菌的增值促進硝化反應的順利進行。
2.1.2靜態吸附等溫線實驗
分別稱取5份草炭(2.00mg)分別置于100的錐形瓶中，加入濃度分別為10、25、50、100、200mg/l NH4+溶液，控制溫度為25℃，在恒溫振蕩器中以120r/min的轉速震蕩24h，使吸附達到平衡。測定平衡后吸收液中的NH4+濃度。
圖3 草炭靜態吸附動力學實驗
實驗表明：隨著氨氮濃度的增大，草炭的吸附量逐漸增大，且在低于100mg/L時草炭吸附量增加明顯，高于100mg/L時吸附量基本維持在0.6mg/g，這表明草炭能更高效的吸附氨氮濃度較高的廢水。
2.1.3靜態吸附動力學實驗
將2.00g草炭加入到初始濃度為50mg/L的NH4+溶液中，控制溫度為25℃，振蕩器以120r/min不停震蕩。每隔一段時間(5min、7min、10min、20min、25min、0.5h、40min、1h、2h……)取樣分析其濃度變化，吸附平衡為止，作出吸附時間與吸附量的關系曲線。
圖4 草炭吸附氨氮平衡實驗
圖4表明草炭具有高效的氨氮吸附能力硝化，僅30min左右草炭對50mg/L的NH4+溶液吸附達到平衡，平衡時間短。
綜上所述，草炭獨特的吸附特性能夠在較短時間內吸附大量氨氮，這有利于提高工藝進水力負荷、緩解填料層高度和工藝堵塞。
2.2 CHF工藝處理效果分析
圖5 草炭為填料的CHF工藝COD處理效果
該工藝對污染物的去除主要是由填料的吸附和微生物降解共同作用完成。系統運行的初期內部的微生物環境尚不成熟，廢水中的COD、氨氮、總氮主要是依靠草炭的高效吸附去除;如圖5所示，由于草炭高效吸附性能和陽離子交換量使進水初期氨氮基本被完全去除，出水氨氮濃度低于10mg/L;隨著吸附量逐漸達到飽和出水中各項水質指標短期內稍有回升;最終經過約2周的馴化系統內部生物環境達到穩定，馴化周期明顯短于一般的生物濾池處理工藝，當進水COD濃度為150-240mg/L時，COD的去除效率穩定在80%-85%之間，出水濃度約35-45mg/L;當進水COD提升至300mg/L時系統的COD去除效率基本不變，出水顏色呈淺黃色。
圖6 草炭為填料的CHF工藝氨氮處理效果
草炭具有良好的透氣性能【5】，當進水DO約為2ppm其出水上升至5-6ppm，為硝化細菌的增值提供了充足的氧氣;數據表明填料柱內實現了穩定高效的硝化反應。如圖6所示硝化，當進水氨氮負荷分別為150、200、300mg/L時，出水氨氮濃度均穩定在2mg/L以下，去除率接近100%。同時工藝采用間歇式進水為系統內部微生物自身代謝創造了條件，有效的防止了由于微生物過度繁殖造成填料柱堵塞，系統穩定運行后滲透系數未發生明顯變化格式范文。
圖7 草炭為填料的CHF工藝總氮處理效果
由于進水中溶解氧過高和碳源不足的限制導致系統內部反硝化細菌增殖受到制約，系統反硝化不充分導致總氮去除率較低，系統在第14天到第22天時控制進水總氮為200mg/L-230mg/L去除率約為15-20%;第23天時提升總氮至400mg/L左右時總氮去除率為50-55%，這是由于添加了碳源，進水取消曝氣并將COD提升至300mg/L，系統反硝化得到強化。
3、結論
(1)草炭獨特的物化性質適合作為CHF工藝處理高濃度氨氮廢水填料。主要表現為：較高氨氮吸附量約0.56mg/g，吸附平衡時間短約30min，pH在6-9范圍內吸附量歲堿性增大而增大，而此范圍內適合硝化細菌增殖。
(2)該工藝適合處理生化性較好的高濃度氨氮廢水。進水pH控制在8-9之間(過高會影響草炭的穩定性,導致出水色度增加)，當進水負荷為0.5m/d、溫度為20℃硝化，進水COD、氨氮、TN濃度分別為150-180mg/L、150-160mg/L、190-220mg/L時，采用間歇式進水(濕干比40min：140min)其出水較為清澈穩定后COD、氨氮、TN去除率分別為：85%-90%、約100%、15%-20%;當進水氨氮濃度提升至300mg/L，COD濃度提升至200-250mg/L時，COD、氨氮、TN去除率分別為：80%-85%、約100%、45%-50%，填料柱去除效果較穩定;出水顏色有淺黃色。
(3)該工藝抗堵塞且具備高效的硝化功能，但總氮的去除效果不明顯。研究表明，可通過出液回流，溶解氧以及添加碳源提升總氮的去除效率;也可以添加后續厭氧單元提升反硝化效果。
參考文獻：
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【4】崔理華，朱夕珍，駱世明等.煤渣—草炭基質垂直流人工濕地系統對城市污水的凈化效果[J].應用生態學報.2003，14(4)：597-600
【5】張建，黃霞，施漢昌等.摻加草炭的地下滲濾系統處理生活污水[J].中國給水排水，2004，20(6)：41-43
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