自来水厂氨氮的活性炭深度处理
饮用水中过量的氨氮不仅会产生难闻的气味还会对人体产生毒害，并且在一定条件下还会转化为对人体毒性更大的亚硝酸盐。通常水厂的常规处理对突发性高浓度氨氮的出现几乎无能为力。 因此,研究有效控制水厂出水中氨氮的浓度的工艺有着重要的意义。
佛山水业集团公司在2007年新建一座供水能力为 30 万 m3/d 的水厂，净水工艺为 “ 常规处理+ 深度处理”，期望出厂水质达到欧美发达地区的水质标准。作者利用从沙口水厂吸水口吸取的北江水作为深度处理实验的原水，考察了两种活性炭对水中高、 低浓度氨氮的去除效果，以期能为水厂进行活性炭深度处理提供参考和依据。
1 试验部分
1.1 原 水
原水取自北江水，原水水质如表1所示。由表1可知,本次实验所取的水源水质较好,接近于地表水环境质量标准Ⅱ类。但在2004年3月和4月，该水源出现了氨氮浓度突升的情况，分别达到了0.94mg/L 和 1.32mg/L, 导致水厂出水氨氮分别为0.6mg/L和0.98mg/L，超出了饮用水标准。因此采取有效措施应对水中氨氮浓度突升是非常必要的。
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1.2 试验工艺流程
工艺流程如图1 所示。在相同条件下运行 “常规处理+GAC”和 “ 常规处理 +O3-BAC”两种工艺，比较两者对氨氮的去除效果。
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1.3 实验装置
中试装置包括预处理、常规处理和深度处理三部分。深度处理工艺总进水量为5m3/h， GAC 和BAC工艺各占2.5m3/h。其中预加氯采用水射器投加；GAC和BAC 炭滤池规格相同，池高为4.2m，平面尺寸为 510mm×510mm，采用ZJ-15型柱状炭，碘值大于900mg/g，亚甲蓝值大于150 mg/g，直径1.5mm，炭层厚2m；后臭氧接触塔总容积为0.42m3，设置2 级 接触，第一柱容积 0.097m3，直径Φ150mm，塔高6m，有效水深5.5m，第二柱容积0.35m3
，直Φ300mm，塔5.5m，有效水深5.0m，两级接触塔均采用微孔曝气的方式投加臭氧，臭氧与水在塔内逆流接触，臭氧采用德国WEDECO牌GSO20型臭氧发生器现场制备，以氧气为气源，自来水为冷却介质。
2 结果与讨论
2.1 “ 常规处理+ GAC”工艺对氨氮的去除
图 2 为常规处理和 GAC 处理对氨氮的去除效果。由此可见，进水氨氮浓度较低时，氨氮的去除效果不明显，随着进水氨氮浓度增加，氨氮的去除率呈上升趋势，说明活性炭对水中污染物的吸附一般符合 Freundrich 吸附等温线， 即
q=KC／n
式中， q 为单位质量的活性炭吸附量； K， n 为常数， C 为吸附质的平衡浓度， 其对数形式为
lgq=lgK+ lgC／n
在氨氮的吸附等温线中， 1/n 较大，所以浓度高时活性炭对氨氮的吸附作用明显，去除率高，反之，氨氮浓度低时，去除率就低。
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此外， 还研究了GAC 出水浊度和对CODMn 的去除率，结果出水浊度0.23NTU， CODMn 平均去除率为65%。同时研究还发现三氯甲烷出水浓度高于进水。对于活性炭， 三氯甲烷属于弱吸附质,它们之间的吸附力较弱，属于物理吸附，易于发生脱附现象， 特别当进水中的三氯甲烷含量较低时，活性炭的固相浓度高于液相浓度对应的固相平衡浓度，容易发生三氯甲烷脱附现象，导致出水中的三氯甲烷高于进水。
2.2 GAC 与 O3-BAC 工艺对低浓度氨氮的去除
结合沙口水厂的生产实际情况， 在该研究中也采用了预加氯工艺。但预加氯条件下， 若余氯过高有可能杀死部分微生物或抑制部分微生物的活动，影响生物活性炭的净水效能。为确定预加氯工艺是否会较大地影响 BAC的氨氮的去除效果， 先进行了预加氯和无预加氯的对比试验，预加氯条件下， 严格控制沉淀池出水余氯≤0.1mg/L。试验结果如表 2。
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结果表明：预加氯条件下， 氨氮的去除效果与无预处理条件下相近。试验过程中还检测了对 CODMn的去除效果， 预加氯条件下O3-BAC出水中CODMn的平均去除率为 71.95%， 与无预处理时的基本相等，这表明,只要控制沉淀池出水余氯≤0.1mg/L， 预加氯对 O3-BAC 的净水效能影响很小。预加氯条件下， 氨氮的去除效果如图 3 所示。
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由图 3可知， 在采用预加氯处理工艺并控制沉淀池出水余氯≤0.1mg/L时， 两种活性炭对氨氮的去除率接近。随着进水氨氮浓度增大，两种活性炭对氨氮的去除率也在增加。GAC和O3-BAC对氨氮的平均去除率均为40%， 最大去除率均为 74%。因此两者的出水氨氮浓度均可以达到满意的效果。但GAC和O3-BAC出水中三氯甲烷浓度均高于进水，且BAC出水的三氯甲烷浓度低于GAC，可能是大分子有机物被臭氧分解成小分子中间产物，而这些中间产物易被活性炭吸附或活性炭表面生物
图 2 活性炭 GAC 去除氨氮与进水浓度的关系
图 3 低浓度下氨氮的去除率与进水氨氮浓度的相关性所降解，其后再加氯消毒， 降低了产生消毒副产物的危险。但从经济角度等综合考虑，建议优先采用GAC 工艺。
2.3 GAC 与 O3-BAC 工艺对高浓度氨氮的去除率
由于原水氨氮浓度偏低， 水质较好， 为了考察活性炭深度处理工艺对源水突发性高浓度氨氮污染的处理能力， 试验中通过用水射器向源水中投加氨氮，进行了模拟氨氮微污染试验， 试验结果如图 4 所示。
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由图 4 可知， 较高进水氨氮浓度下， O3-BAC 的氨氮去除率明显高于 GAC。O3-BAC 有效去除氨氮的浓度范围为0.59～0.62mg/L，而GAC在0.59mg/L时去除率较高，而后不断降低并稳定在一定的水平，但去除率总体上低于BAC。由于活性炭在运行初期对氨氮的吸附量不太大，且易发生脱附，因此不具有长期吸附的效果，但数月运行期间，活性炭对水中的氨氮去除保持在一定水平上，表现出了一定的耐冲击负荷的能力，推断应存在生物转化作用。 硝化菌是自养菌，它对氨氮的去除受到基质浓度的影响，当进水氨氮浓度较低时，硝化菌的生长受限，生物量很少，导致活性炭对氨氮的去除率偏低；随着进水氨氮浓度升高， 硝化菌营养丰富，硝化菌数量逐渐增多，因而炭柱对氨氮的去除率也升高。当进水氨氮达到一定浓度，去除率达到最大而开始下降时，当炭柱中的 DO 浓度较低时限制了硝酸菌的生长， 从而影响氨氮的生物转化作用。而O3-BAC工艺中臭氧能提高水中的溶解氧DO， 所以 O3-BAC工艺过程内长有的硝化菌群和其它好氧菌群数目要高于GAC， 所以对氨氮的去除率和合适的氨氮范围均高于GAC。对于出水浊度和CODMn 的去除率， BAC 与GAC 很接近，若考虑消毒后出水中三氯甲烷的含量， GAC为BAC的 3～5 倍，因此当原水中氨氮浓度较高时，建议优先采用 O3-BAC 联用工艺。
3 结 论
低氨氮浓度下， GAC和O3-BAC 对氨氮的去除率均为 40%， 最大去除率均为 74%， 考虑到GAC工艺处理成本低于 O3-BAC，建议低氨氮浓度下优先采用GAC 工艺。高氨氮浓度下，如果控制沉淀池出水余氯≤0.1mg/L，则优先采用 O3-BAC 工艺除氨氮。当氨氮浓度范围为 0.59～0.62mg/L 时，氨氮去除率达最大。
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