摘要：针对低温原水除氨氮的难题，本工程采用了上向流复合滤料生物滤池代替常规生物滤池。运行结果表明，该型生物滤池在低温时期仍具有非常强的缓冲性能和抗冲击反应能力，滤池出水中氨氮浓度低且水质稳定。
关键词：上向流复合滤料生物滤池；氨氮；亚硝态氮；低温；工程应用
1、引言
饮用水生物法除氨氮工艺通常会受到温度、水质等因素的影响，Hagopian等人[1-4]研究认为，低温时期微生物因细胞膜僵硬从而无法吸收利用过多的营养物，导致其活性变差，生物除氨氮的效能受限。因此，生物法净水技术的应用会受到温度变化等环境因素的影响，尤其是我国北方地区富营养化地区的冬季，常常遇到氨氮等无法达标的难题。
因而，低温条件下除氨氮的问题广受关注。我国北方广大地区冬季原水具有温度极低、氨氮等污染浓度不稳定的问题，给水厂工艺升级改造提出了更高的要求。水厂旧工艺中的砂滤或常规生物滤池中生物脱氮速率变低，无法应对原水氨氮等污染物浓度巨大波动的问题[5]。为解决上述问题，本工程采用了复合滤料生物滤池[6]，为研究该型生物滤池对氨氮污染的净化效果，本文重点考察了某一原水氨氮浓度规律性升高周期内氨氮转化为亚硝态氮的能力。
2、材料与方法
2.1生物滤池的设计
本研究中上向流复合滤料生物滤池选用改性沸石与颗粒活性炭相结合，其中炭层厚度为1.8m，沸石层厚度为0.6m。
2.2水样采集及分析方法
实验期间原水水温为3.1℃～4.6℃，pH值介于7.1~7.5，生物滤池各亚硝态氮浓度见图1，生物滤池进运行负荷为10.8m/h ，停留时间为13min。沿滤池底部向上依次设置11个取样点，取样检测时间段为每日05:00至23:00，采样间隔为2h，按水力停留时间差值顺序依次取完水样，每日10组。
亚硝态氮采用国标检测方法进行测定；溶解氧则按照滴定法进行测定。
3、结果与讨论
3.1上向流复合滤料生物滤池对亚硝态氮的控制效能
图1是某一周期内该型生物滤池各滤层高度处亚硝态氮浓度的周期性变化规律。从图中可以看出，上向流复合滤料生物滤池内沸石填料层内亚硝态氮浓度随着进水氨氮浓度的提高也逐步积累，说明经过此时的沸石填料已经同活性炭填料同时成功挂膜，变成了生物滤料，生物的亚硝化作用已经成为沸石层对氨氮去除的重要组成部分，此时的沸石不仅具有原来的吸附法除氨氮的作用，同时具有生物法，实现了理化法除氨氮与生物法的有机结合。
图1 该型生物滤池内不同滤层高度处亚硝态氮浓度的周期性变化规律
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图2 本次污染周期稳定期该型生物滤池内亚硝态氮累积去除率沿滤层的变化规律
图2是某一氨氮污染周期内稳定期该型生物滤池内亚硝态氮累积去除率沿滤层的变化规律，由于稳定期该型生物滤池进水中氨氮浓度稳定，一般都介于1.0~1.5mg/L，变化阈值较小，此时生物沸石层和中下层生物活性炭层内均有少量的亚硝态氮积累（见图1），说明在生物沸石层和中下层生物活性炭层内氨氧化作用强于相对于亚硝态氮氧化作用，从而导致亚硝态氮在该滤层内积累。
从图2可以看出，沸石底层至0.90m处生物活性炭层亚硝态氮累积去除率的斜率最大，说明亚硝态氮的积累速率最高，而随着滤层升高，积累速率减慢，至0.90 m处亚硝态氮的积累速率为0，再往上滤池内亚硝态氮的积累作用逐渐缓解，说明亚硝酸盐已经在逐渐转化为硝酸盐，在1.80 m处已基本无亚硝态氮的积累，此时亚硝态氮的累积去除率逐渐转变为正值。说明该型生物滤池中上层能对亚硝态氮进行有效的控制。
图3是本次污染周期氨氮浓度缓慢上升期该型生物滤池内亚硝态氮累积去除率沿滤层的变化规律。从前几组数据可以看出，虽然随着时间变化进水中亚硝态氮浓度也大幅提高（见图1），但同时间段内亚硝态氮在生物滤池中下层的积累作用仍然比较明显。随着进水氨氮浓度的进一步提高，滤池中下层生物滤料中亚硝态氮的积累作用也在逐渐加强，至0.7m左右处滤层对亚硝态氮的去除能力最差，积累速率最快。说明此时生物滤池内沸石层至0.7m区域内的氨氧化细菌的活性随滤层向上逐渐加强，而亚硝态氮氧化细菌的活性相对较差，从而导致亚硝态氮的积累速率随滤层向上逐渐加强；而0.9m处二者基本达到了一种平衡，在该生物滤池0.9m以上区域至1.3m内亚硝态氮的去除效果加强，积累作用减弱，亚硝态盐在该型生物滤池的上层滤料中得到有效去除。
通过对滤池清水区溶解氧进行检测发现其浓度为0.11-1.23 mg/L，其中缓慢上升期至氨氮浓度迅速下降期该型生物滤池上部清水区平均溶解氧浓度为0.18 mg/L。因此，溶解氧不足也是重污染时期影响该型生物滤池高效去除氨氮的重要因素之一。
图3 本次污染周期氨氮浓度缓慢上升期该型生物滤池内亚硝态氮累积去除率沿滤层的变化规律
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图4是本次污染周期迅速上升期该型生物滤池内亚硝态氮累积去除率沿滤层的变化规律。由于进水中亚硝酸盐浓度继续上升，亚硝酸盐浓度的基数变大，所以亚硝态氮的累积去除率的增加并不十分明显。但从图中可以看出，中下层滤料中亚硝态氮的积累速率的增加信平稳上升，在0.7m左右处积累作用速率最大，之后随着滤层的上升而积累速率减少，在0.8 m左右处滤料层对亚硝态氮的累积速率与去除速率基本相当，而0.8 m以上区域随着滤层向上，亚硝态氮的积累作用减小，至滤层以上的清水区，亚硝态氮的浓度基本为零，说明此时亚硝态氮得到了有效的去除，滤池去除效能较稳定期均得到一定程度的增强，这说明该型滤池能够对进水氨氮和亚硝态氮浓度的迅速提升具有很强的反应能力，能够快速应对原水污染物的突增。
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图4 本次污染周期迅速上升期该型生物滤池内亚硝态氮累积去除率沿滤层的变化规律
图5是本次氨氮污染周期峰后该型生物滤池内亚硝态氮累积去除率沿滤层的变化规律。可以看出，0.70 m以下生物滤层内对亚硝态氮的综合去除量基本接近于0。0.90 m左右处亚硝态氮去除曲线的斜率最小，此时累积作用最强，亚硝态氮产量最高，约为0.05 mg/L左右，导致亚硝态氮的大量积累。而滤池在1.08 m左右处亚硝态氮的产量接近于0，生物滤池内各个滤层亚硝态氮的积累现象也明显进一步得到缓解，这可能是由于亚硝态氮氧化细菌的活性的提升，加大了亚硝态氮的去除。也可能是该型生物滤池在低温贫营养环境下可能存在短程硝化-反硝化作用。
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图5 本次污染峰后该型生物滤池内亚硝态氮累积去除率沿滤层的变化规律
4、结论
（1）低温重污染时期，该型生物滤池对氨氮去除有较好的缓冲性能和稳定性。
（2）该型生物滤池对进水氨氮浓度变化有较强的适应性和快速反应能力。
参考文献：
[1]Andersson A., Laurent P., Kihn A., Prévost M. and Servais P., Impact of temperature on nitrification in biological activated carbon (BAC) filters used for drinking water treatment [J].Water Research, 2001, 35(12): 2923-2934.
[2]HagopianD.S.and Riley J.G., A close look at the bacteriology of nitrification [J].Aquanclt.Eng.,1998, 18(4): 223-224.
[3]桑军强,王占生. 低温条件下生物陶粒反应器运行特性研究[J].环境科学, 2003, 24(2): 112-115.
[4]谢曙光,张晓健, 王占生. 极低温度下两级曝气生物滤池的运行特性[J].中国给水排水, 2002, 18(7): 17-19.
[5]刘建广,张晓健, 王占生. 生物活性炭滤池处理高氨氮原水[J]. 中国给水排水, 2003, 19(12): 61-64.
[6]杨家轩,马军,时玉龙, 等.气浮/复合滤料生物滤池工艺处理低温、高氨氮原水[J]. 中国给水排水,2013,29(21): 5-10.
作者简介：耿晨晨（1985- ），女，湖北武汉人，硕士，工程师，给排水专业负责人，主要从事给水处理技术研究、轻工业废水处理技术研究及给排水工艺设计。