自來水廠氨氮的活性炭深度處理
飲用水中過量的氨氮不僅會產生難聞的氣味還會對人體產生毒害，并且在一定條件下還會轉化為對人體毒性更大的亞硝酸鹽。通常水廠的常規處理對突發性高濃度氨氮的出現幾乎無能為力。 因此,研究有效控制水廠出水中氨氮的濃度的工藝有著重要的意義。
佛山水業集團公司在2007年新建一座供水能力為 30 萬 m3/d 的水廠，凈水工藝為 “ 常規處理+ 深度處理”，期望出廠水質達到歐美發達地區的水質標準。作者利用從沙口水廠吸水口吸取的北江水作為深度處理實驗的原水，考察了兩種活性炭對水中高、 低濃度氨氮的去除效果，以期能為水廠進行活性炭深度處理提供參考和依據。
1 試驗部分
1.1 原 水
原水取自北江水，原水水質如表1所示。由表1可知,本次實驗所取的水源水質較好,接近于地表水環境質量標準Ⅱ類。但在2004年3月和4月，該水源出現了氨氮濃度突升的情況，分別達到了0.94mg/L 和 1.32mg/L, 導致水廠出水氨氮分別為0.6mg/L和0.98mg/L，超出了飲用水標準。因此采取有效措施應對水中氨氮濃度突升是非常必要的。
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1.2 試驗工藝流程
工藝流程如圖1 所示。在相同條件下運行 “常規處理+GAC”和 “ 常規處理 +O3-BAC”兩種工藝，比較兩者對氨氮的去除效果。
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1.3 實驗裝置
中試裝置包括預處理、常規處理和深度處理三部分。深度處理工藝總進水量為5m3/h， GAC 和BAC工藝各占2.5m3/h。其中預加氯采用水射器投加；GAC和BAC 炭濾池規格相同，池高為4.2m，平面尺寸為 510mm×510mm，采用ZJ-15型柱狀炭，碘值大于900mg/g，亞甲藍值大于150 mg/g，直徑1.5mm，炭層厚2m；后臭氧接觸塔總容積為0.42m3，設置2 級 接觸，第一柱容積 0.097m3，直徑Φ150mm，塔高6m，有效水深5.5m，第二柱容積0.35m3
，直Φ300mm，塔5.5m，有效水深5.0m，兩級接觸塔均采用微孔曝氣的方式投加臭氧，臭氧與水在塔內逆流接觸，臭氧采用德國WEDECO牌GSO20型臭氧發生器現場制備，以氧氣為氣源，自來水為冷卻介質。
2 結果與討論
2.1 “ 常規處理+ GAC”工藝對氨氮的去除
圖 2 為常規處理和 GAC 處理對氨氮的去除效果。由此可見，進水氨氮濃度較低時，氨氮的去除效果不明顯，隨著進水氨氮濃度增加，氨氮的去除率呈上升趨勢，說明活性炭對水中污染物的吸附一般符合 Freundrich 吸附等溫線， 即
q=KC／n
式中， q 為單位質量的活性炭吸附量； K， n 為常數， C 為吸附質的平衡濃度， 其對數形式為
lgq=lgK+ lgC／n
在氨氮的吸附等溫線中， 1/n 較大，所以濃度高時活性炭對氨氮的吸附作用明顯，去除率高，反之，氨氮濃度低時，去除率就低。
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此外， 還研究了GAC 出水濁度和對CODMn 的去除率，結果出水濁度0.23NTU， CODMn 平均去除率為65%。同時研究還發現三氯甲烷出水濃度高于進水。對于活性炭， 三氯甲烷屬于弱吸附質,它們之間的吸附力較弱，屬于物理吸附，易于發生脫附現象， 特別當進水中的三氯甲烷含量較低時，活性炭的固相濃度高于液相濃度對應的固相平衡濃度，容易發生三氯甲烷脫附現象，導致出水中的三氯甲烷高于進水。
2.2 GAC 與 O3-BAC 工藝對低濃度氨氮的去除
結合沙口水廠的生產實際情況， 在該研究中也采用了預加氯工藝。但預加氯條件下， 若余氯過高有可能殺死部分微生物或抑制部分微生物的活動，影響生物活性炭的凈水效能。為確定預加氯工藝是否會較大地影響 BAC的氨氮的去除效果， 先進行了預加氯和無預加氯的對比試驗，預加氯條件下， 嚴格控制沉淀池出水余氯≤0.1mg/L。試驗結果如表 2。
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結果表明：預加氯條件下， 氨氮的去除效果與無預處理條件下相近。試驗過程中還檢測了對 CODMn的去除效果， 預加氯條件下O3-BAC出水中CODMn的平均去除率為 71.95%， 與無預處理時的基本相等，這表明,只要控制沉淀池出水余氯≤0.1mg/L， 預加氯對 O3-BAC 的凈水效能影響很小。預加氯條件下， 氨氮的去除效果如圖 3 所示。
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由圖 3可知， 在采用預加氯處理工藝并控制沉淀池出水余氯≤0.1mg/L時， 兩種活性炭對氨氮的去除率接近。隨著進水氨氮濃度增大，兩種活性炭對氨氮的去除率也在增加。GAC和O3-BAC對氨氮的平均去除率均為40%， 最大去除率均為 74%。因此兩者的出水氨氮濃度均可以達到滿意的效果。但GAC和O3-BAC出水中三氯甲烷濃度均高于進水，且BAC出水的三氯甲烷濃度低于GAC，可能是大分子有機物被臭氧分解成小分子中間產物，而這些中間產物易被活性炭吸附或活性炭表面生物
圖 2 活性炭 GAC 去除氨氮與進水濃度的關系
圖 3 低濃度下氨氮的去除率與進水氨氮濃度的相關性所降解，其后再加氯消毒， 降低了產生消毒副產物的危險。但從經濟角度等綜合考慮，建議優先采用GAC 工藝。
2.3 GAC 與 O3-BAC 工藝對高濃度氨氮的去除率
由于原水氨氮濃度偏低， 水質較好， 為了考察活性炭深度處理工藝對源水突發性高濃度氨氮污染的處理能力， 試驗中通過用水射器向源水中投加氨氮，進行了模擬氨氮微污染試驗， 試驗結果如圖 4 所示。
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由圖 4 可知， 較高進水氨氮濃度下， O3-BAC 的氨氮去除率明顯高于 GAC。O3-BAC 有效去除氨氮的濃度范圍為0.59～0.62mg/L，而GAC在0.59mg/L時去除率較高，而后不斷降低并穩定在一定的水平，但去除率總體上低于BAC。由于活性炭在運行初期對氨氮的吸附量不太大，且易發生脫附，因此不具有長期吸附的效果，但數月運行期間，活性炭對水中的氨氮去除保持在一定水平上，表現出了一定的耐沖擊負荷的能力，推斷應存在生物轉化作用。 硝化菌是自養菌，它對氨氮的去除受到基質濃度的影響，當進水氨氮濃度較低時，硝化菌的生長受限，生物量很少，導致活性炭對氨氮的去除率偏低；隨著進水氨氮濃度升高， 硝化菌營養豐富，硝化菌數量逐漸增多，因而炭柱對氨氮的去除率也升高。當進水氨氮達到一定濃度，去除率達到最大而開始下降時，當炭柱中的 DO 濃度較低時限制了硝酸菌的生長， 從而影響氨氮的生物轉化作用。而O3-BAC工藝中臭氧能提高水中的溶解氧DO， 所以 O3-BAC工藝過程內長有的硝化菌群和其它好氧菌群數目要高于GAC， 所以對氨氮的去除率和合適的氨氮范圍均高于GAC。對于出水濁度和CODMn 的去除率， BAC 與GAC 很接近，若考慮消毒后出水中三氯甲烷的含量， GAC為BAC的 3～5 倍，因此當原水中氨氮濃度較高時，建議優先采用 O3-BAC 聯用工藝。
3 結 論
低氨氮濃度下， GAC和O3-BAC 對氨氮的去除率均為 40%， 最大去除率均為 74%， 考慮到GAC工藝處理成本低于 O3-BAC，建議低氨氮濃度下優先采用GAC 工藝。高氨氮濃度下，如果控制沉淀池出水余氯≤0.1mg/L，則優先采用 O3-BAC 工藝除氨氮。當氨氮濃度范圍為 0.59～0.62mg/L 時，氨氮去除率達最大。
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