第24卷第1期2008年2月哈尔滨商业大学学报(自然科学版)Journal of Harbin U ni v ersity of Comm erce (Natural Sciences Edition)V o.l 24N o .1F eb .2008收稿日期:2007-06-13.基金项目:哈尔滨市科学研究基金支持项目(2004AFQG J 060)作者简介:袁建磊(1983-),男,硕士,研究方向:污水深度处理与回用1生物活性炭滤池中亚硝酸盐积累影响因素研究袁建磊1,张立秋1,肖 峰2,赵仁遵1,王 鹏1(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨150090;2.天津市供排水集团,天津300040)摘 要:研究了生物活性炭滤池中亚硝酸盐的生成规律,考察了p H 值、进水氨氮质量浓度和溶解氧对亚硝酸盐生成的影响.试验结果表明,p H 值大于7.6时亚硝酸盐沿水流方向呈逐渐增加的趋势,p H 值在8.0附近亚硝酸盐积累出现最大值;进水氨氮质量浓度超过3m g /L ,出水亚硝酸盐氮质量浓度增加值在0.2m g /L 以上,进水氨氮质量浓度为4m g /L 时,能明显观测到亚硝酸盐积累;气水同向流时,进水溶解氧越低,亚硝酸盐积累现象越明显;气水逆向流时,基本上不会发生亚硝酸盐积累.关键词:曝气生物滤池;亚硝酸盐积累;活性炭;影响因素;饮用水处理中图分类号:TU 991.2 文献标识码:A文章编号:1672-0946(2008)01-0040-03Study on influence factors of nitrite accu m ulation i nbiological activated carbon filterYUAN Ji a n -lei 1,Z HANG L-i qiu 1,XI AO Feng 2,Z HAO Ren -zun 1,WANG Peng1(1.Schoo l ofM un icipa l and Eng i neering ,H arbi n Institute o f T echno l ogy ,H arb i n 150090,China ;2.T i anji n W ater Supply G roup ,T i anji n 300040,Chi na)Abst ract :This paper focuses on n itrite accu m u lati o n i n b iolog ical activated carbon filter .Thei m pacts of p H value ,i n fl u entNH 4+)N concen trati o n and dissolved oxygen on n itrite accu -m ulati o n are i n vesti g ated in de tai.l The resu lts show that the concentration of n itrite i n creases along the w ater flo w w hen p H value is over 7.6and co m es to the m ax i m um p H value at 8.0;w hen the NH 4+)N concentra ti o n of infl u ent is over 3m g /L ,the increase o f effl u ent nitrite concentration ism ore t h an 0.2m g /L ,when the NH 4+)N concentrati o n o f infl u ent co m es to 4m g /L ,the pheno m ena of nitrite accum ulati o n could be obser ved obv i o usly ;i n a ir -w atercurrentm ode ,the nitrite accumu lation beco m esm ore obviousw hen the infl u ent disso lved ox -ygen of i n fl u ent decrease ,wh ile in air -w ater countercurrentm ode ,nitrite accum ulati o n hard -l y occurs .K ey w ords :b i o l o g ica l aerated filter ;nitrite accum ulati o n ;acti v ated carbon ;infl u encing fac -to rs ;dri n ki n g w ater treat m en t亚硝酸盐对人体具有潜在的致癌风险,是目前饮用水除污染关注的焦点[1].曝气生物滤池作为一种有效去除氨氮的技术措施,在受污染饮用水源水处理中受到了越来越多的重视.但是研究表明[2,3],曝气生物滤池处理过程中经常会出现亚硝酸盐积累问题.因此对曝气生物滤池中环境条件与操作条件变化对亚硝酸盐生成的影响规律进行研究是必要的.本文考察了生物活性炭滤池中pH 值、进水氨氮质量浓度和溶解氧质量浓度变化对亚硝酸盐生成的影响规律.1 试验材料与方法1.1 试验装置与材料试验装置如图1所示.生物活性炭滤池采用有机玻璃柱,内径6c m,柱高120c m.滤料装填高度60c m ,滤料下部为10c m 厚的卵石垫层.活性炭采用唐山建新活性炭厂生产的10@16目活性炭.进水采用下向流,通过转子流量计控制进水流量,反应器内有效水深100c m .曝气采用两种方式:一种为表面曝气,此时气水为同向流;另一种为底部曝气,此时气水为逆向流.1.2 试验原水水质及分析方法试验原水为人工配水,采用向生活污水中加自来水进行稀释的方法.生物污水取自哈尔滨工业大学二校区家属区,按照生活污水B 自来水=1B 10的比例稀释.试验过程中重点对p H 值、溶解氧、氨氮、亚硝酸盐等指标进行了分析,分析方法按照国家水质分析检测标准方法进行.试验原水的水质情况见表1.图1 试验装置示意图表1 配水水质一览表分析指标质量浓度/(m g #L -1)COD M n 1.5~6.0NH 4+)N1.0~5.5NO 2-)N 0~0.3NO 3-)N0.4~2.6DO 2.5-9浊度/ntu 0.4~6.0pH 值6.5~9.01.3 试验方案p H 值、进水氨氮质量浓度、溶解氧是影响亚硝酸盐生成的主要因素.针对这些因素对亚硝酸盐生成的影响进行了考察.首先,在保持相同的溶解氧和进水氨氮质量浓度条件下,调节不同的进水pH 值,测定亚硝酸盐氮质量浓度的沿水流方向变化值;其次,控制进水pH 值和溶解氧不变,加入氯化铵调节不同的进水氨氮质量浓度,测定不同进水氨氮质量浓度下亚硝酸盐氮质量浓度沿水流方向变化值;最后,控制进水p H 值和进水氨氮质量浓度不变,分别采用气水同向流和气水逆向流,并通过改变曝气量调节水中溶解氧质量浓度,考察在不同溶解氧条件下,亚硝酸盐氮质量浓度沿水流方向变化趋势.2 试验结果与讨论2.1 不同pH 值时亚硝酸盐积累特性不同pH 值下,生物活性炭滤池中不同滤层高度下亚硝酸盐质量浓度变化如图2所示.从图2可以看出,当pH 值小于7.6时,不同滤层高度下亚硝酸盐质量浓度没有明显变化;当p H 值超过7.6,能观察到亚硝酸盐沿着水流方向逐渐增加的趋势;pH 值等于8.0时,亚硝酸盐积累出现最大值,进一步增加p H 值,亚硝酸盐积累反而有下降的趋势.图2 BAC 柱不同进水pH 值时NO 2)N 的沿程变化规律p H 值可以改变水中游离氨质量浓度,随着pH 值提高,游离氨增加.游离氨对亚硝化菌和硝酸菌都有抑制作用,但硝酸菌更为敏感.S #V i-l laverde [4]等人试验证明了自由氨质量浓度在0.1~1.0m g /L 时,就会严重抑制硝酸菌的活性,从而使NO 3)N 氧化受阻,出现NO 2-)N 积累;只有当游离氨达到5m g /L 以上时才会对亚硝化菌的活性产生影响.从图2中可以看出,p H 值小于8时,随p H 值增加,相同滤层的亚硝酸盐氮含量有所增加,p H 值7.6以上均发现了亚硝酸盐积累,这与S #V illaver de 等人的研究结果是一致的.但是试验发现p H 值到8.7时,亚硝酸盐积累反而有下降的趋#41#第1期 袁建磊,等:生物活性炭滤池中亚硝酸盐积累影响因素研究势,这可能是因为在pH 值接近9时亚硝化菌的活性受到了影响,从而亚硝酸盐积累情况得到缓解.2.2 不同进水氨氮质量浓度下亚硝酸盐积累特性不同进水氨氮质量浓度下,生物活性炭滤池中不同滤层高度下亚硝酸盐质量浓度变化如图3所示.图3 BAC 柱不同进水氨氮质量浓度时NO -2)N 的沿程变化规律由图3可知,当进水氨氮质量浓度在2m g /L 以下时,亚硝酸盐增加趋势不明显,出水亚硝酸盐氮质量浓度增加值与进水相比通常小于0.1m g /L ;当进水氨氮质量浓度超过3m g /L ,亚硝酸盐氮质量浓度增加值在0.2m g /L 以上;氨氮质量浓度为4m g /L 时,能明显地观察到亚硝酸盐积累.进水氨氮质量浓度越高,亚硝酸盐积累现象越明显.硝化反应是个耗氧反应过程,当进水氨氮质量浓度较高时,水中的溶解氧主要被亚硝化菌消耗于氨氮的氧化,硝酸菌可利用的溶解氧较低,难以完成亚硝酸氮向硝酸盐氮的转化,因此出现亚硝酸盐积累现象.较高的氨氮质量浓度使得载体颗粒上生物膜内氧的传质速率及受氧量受到限制[5],这也抑制了硝酸菌的活性.张东[6]等人在进行微污染原水的生物接触氧化预处理研究时发现氨氮质量浓度低于2.5m g /L 时,亚硝酸盐氮的去除率在20%~50%,而当原水氨氮较高于2.5m g /L 时,亚硝酸盐氮反而会积累增多,这与本试验发现的进水氨氮质量浓度3m g /L 以上出现亚硝酸盐积累的结论基本一致.2.3 改变溶解氧时亚硝酸盐积累特性不同溶解氧时,生物活性炭滤池中不同滤层高度下亚硝酸盐质量浓度变化如图4所示.由图4可以看出,溶解氧是控制亚硝酸反应的一个关键因素.气水同向流时,进水溶解氧值越低,亚硝酸盐积累就越明显,进水溶解氧为5m g /L 时,出水亚硝酸盐增加值在0.4~0.8m g /L ,滤柱底部出水口溶解氧仅为0.5~0.8m g /L ;而进水溶解氧为8m g /L 时出水亚硝酸盐增加值仅有0.1~0.25mg /L ,滤柱底部出水口溶解氧为1.0~2.5m g /L .当气水逆向流时,基本上不会发生亚硝酸盐积累.相同曝气方式时,进水溶解氧越低,越易发生亚硝酸盐积累.CC :气水逆向流;S C:气水同向流图4 BAC 柱不同进水DO 值时NO 2)N的沿程变化规律生物活性炭滤池中的溶解氧是控制亚硝酸盐生成硝酸盐的一个重要因素.Garrido [5]等人发现溶解氧质量浓度在1~2m g /L 的时候亚硝酸盐积累达到最大值.P icioreanu [7]的研究也证明了生物膜中氧的渗透深度随着水中溶解氧的增加而增加,水中溶解氧越高能获得呼吸的生物数量就越多,因此氨氮的转化率就高.当水中溶解氧质量浓度在3m g /L 时,氧至少能渗透100L m 的生物膜以至于所有产生的亚硝酸盐能被代谢较慢的亚硝酸盐氧化细菌转化为硝酸盐氮[8].3 结 论1)当进水偏碱性时,游离氨增加,抑制硝化细菌生长,阻碍亚硝酸盐进一步氧化成硝酸盐.p H 值超过7.6,能观察到亚硝酸盐沿着水流方向逐渐增加的趋势,p H 值等于8.0时,亚硝酸盐积累出现最大值.2)氨氮质量浓度的增加导致硝酸菌硝化反应时供氧不足,出现亚硝酸盐的积累.当进水氨氮质量浓度超过3m g /L,出水亚硝酸盐氮质量浓度增加值在0.2m g /L 以上;氨氮质量浓度为4m g /L 时,能明显地观察到亚硝酸盐积累.3)气水同向流时,进水溶解氧越低,亚硝酸盐积累现象越明显;气水逆向流时,由于滤柱底部有充足的溶解氧,所以基本上不会发生亚硝酸盐积累.(下转第45页)#42#哈尔滨商业大学学报(自然科学版) 第24卷2001年)2003年高锰酸盐指数通量逐年升高,而这三年的高锰酸盐指数平均值是呈逐年降低的趋势,所以这几年中年通量有所增加主要是由于流量的增大引起的;这几年中高锰酸盐指数与流量呈负相关,说明单就高锰酸盐指数这一指标来说,污染来源是非点源污染占优.由原始数据分析可得出结论是高锰酸盐指数年通量的大小主要是由流量大小决定的.从表2中可以看出,污染物年通量值与流量变化趋势大体相同(2002年特殊,因为这一年氨氮的质量浓度平均值较高).河流流量受到地表径流等多种因素的影响,在通量的计算过程中我们发现,随着流量的增大,计算出的通量值也偏大.如果松花江流域主要以点源污染为主,那么河流中污染物总量将主要由点污染源的排放量决定,不会随着流量的增大而改变,所以初步分析的结果显示松花江沿江地区的非点源污染是造成河流中高锰酸盐指数和氨氮总量增加的重要原因.3结语通过对黑龙江水质相对较差的两段面比较结果来看,黑河江段的高锰酸盐指数较高,而同江江段的氨氮质量浓度较高,地表径流将大量的有机质带入界河黑龙江是河流中高锰酸盐指数超标的主要原因.2001年-2005年,松花江向界河黑龙江输入的高锰酸盐指数年通量在15~30万t/a之间,氨氮年通量在1~5万t/a之间.松花江年通量的大小主要是由流量决定的,这说明松花江沿江地区的非点源污染是造成河流中污染物总量增加的重要原因.面源污染控制远较点源污染困难,若未能及早预先防范污染扩大,未来将需要更多的经费来进行整治[7],因此加强对松花江流域面源污染的控制是降低其对黑龙江水质产生污染的重要措施.黑龙江是一条重要的国际河流[8,9],水质较好,受人类活动干扰较少,但随着经济的发展和老工业基地的振兴,其水环境正在或即将受到挑战.本文的主要结论是基于大量的监测数据和计算结果而得到的,由于研究流域范围较大,对污染源及污染范围的研究还有一定局限性.在切实加强流域的生态环境保护及水环境污染防治措施的同时,结合适当的方法(如G I S网络分析技术[10]等)追踪污染物来源和污染影响范围将在界河黑龙江水污染的控制和管理工作中起到非常重要的作用.参考文献:[1]郭锐,陈思宇,魏金城.中俄界河)))黑龙江水环境分析与评价[J].干旱环境监测,2005,19(3):139-141.[2]田坤,张广军,翟平阳.黑龙江流域黑河江段的水资源承载能力评价研究[J].西北林学院学报,2006,21(1):18-21.[3]李如忠.基于指标体系的区域水环境动态承载力评价研究[J].中国农村水利水电,2006(9):42-46.[4]GB3838-2002.地表水环境质量标准基本项目标准限值[S].[5]富国.河流污染物通量估算方法分析[J].环境科学研究,2003,16(1):1-4.[6]W EBB B W,PH I LLIPS J M,W ALLI NG D E,et a l.Load est-im ati on m ethod-ologies for B ritis h rivers and t heir rel evan ce,tothe Lo i sracs(r)P rogra mm e[J].The S ci ence of the Total Env-ironm en t,1997,194/195:379-389.[7]孙书存,包维楷.恢复生态学[M].北京:化学工业出版社,2005:286-292.[8]贾生元,戴艳文,阎万江.中俄界河黑龙江生态环境保护与可持续开发利用研究[J].水资源保护,2003,(3):56-58.[9]贾生元,张玉刚.中俄界河黑龙江开放开发利用现状及保护对策[J].内蒙古环境保护,2001,13(1):16-18.[10]彭盛华,赵俊琳,翁立达.GIS网络分析技术在河流水污染追踪中的应用[J].水科学进展,2002,13(4):461-466.(上接第42页)参考文献:[1]范彬,曲久辉,刘锁祥.饮用水中硝酸盐的脱除[J].环境污染治理技术与设备,2000,3(1):44-50.[2]于鑫,乔铁军,张晓健,等.饮用水生物滤池中亚硝酸盐氧化细菌的生长规律[J],应用与环境生物学报,2003,9(3):318~321.[3]V I LLAVERDE S,FDZ-POLANCO F,GARCI A P A.N itri-fyi ng b iofil m accli m ati 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