催化氧化除铁锰氨氮滤池快速启动的影响因素

中国环境科学2017,37(3)：1003~1008ChinaEnvironmentalScience催化氧化除铁锰氨氮滤池快速启动的影响因素武俊槟,黄廷林*,程亚,刘杰(西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西西安710055)摘要：为探究催化氧化同步去除铁锰氨氮滤池快速启动的影响条件,在不同进水条件下,对挂膜启动阶段滤池去除铁锰氨氮的效果进行了研究.结果表明,化学氧化法挂膜能有效缩短接触氧化滤池的启动时间,28d左右实现同步除铁锰氨氮工艺的快速启动和稳定运行;在挂膜启动阶段,适当增加铁浓度有助于缩短滤料成熟周期,进水氨氮浓度的改变对滤料成熟周期基本无影响;在进水氨氮、锰和铁浓度分别为1.5,2,1mg/L,滤速为4m/h的试验条件下,滤柱可较快的具备除高铁、高锰和高氨氮的能力.本实验条件下滤柱同步除氨氮和锰的浓度上限分别为2.1,2.7mg/L,满足了多数污染地下水的处理需求.关键词：接触氧化；快速启动；地下水；同步除铁锰氨氮；滤柱中图分类号：X523文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)03-1003-06Explorationofthefactorsfortherapidstart-upofthechemicalcatalyticoxidationfiltersforthesimultaneousremovalofiron,manganeseandammonia.WUJun-bing,HUANGTing-lin*,CHENGYa,LIUJie(SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(3)：1003~1008Abstract：Toexplorethefactorsaffectingtherapidstart-upofchemicalcatalyticoxidationfilter,threeidenticalpilot-scalefilterswereemployedtooptimizethestart-upprocessforsimultaneousremovalofiron(Fe),manganese(Mn),andammoniafromgroundwateratvariousinfluentconditions.Theresultsshowedthatchemicaloxidationmethodcouldacceleratethestart-upoffilter.After28days’operation,thesimultaneousremovalofiron,manganese,andammoniacouldbeachieved.Agooddoseironwasbeneficialtoshortenthestart-upperiodofthefilter.Variousinfluentammoniaconcentrationsseemedtohavenoeffectonthestart-upofthefilter.Whentheinfluentammonia,Fe,Mnconcentrationwas1.5mg/L,2.0mg/Land1mg/L,respectivelyandtheflowratewas4m/h,ithaddemonstratedtobeafeasibleandquickstart-upmethod.Themaximuminfluentconcentrationofammoniaandmanganesecouldreachupto2.1mg/Land2.7mg/L,respectively,whichcouldmeettherequirementfortreatingthepollutedgroundwater.Keywords：catalyticoxidation；rapidstart-up；groundwater；ammonia；ironandmanganeseremoval；filter近年来,地下水氨氮、锰和铁共存且超标引发了严重的水质安全问题[1-3].高浓度的氨氮在饮用水消毒过程中会导致氧化剂用量增加并产生令人厌恶的嗅和味[4],而长期摄入过量的铁、锰离子也可能会导致神经系统的缺陷,对人体的身心健康产生危害[5].因此,我国饮用水水质标准[6]规定,饮用水中氨氮、锰和铁的最高浓度分别不超过0.5,0.1,0.3mg/L.国内外对于同步去除地下水中氨氮、锰和铁的研究很多[1,7-11],其中,生物滤池应用较为广泛,但是生物滤池系统在应用中存在启动时间长、低温环境不利于滤池启动等问题[7,12-13].催化氧化同步除铁锰氨氮滤池是一种高效短流程新工艺,具有高效、经济和恶劣环境下适用性强等特点[14-17].但是,对于化学氧化挂膜的适宜条件和滤池成熟期影响因素尚不清楚.因此,本试验考察了不同化学氧化挂膜条件对滤池成熟周期以及后期持续运行效果的影响,探究了催化氧化滤池快速启动的条件,旨在缩短催化氧化同步除铁锰氨氮滤池成熟周期和提高成熟滤料稳定去除污染物的能力.收稿日期：2016-07-06基金项目：国家重点研发计划课题(2016YFC0400706);国家自然科学基金资助项目(51278409,51308438);陕西省自然科学基础研究计划(2014JZ015);中建股份科技研发课题(CSCEC-2014-Z-32)*责任作者,教授,[e-mail]1004中国环境科学37卷1材料与方法1.1试验装置实验地点为西安市西北郊某地下水水源井现场.试验装置为3个相同的有机玻璃滤柱,内径为300mm,总高度为3900mm.滤柱从上到下依次为水头变化区、滤层、承托层、配水配气室.其中配水配气室高度为300mm,承托层由卵石构成,厚度为300mm,粒径为8~15mm.沿滤层高度方向设置有8个取样口.滤柱中填充洗净的石英砂滤料,d80=1.41mm,d10=0.76mm,不均匀系数K80=1.85,滤料的填充高度为1200mm,单个滤柱试验系统如图1所示.管式反应器静态混合器加药泵加药桶取样口出水溢流口地下水增压泵液体流量计气体流量计出水空气图1中试过滤工艺流程Fig.1Thediagramoffiltersystem1.2实验水质表1试验原水水质Table1Waterqualityofrawgroundwater指标数值T()℃15~22pH值7.0~8.0溶解氧(mg/L)2.0~4.0氨氮(mg/L)0~0.2硝氮(mg/L)0.00~0.40亚硝氮(mg/L)0~0.003总铁(mg/L)0~0.131锰(mg/L)0~0.076实验所用配水由地下水水源井提供,其水质参数如表1所示.配制一定浓度的氯化铵、氯化亚铁、氯化锰溶液和高锰酸钾溶液,经加药泵与原水混合后流经静态混合器和管式反应器(使混合液充分反应)后进入滤柱.1.3实验方法将洗净的石英砂填入滤柱,滤柱滤速为4m/h,配制不同浓度的氯化铵、氯化亚铁、氯化锰溶液与高锰酸钾溶液充分混合反应(管式反应器停留时间为6min),高锰酸钾投加量按铁锰完全氧化需求量的90%计算.Fe2+、Mn2+被高锰酸钾氧化生成的铁锰氧化物被截留在石英砂的表面并逐渐形成一层具有催化氧化Fe2+、Mn2+及NH4+-N作用的铁锰氧化物膜.滤柱开始溢流时进行反冲洗,反冲洗水冲强度为3.5~4L/(s·m2),时间为6min.滤柱每连续运行24h后进行取样,挂膜期间每日检测进出水氨氮、亚硝氮、硝氮、溶解氧和pH值等.化学氧化法挂膜一定时间后停止投加高锰酸钾溶液,探究挂膜后滤柱去除污染物能力及去除规律.1.4分析项目及方法试验中检测方法均采用标准方法.氨氮:钠氏试剂分光光度法;亚硝氮:N-(1-萘基)-乙二胺光度法;硝氮:紫外分光光度法;锰:高碘酸钾氧化光度法;总铁:邻菲啰啉分光光度法;溶解氧、pH值、水温:HACH便携式水质分析(HACHHQ30d).2结果与讨论2.1铁浓度对滤料成熟的影响实验过程中3组相同滤柱系统的进水氨氮与锰的浓度均分别为1.5,2mg/L,投加铁浓度分别为0,0.5,1mg/L(R1、R2和R3).由图2可知,在挂膜阶段的最初2d,3组滤柱系统的进出水氨氮浓度基本保持不变,这表明初始石英砂滤料对氨氮的吸附能力可以忽略.从挂膜的第3d开始,氨氮去除量开始逐渐增加,R1和R2滤柱在8~12d氨氮去除率变化缓慢,当进水氨氮浓度为1.5mg/L时,3滤柱R1、R2和R3的出水氨氮浓度均分别于第9,6,4d达到我国饮用水水质标准限值,并且随着挂膜的进行3组滤柱系统分别于第15,13,7d进水氨氮全部得到去除.在滤柱启动的最初10d,3组滤柱系统对氨氮去除迅速增加的同时有亚硝氮积累现象,并且亚3期武俊槟等：催化氧化除铁锰氨氮滤池快速启动的影响因素1005硝氮的积累时间与亚硝氮的积累峰值呈负相关.亚硝氮积累时间最短的R3滤柱,亚硝氮的积累峰值为0.8mg/L,其次为R2滤柱,峰值为0.48mg/L,R1积累时间最长,其峰值为0.24mg/L.0.00.51.01.52.00.00.51.01.52.00369121518212427300.00.51.01.52.04d6dR19dR2氮浓度(mg/L)挂膜时间(d)R3图2挂膜过程中氮浓度变化规律Fig.2Variationofnitrogenconcentrationduringthestart-upperiod进水氨氮出水氨氮出水亚硝氮出水硝氮蔡言安等[9]认为,亚硝酸盐的积累可能是由于进水DO的限制,本实验中3组滤柱系统进水DO均满足去除氨氮需氧量,亚硝氮积累可能是由于挂膜初期氨氮充分氧化能力不足造成的.随着挂膜时间的增加,截留在石英砂的表面的铁锰氧化物逐渐增加,反冲洗周期由4d缩减至2d,频繁的反冲洗可能是出水氨氮后期波动的主要原因.为了考察挂膜过程中铁和锰去除能力的变化,于第8,18,28d停止投加高锰酸钾,投加一定浓度的氨氮铁锰,稳定运行24h后测量各项水质指标,由图3可知,锰的去除量随着挂膜时间的增加而增加,R1、R2和R3滤柱系统在第8d锰去除量基本一致,但随着滤料表面活性滤膜的增长,第18d、第28d锰去除量不断增加,其中R3滤柱系统的锰去除能力较R1和R2的锰去除能力大.然而第8d随着过滤的进行,在运行时间达到72h时3个滤柱的除锰能力都急剧下降,其中R1滤柱最为明显,0~40cm段滤层几乎对锰没有去除效果,而第18d和第28d滤柱除锰能力72h内没有下降.这是由于随着挂膜的进行,滤料表面逐渐形成具有催化氧化Mn2+的活性滤膜,Mn2+首先被吸附到活性滤膜的表面,然后在活性滤膜的自催化作用下被溶解氧氧化[18],挂膜第8d,滤料表面附着的活性滤膜较少,系统以吸附除锰为主,且很快饱和,除锰能力下降.随着挂膜的进行,滤料表面附着的活性滤膜逐渐增多,接触氧化除锰能力的增加速率超过吸附除锰能力的衰减速率,滤层接触氧化除锰能力逐渐增强,第28d后,对R1、R2和R3滤柱系统进行了为期1个月的实验,3个系统的除锰能力均很稳定.R1R2R30.00.40.81.21.62.0锰去除量(mg/L)滤柱系统8d18d28d图3锰去除量变化规律Fig.3Removalofmanganeseduringthestart-upperiodR2滤柱挂膜第8d稳定运行24h后测量沿程总铁,进水总铁浓度为0.5mg/L时,0~10cm段滤层可去除达标,0~40cm全部去除.而在第18d进水总铁浓度为1mg/L时,0~20cm段滤层可全部去除.可见,随着挂膜的进行,系统催化氧化除铁的能力逐渐增强,3个系统的除铁能力均很稳定.2.2氨氮浓度对滤料成熟的影响为了探究氨氮浓度对滤料成熟周期的影响,实验采取了与上述实验完全相同