草炭为填料的CHF工艺处理高浓度氨氮废水
导读:：采用草炭作为CHF工艺填料，研究了草炭的理化特性及其处理高浓度氨氮废水效果。试验表明，草炭独特的理化性质(较大的氨氮吸附量、阳离子交换量和质软便于循环)适合作为CHF工艺填料;当控制水力负荷为0.5m/d、温度20℃、湿干比40min：140min时，该工艺对COD、氨氮、总氮的去除效果依次达到80%-85%、约100%、50-55%，系统内实现了高效硝化，但总氮的去除效果不佳。
关键词：草炭，氨氮，CHF工艺，硝化
腐殖质滤池(Humus Filter，HF)是利用垃圾填埋场中筛选出的腐殖垃圾作为填料，构筑形式与生物滤池类似的一种新型惰性填料生物反应器。HF工艺由于其优越的污水净化效率和废物资源化的理念，现已被广泛推广，主要应用领域：生活污水和家禽厂污水的处理。但是HF工艺和其他滴滤池一样有堵塞和污染物负荷较低的缺陷【1-2】。循环腐殖质滤池(Circulating Humus Filter， CHF)：通过腐殖填料循环提高处理效能，解决填料堵塞问题的腐殖填料滤池技术。立足CHF工艺特点硝化，通过采用草炭为填料调节工艺运行参数和方式分析了其处理高浓度氨氮废水的效果，为CHF工艺应用于高浓度氨氮废水提供了依据。
1、实验材料、装置与方法
实验选用草炭为填料范文。草炭具有较高的氨氮吸附量【3】和较高的阳离子交换量CEC约为126.4cmol/kg，轻质纤维状具有良好的透气功能且水力负荷较一般滴滤池高【4】。高氨氮污水选用生活污水、葡萄糖和氯化铵配制。
图1 草炭处理高浓度氨氮废水装置图
实验装置见图一。填料柱为3个DN100高1m的PVC管。草炭装填高度90cm，柱底装填5cm的碎石承托层;实验时将3根填料柱交替串联使用其中两根，另一根闲置，闲置周期为3天。采用蠕动泵间歇自上而下进水湿干比为40min：140min，水力负荷0.5m/d，进水适当曝气控制进水溶解氧大于2ppm。研究内容包括草炭的物化性质和工艺不同污染物负荷处理效果及其稳定性。主要水质分析项目COD、氨氮、总氮，分别采用重铬酸钾法、水杨酸-次氯酸盐分光光度法、碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法。
2、结果与讨论
2.1草炭吸附特性研究
2.1.1 pH对其吸附性能影响
配置50mg/l的NH4+溶液，分别取4份75ml该溶液于4个100ml锥形瓶中，并且用稀NaOH溶液调节PH至6、7、8、9，各加入2.00mg经65℃干燥的草炭。置于摇床中调节温度25℃，转速120r/min，时间为24h。待吸附平衡后测定吸附后溶液的NH4+浓度。
图2 pH对草炭吸附氨氮的影响
实验表明：在一定范围内硝化，随着溶液pH增大草炭对于氨氮的吸附呈增大趋势，同时偏碱性环境有利于硝化细菌的增值促进硝化反应的顺利进行。
2.1.2静态吸附等温线实验
分别称取5份草炭(2.00mg)分别置于100的锥形瓶中，加入浓度分别为10、25、50、100、200mg/l NH4+溶液，控制温度为25℃，在恒温振荡器中以120r/min的转速震荡24h，使吸附达到平衡。测定平衡后吸收液中的NH4+浓度。
图3 草炭静态吸附动力学实验
实验表明：随着氨氮浓度的增大，草炭的吸附量逐渐增大，且在低于100mg/L时草炭吸附量增加明显，高于100mg/L时吸附量基本维持在0.6mg/g，这表明草炭能更高效的吸附氨氮浓度较高的废水。
2.1.3静态吸附动力学实验
将2.00g草炭加入到初始浓度为50mg/L的NH4+溶液中，控制温度为25℃，振荡器以120r/min不停震荡。每隔一段时间(5min、7min、10min、20min、25min、0.5h、40min、1h、2h……)取样分析其浓度变化，吸附平衡为止，作出吸附时间与吸附量的关系曲线。
图4 草炭吸附氨氮平衡实验
图4表明草炭具有高效的氨氮吸附能力硝化，仅30min左右草炭对50mg/L的NH4+溶液吸附达到平衡，平衡时间短。
综上所述，草炭独特的吸附特性能够在较短时间内吸附大量氨氮，这有利于提高工艺进水力负荷、缓解填料层高度和工艺堵塞。
2.2 CHF工艺处理效果分析
图5 草炭为填料的CHF工艺COD处理效果
该工艺对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。系统运行的初期内部的微生物环境尚不成熟，废水中的COD、氨氮、总氮主要是依靠草炭的高效吸附去除;如图5所示，由于草炭高效吸附性能和阳离子交换量使进水初期氨氮基本被完全去除，出水氨氮浓度低于10mg/L;随着吸附量逐渐达到饱和出水中各项水质指标短期内稍有回升;最终经过约2周的驯化系统内部生物环境达到稳定，驯化周期明显短于一般的生物滤池处理工艺，当进水COD浓度为150-240mg/L时，COD的去除效率稳定在80%-85%之间，出水浓度约35-45mg/L;当进水COD提升至300mg/L时系统的COD去除效率基本不变，出水颜色呈浅黄色。
图6 草炭为填料的CHF工艺氨氮处理效果
草炭具有良好的透气性能【5】，当进水DO约为2ppm其出水上升至5-6ppm，为硝化细菌的增值提供了充足的氧气;数据表明填料柱内实现了稳定高效的硝化反应。如图6所示硝化，当进水氨氮负荷分别为150、200、300mg/L时，出水氨氮浓度均稳定在2mg/L以下，去除率接近100%。同时工艺采用间歇式进水为系统内部微生物自身代谢创造了条件，有效的防止了由于微生物过度繁殖造成填料柱堵塞，系统稳定运行后渗透系数未发生明显变化格式范文。
图7 草炭为填料的CHF工艺总氮处理效果
由于进水中溶解氧过高和碳源不足的限制导致系统内部反硝化细菌增殖受到制约，系统反硝化不充分导致总氮去除率较低，系统在第14天到第22天时控制进水总氮为200mg/L-230mg/L去除率约为15-20%;第23天时提升总氮至400mg/L左右时总氮去除率为50-55%，这是由于添加了碳源，进水取消曝气并将COD提升至300mg/L，系统反硝化得到强化。
3、结论
(1)草炭独特的物化性质适合作为CHF工艺处理高浓度氨氮废水填料。主要表现为：较高氨氮吸附量约0.56mg/g，吸附平衡时间短约30min，pH在6-9范围内吸附量岁碱性增大而增大，而此范围内适合硝化细菌增殖。
(2)该工艺适合处理生化性较好的高浓度氨氮废水。进水pH控制在8-9之间(过高会影响草炭的稳定性,导致出水色度增加)，当进水负荷为0.5m/d、温度为20℃硝化，进水COD、氨氮、TN浓度分别为150-180mg/L、150-160mg/L、190-220mg/L时，采用间歇式进水(湿干比40min：140min)其出水较为清澈稳定后COD、氨氮、TN去除率分别为：85%-90%、约100%、15%-20%;当进水氨氮浓度提升至300mg/L，COD浓度提升至200-250mg/L时，COD、氨氮、TN去除率分别为：80%-85%、约100%、45%-50%，填料柱去除效果较稳定;出水颜色有浅黄色。
(3)该工艺抗堵塞且具备高效的硝化功能，但总氮的去除效果不明显。研究表明，可通过出液回流，溶解氧以及添加碳源提升总氮的去除效率;也可以添加后续厌氧单元提升反硝化效果。
参考文献：
【1】夏金雨，吴军，曹丽华等.填料在净化污水过程中渗透性能变化趋势的研究[J].环境污染与防治，2009，31(2)：34-37
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【3】秦玲，康文怀，李嘉瑞等.草炭及其改良土壤对氮、磷、钾的吸附特性[J].中国林业科技大学学报，2009，29(1)：20-24
【4】崔理华，朱夕珍，骆世明等.煤渣—草炭基质垂直流人工湿地系统对城市污水的净化效果[J].应用生态学报.2003，14(4)：597-600
【5】张建，黄霞，施汉昌等.掺加草炭的地下渗滤系统处理生活污水[J].中国给水排水，2004，20(6)：41-43
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