人工快渗系统去除废水中氮磷的研究

29二○一○年·第二期新技术应用人工快渗系统去除废水中氮磷的研究林贝贝（浙江省计量科学研究院 杭州 310013）摘 要 研究废水（取自猪场废水）中磷酸盐和氨氮的去除，采用钢渣除磷酸盐，NaCl改性沸石除氨氮，考察不同比例钢渣和沸石混合材料同时去除磷酸盐和氨氮的效果。结果表明：钢渣对猪场废水中磷酸盐去除效果明显，沸石对猪场废水中氨氮有很好的去除效果；混合材料中活化沸石和钢渣的比例为4∶1时，氨氮和磷酸盐的去除率分别为75.9%和89.7%。猪场废水进行两级处理后，便可达到磷酸盐和氨氮的排放标准。关键词 猪场废水磷酸盐氨氮钢渣沸石近年来，水体富营养化已成为举世关注的问题，某些工业废水和生活污水中的氮磷，是水体富营养化的主要根源之一。如何减少废水中的氮磷排放量，已成为水体保护的重要课题。猪场废水中氨氮的含量高，因此有必要研制开发低投资、低运行费用、高效的脱氮去磷新工艺，以实现废水综合循环使用，减少对饮用水源和农业生态的危害，从而使畜禽养殖业能逐步走上循环经济的发展道路。目前国内外常见的脱氮去磷方法有沉淀法、结晶法、生物除磷法和吸附、离子交换法[1,2]、吹脱法、混凝沉淀法、离子交换吸附法和生物法等[3,4]。其中吸附和离子交换法由于具有占地面积小、工艺简单、操作方便等优点而引起关注。吸附法因为高效、快速、无二次污染、易操作受到越来越多的关注。猪场废水主要包括猪粪尿和冲洗废水，属于高浓度有机废水。猪场排放废水中BOD5高达2000~8000mg/L，CODCr高达5000~20000mg/L，且SS浓度也超标数十倍。随着养殖场规模的扩大，饲养数量的增多，使大量的粪便污水相对集中，以致于无法在周围有限的土上消化完全，而成为污染源，对环境造成极大危害，其中含有较高浓度的中长碳链脂肪酸、油脂等，这类物质易包裹在填料外层阻碍氧的传质，使微生物降解过程紊乱，导致废水难以生化降解。如果这类物质未经处理直接进入江河湖海水体，则危害水体生态系统，严重污染周围环境。在废水排放系统中，中长碳链脂肪酸及油脂的积累还会导致排水管道的水力容量损失（或排水管道堵塞）。同时，大量粪便污水散发出高浓度的臭气，在有限的空间里一时难以消散，且粪污随雨水冲刷或直接渗透进入水体，通过水体携带造成的污染及散发出的臭气比猪粪便自然堆积污染面更大更广。猪场散发的恶臭有机物主要有：吲哚、粪臭素、对甲基苯酚、5-甲基苯、4-乙基苯酚、2-氨基苯乙酮等。这些恶臭的污染严重影响周围居民的生活质量，并造成空气中含氧量相对下降，破坏大气环境，使动物和人的免疫力下降，呼吸道疾病频发，影响畜禽产品质量。另外，养猪废水如果直接排入湖泊，废水中的有机物经微生物作用，进行厌氧分解，产生多种恶臭物质，导致其波及范围广，危害面积大，最终对人体和周边的生态环境带来一定的危害。因此，对猪场废水中蛋白质、COD、脂肪酸、挥发性及半挥发性有机物进行定量定性分析十分必要。近年来，钢渣的环保利用价值正日益受到重视，用钢渣处理废水的研究报道[5,6]越来越多。由于沸石的特殊结构，使其对废水中氨氮具有良好的吸附能力，用沸石吸附氨氮是一种很好的解决办法[4,7]。本文采用沸石、钢渣和红土混合材料作为渗滤介质，以经厌氧生物处理后的养猪废水为研究对象，模拟地下环境，在室内进行土柱试验，研究渗滤介质不同配比对人工快渗系统（CRI）去除污染物效果的影响，对进出水中氮磷和一些大分子有机物进行监测，研究实验室模拟人工快渗系统对污染物的去除效果，为CRI系统现场试验和实际工程的工艺提供依据。1 材料和方法1.1 实验材料与试剂1.1.1 实验材料本实验中所用钢渣、沸石（见表1，2）、红土为猪场附近采取的材料。本实验中所使用的沸石取自河南信阳斜发沸石，实验前用振动磨破碎。1.1.2 实验试剂与水样纳氏试剂；酒石酸钾钠溶液；钼酸盐溶液；10%抗坏血酸溶液；所用其它化学试剂均为分析纯。水为去离子水。现代仪器()二○一○年·第二期301.1.3 仪器数显水浴恒温振荡器（SHZ-82A）；722光栅分光光度计（上海精密科学仪器有限公司分析仪器总厂），760紫外可见分光光度计（上海精密科学仪器有限公司分析仪器总厂），蠕动泵。1.2 实验方法将沸石、钢渣和红土按比例4∶1∶15混匀，称取2kg装入有机玻璃柱（40mm×80cm）中（见图1）。采用间歇淹水1d、落干2d（湿干比为1∶2）的方式运行，每隔一定时间分别按照以下步骤中试验方法测定氨氮和磷的浓度。图1 实验装置图在具塞锥形玻璃瓶中加入50mL10.0mg/L氨氮模拟废水和一定量的沸石，置于振荡器上，以150r/min的速度振荡一定时间，过滤，分析溶液中氨氮的含量。氨氮的测定，采用纳氏试剂比色法（GB7479-87）[8]。移取适量水样于50mL比色管中，用水稀释至标线，加入1mL酒石酸钾钠溶液，混匀，加入1.5mL纳氏试剂，放置10min，用722光栅分光光度计于420nm处，用光程10mm比色皿，以水作参比，测定吸光度。在数个具塞锥形玻璃瓶中加入一定体积的含磷模拟废水和一定量的钢渣，置于振荡器上，以150r/min的速度振荡一定时间，过滤，分析滤液中磷的含量。磷的测定采用钼锑抗分光光度法（GB11893-89）[9]。在中性的条件下用过硫酸钾使试样消解，将所含磷氧化为正磷酸盐，在酸性介质下，正磷酸盐可与钼酸盐反应，与锑盐存在下生成磷钼杂多酸，立即被抗坏血酸还原生成蓝色络合物磷钼蓝。取适量水样于50mL具塞比色管中，用水稀释至标线，然后向比色管中加入1mL10%抗坏血酸溶液表1 钢渣的主要成分成分SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaONa2OK2OTiO2P2O5MnOH2O-烧失量含量（%）14.70.3819.638.050.800.0230.0281.082.021.290.140.18表2 沸石的主要成分成分SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaONa2OK2OTiO2P2O5MnOH2O-烧失量含量（%）66.5512.541.281.051.770.663.760.260.0450.035.0611.99混匀，30s后加入2mL钼酸盐溶液充分混匀，放置15min。用760紫外-可见光双光束分光光度计于700nm波长处，用光程20mm比色皿，以水作参比，测定其吸光度。2 结果与讨论2.1 不同材料配比对猪场废水去除效果的影响 将改性沸石和钢渣按不同比例混合，各称取5g不同配比的混合材料于锥形瓶中，加入猪场废水各50mL，置于恒温振荡器上，以150r/min速度振荡24h，过滤，测定清液中氨氮和磷酸根的含量。其中，猪场废水中氨氮的浓度为382mg/L，磷的浓度69.5mg/L。沸石和钢渣不同配比对猪场废水中氨氮和磷的去除效果（见表3）。表3 混合材料对猪场废水中氨氮和磷酸盐的去除效果沸石∶钢渣氨氮的浓度(mg/L)氨氮的去除率(%)磷酸盐的浓度(mg/L)磷酸盐的去除率(%)1∶418342.96.3690.92∶312053.67.1689.71∶110768.96.9090.13∶210171.47.3689.44∶192.175.97.1589.7由表3可知，活化沸石和钢渣混合比例对磷酸盐的去除效果影响不大，氨氮的去除率受活化沸石和钢渣混合比例的影响，氨氮的去除率随沸石所占比例增大而增大。当活化沸石和钢渣的比例为4∶1时，对猪场废水中氨氮的去除率为75.9%，去除氨氮效果最好，对磷酸盐的去除率为89.7%，除磷效果也较理想。因此实验中选用沸石和钢渣比例为4∶1为最佳。活化沸石不仅除氨氮效果好，对磷酸盐的去除也较理想，但其除磷效果不及钢渣；钢渣除磷效果十分理想，但对除氨氮的效果很差。综合考虑，当用活化沸石和钢渣混合材料去除猪场废水中氨氮和磷时，最佳比例为4∶1。2.2 室内小试实验为更好地验证混合材料对氮磷的去除效果，决定模拟实际工程进行人工快渗系统处理污水的室内小试实验研究，小试研究的目的是通过实验考察沸石和钢渣加入人工快渗系统对氮磷的实际去除效31二○一○年·第二期新技术应用果。按步骤1.2中试验方法，测定氨氮、磷酸盐的浓度。运行期间所得监测数据(见表4），去除率变化曲线（见图2）。表4 实验监测数据序号氨氮的测定磷酸盐的测定进水（mg/L）出水（mg/L）去除率（%）进水（mg/L）出水（mg/L）去除率（%）115838.375.813.41.8486.3213428.978.411.31.1090.2310218.382.19.300.75391.9415130.280.016.21.9488.0591.622.775.28.810.68792.2695.817.981.38.390.60592.8715027.981.411.51.2389.3894.118.180.78.970.7991.2913025.080.811.91.4388.01011722.980.310.21.2587.8平均值12225.079.611.01.1689.85060708090100024681012/%21图2 去除率变化曲线1.磷酸盐去除率变化曲线；2.氨氮去除率变化曲线由表4可以看出，氮和磷去除率基本稳定，其平均进水浓度分别为122mg/L和11.0mg/L，平均出水浓度为25.0mg/L和1.16mg/L，平均去除率为79.6%和89.8%，去除效果理想。3 结论钢渣对水样中的磷酸盐有很好的去除效果，对模拟废水中磷酸盐的去除率达到95%，对10倍猪场废水稀释液中磷酸盐的去除率达到89%，但对水中氨氮去除效果不佳。另外，钢渣的来源丰富，易于得到，可以充分发挥其作用。改性沸石对水样中氨氮有很好的去除效果，对模拟废水中氨氮的去除率达到90%，对10倍猪场废水稀释液中氨氮的去除率达到89%，对水样中的磷酸盐有较好的去除效果。在对猪场废水实际处理过程中，利用钢渣和沸石混合材料进行处理，可以同时有效地去除氨氮和磷酸盐。混合材料中活化沸石和钢渣的比例为4∶1时，氨氮和磷酸盐的去除率分别为75.9%和89.7%。猪场废水进行两级处理后，便可达到磷酸盐和氨氮的排放标准。参考文献1王莉红,兰尧中.钢渣处理含磷废水的初步试验研究[J],湿法冶金，2007,26(1):52~542邓雁希,许虹,黄玲等.钢渣对废水中磷的去除[J],金属矿山，2003,（5）:49~513熊小京,叶均磊,王新红等.天然沸石处理低浓度含氨废水的实验研究[J]，厦门大学学报（自然科学版），2006，45(6)：828~8314肖文胜,郭建林,赵旭德.生物沸石强化SBR工艺脱氮研究[J]，环境科学与技术,2007,30(8):17~215叶建锋,徐祖信,李怀正等.模拟钢渣垂直潜流人工湿地的除磷性能分析[J]，中国给水排水,2006,22(9):62~656谭洪新,周琪.湿地填料的磷吸附特性及潜流人工湿地除磷效果研究[J]，农业环境科学学报,2005,24(2):353~3567曾霞,成官文.沸石强化SBR生物脱氮的影响因素研究[J],环境科学与技术，2005,28(5):90~928GB7479-87水质铵的测定纳氏试剂比色法9GB11893-89水质总磷的测定钼酸铵分光光度法Removalofphosphateandammonianitrogenfromhogpenwastewaterbyconstructedrapidinfiltrationsystem(CRI)LinBeibei(ZhejiangProvinceInstituteofMetrology,Hangzhou310013)AbstractRemovalofphosphateandammonianitrogenfromhogpenwastewaterwasinvestigated.Phosphatewasremovedbysteelslag,andammonianitrogenwasremovedbyzeolite.Theremovaleffectofphosphateandammonianitr