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磷酸盐对铁锰复合氧化膜去除地表水中氨氮的影响

氨氮是地表水源的主要污染因子之一.供水系统中过量的氨氮会使消毒效率降低, 增加氯消毒过程中的需氯量[3], 并产生令人不快的嗅味, 甚至对中枢神经系统 易造成伤害.饮用水处理中去除氨氮的方法主要有吸附法和生物法.对于吸附法,

输电线路施工组织措施及施工组织设计国内外研究主要集中在吸附剂改性这方面, 但往往吸附剂的吸附容量有限, 再

生困难, 成本较高, 多适用于小型水厂.对于生物法, P 反应过程几乎没有副产 物等优势.< d), 启动成熟时间短(大约 26 此种方法具有可实现铁、锰和氨氮的 同步高效去除, Guo 等[18]研究发现该活性氧化膜对地下水中氨氮的去除机制为 催化氧化作用.相对传统方法, 主要组成元素为铁、锰、钙、氧等. 可在石英砂 滤料表面形成一层能高效去除地下水中氨氮的铁锰复合氧化膜(活性氧化膜).该 活性氧化膜为非晶态结构, 通过向水中投加高锰酸钾, 在处理同时含有铁、锰、 氨氮复合污染的地下水时, 且运行管理复杂[11~13].近年来研究发现, 在自然 状态下挂膜较难成功, 但其对温度变化幅度大的地表水适应性差, 在国内外应 用较多, 目前生物法去除氨氮的技术已比较成熟, 研究成果主要为对普通滤池 进行生物强化,>在前期实验工作中发现, 将该活性氧化膜应用于地表水中氨氮 的去除时, 其催化氧化活性随着运行时间推移而有所下降.研究发现投加磷酸盐 可以促进活性氧化膜的氨氮去除活性, 但对具体的磷酸盐投加量尚未明确, 磷 酸盐促进与保持活性氧化膜氨氮去除活性的效果及机制也尚未探讨.因此, 本文 基于实验工作中发现的问题, 系统地考察了不同磷酸盐投加量对活性氧化膜去

除地表水中氨氮的影响, 研究了冬季低温条件下保持活性氧化膜氨氮去除活性

的方法, 并通过灭活滤柱中的微生物, 初步探究了磷酸盐影响活性氧化膜氨氮

去除活性的机制, 使活性氧化膜应用于地表水处理成为可能.

1 材料与方法 1.1 实验装置

实验装置主要由 4 个完全相同的有机玻璃滤柱组成, 分别命名为 B0、B1、 B2 和 B3, 如图 1 所示.滤料为地下水条件下培养成熟的铁锰复合氧化膜活性滤 料, 有效滤层厚度为 85 cm, 承托层为 20 cm. B0、B1、B2 和 B3 滤柱进行同步

地表水源水经过混凝沉淀处理后, 通过加药泵向沉后水中投加一定量的氨 氮(NH4Cl), 调节进水氨氮浓度, 再由滤柱进行过滤处理.实验期间, 滤柱进水

水质参数如表 1 所示.

夏秋季节水温在 17.2~21.9℃范围内, B0 滤柱不投加磷酸盐, B1、B2 和 B3

性氧化膜氨氮去除活性的变化, VARR 用如下公式计算[11]：

操作方式以保证系统对氨氮的处理效果, 比较其效果差异, 并考察滤柱的最大

及元素组成：扫描电镜(Quanta 600 FEG); 细菌总数：平板计数法.

2 结果与讨论 2.1 不同磷酸盐投加量对铁锰复合氧化膜活性的影响 2.1.1

不同磷酸盐投加量下的氨氮去除效果

不同磷酸盐投加量下滤柱的进出水氨氮浓度变化见图 2.实验期间水温为

持活性氧化膜的氨氮去除活性.

2.1.2 不同磷酸盐投加量下的氨氮体积去除效率

2.2 冬季低温条件下铁锰复合氧化膜活性的保持

2.2.1 不同操作方式下活性的保持效果

性氧化膜的氨氮去除活性.

季低温条件下仅增加滤层厚度并不能取得稳定的氨氮去除效果, 投加 30 μ

2.2.2 不同滤层厚度的最大安全进水氨氮浓度

酸盐投加量, 活性氧化膜仍能高效去除地表水中的氨氮.

对比生物法在低温条件下的运行效果, 发现在低温时期普通生物滤池的生 物量和生物活性低, 抗冲击负荷能力差, 反冲洗频率高, 难以应对进水氨氮浓 度的剧烈波动. Andersson 等[24]认为水温是影响生物滤池氨氮处理效果的重要 因素, 水温在 4~10℃时氨氮去除率仅有 10%~40%左右.贺瑞敏认为适当降低水力 负荷, 延长水力停留时间, 可以减少低温对去除氨氮的负面影响, 但由于生物 滤池中硝化细菌的活性受到严重抑制, 即使在很低的水力负荷条件下, 仍不能 达到良好的去除.因而相较于传统的生物法, 活性氧化膜催化氧化去除氨氮的方

2.3 磷酸盐影响活性氧化膜氨氮去除活性的机制

触时间： min).美国环保署颁布的地表水处理规程明确臭氧对细菌去除率达

微生物.臭氧对硝化细菌也有明显的杀灭效果.本实验中臭氧灭活的 CT 值为

后活性氧化膜的氨氮去除为催化氧化作用.

DB32／T 4049-2021 雷电防护装置检测部位及检测点技术规范.pdf氧化膜的催化氧化活性.

为进一步研究磷酸盐影响活性氧化膜催化氧化活性的机制, 对未投加与投 加磷酸盐滤柱的滤料进行 SEM 和 EDS 表征分析.由图 8 的 SEM 表征结果可知, 未 投加磷酸盐的滤料表面比较粗糙, 而投加磷酸盐的滤料表面较为光滑, 其表面 形貌的差异很可能是因为磷酸盐的投加造成的.由图 9 的 EDS 表征结果显示, 未 投加与投加磷酸盐的滤料表面元素基本相同, 主要为 Mn、O、Al、Ca 等.与地下 水条件的滤料表面元素对比发现, Al 并不是活性氧化膜的原始组成元素, 因此 活性氧化膜应用于地表水处理后其催化氧化活性有所下降很有可能是 Al 在滤料 表面积累导致的.未投加与投加磷酸盐条件下的活性氧化膜表面 Al 原子百分比 分别为 8.70%和 7.18%, 且滤料表面未检测到 P 元素的存在, 推测可能是磷酸盐 与滤料表面的 Al 结合成其它形态, 使其易于从滤料表面脱落, 从而削弱了 Al

冬季低温阶段(水温为 6.5~10.5℃时), 仅增加滤层厚度并不能取得稳定的氨氮

(2) 活性氧化膜对氨氮的去除同时包括催化氧化作用和生物作用, 投加和

未投加磷酸盐条件下活性氧化膜的催化氧化活性分别约占总活性的 76.0%和

57.9%.投加磷酸盐条件下, 活性氧化膜的总活性和催化氧化活性分别是未投加 磷酸盐条件的 1.36倍和 1.79倍, 这表明磷酸盐促进了活性氧化膜的催化氧化活

DB14／T 2171-2020 大棚种植区降水集蓄资源化高效利用技术规范.pdf(3) 通过SEM和EDS表征可以推测, 活性氧化膜应用于地表水处理后其催化 氧化活性有所下降很有可能是 Al 在滤料表面积累导致的.未投加与投加磷酸盐 条件下的活性氧化膜表面Al 原子百分比分别为8.70%和 7.18%, 且滤料表面未检 测到 P 元素的存在, 磷酸盐影响活性氧化膜催化氧化活性的原因初步推测可能 是磷酸盐与滤料表面的 Al 结合成其它形态, 使其易于从滤料表面脱落, 从而削

弱了 Al 对活性氧化膜的影响.