含鐵錳氨地下水在我國(guó)東北地區(qū)分布廣泛, 含鐵錳氨地下水凈化工藝引起了眾多研究者的廣泛關(guān)注, 然而對(duì)于氨氮的去除途徑說(shuō)法不一.有研究發(fā)現(xiàn)在高鐵錳氨地下水凈化工藝中, Fe(Ⅱ)氧化形成的鐵氧化物會(huì)吸附水分子形成α-FeOOH等羥基官能團(tuán)[4], 該官能團(tuán)可以吸附水中氨氮等離子;也有研究發(fā)現(xiàn)在鐵錳氨[Fe(Ⅱ) 0.7~1.1 mg·L-1、Mn(Ⅱ) 0.7~0.9 mg·L-1和NH4+-N 1.1~3.5 mg·L-1]凈化工藝中, 氨氮經(jīng)硝化和CANON作用去除;亦有研究發(fā)現(xiàn)在低溫(5~6℃)鐵錳氨[Fe(Ⅱ) 6.5~8.0 mg·L-1、Mn(Ⅱ) 1.9~2.1 mg·L-1和NH4+-N 1.4~1.7 mg·L-1]凈化工藝中, 水中的氨氮經(jīng)硝化作用去除;此外, 筆者在開(kāi)展低溫高鐵錳氨凈化工藝實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn), 在低溫(5~6℃)高鐵錳氨[Fe(Ⅱ) 9.2~15.1 mg·L-1、Mn(Ⅱ) 0.6~1.4 mg·L-1和NH4+-N 0.9~2.0 mg·L-1]凈化工藝中, 氨氮主要經(jīng)濾層上部的鐵錳氧化物吸附去除, 通過(guò)硝化作用去除的氨氮較低.

　　由上述研究分析可知, 在鐵錳氨凈化工藝中氨氮的去除途徑可能與進(jìn)水水質(zhì)有關(guān), 為明晰不同水質(zhì)條件下氨氮的去除途徑, 本實(shí)驗(yàn)將梯次調(diào)節(jié)進(jìn)水水質(zhì), 探究不同進(jìn)水鐵錳濃度時(shí)氨氮的去除途徑.鑒于此, 筆者在東北某地開(kāi)展了鐵錳氨凈化工藝運(yùn)行實(shí)驗(yàn), 在生物濾柱的基礎(chǔ)上探究不同進(jìn)水鐵錳濃度時(shí)低溫鐵錳氨凈化工藝中氨氮的去除途徑, 以期為工程實(shí)踐提供理論依據(jù).

　　1 材料與方法1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

　　本實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1, 由有機(jī)玻璃制成, 濾柱內(nèi)徑為200 mm, 高為3 000 mm.濾柱采用裝填總高度為1 600 mm的雙層濾料, 上層400 mm為無(wú)煙煤成熟濾料, 級(jí)配為1.0~1.2 mm, 下層1 200 mm為錳砂濾料, 級(jí)配為0.6~1.2 mm, 承托層采用厚度為400 mm的鵝卵石, 級(jí)配為1.2~20.0 mm.

圖 1 反應(yīng)器示意

　　1.2 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

　　以水廠兩級(jí)生物凈化工藝中的一級(jí)濾池濾后水與硫酸亞鐵(FeSO4)、硫酸錳(MnSO4)及硫酸銨[(NH4)2SO4]配置成的混合液作為實(shí)驗(yàn)進(jìn)水.主要指標(biāo)如下：水溫5~6℃, Fe(Ⅱ) 0~19.26 mg·L-1, Mn(Ⅱ) 0.52~2.05 mg·L-1, NH4+-N 0.37~2.59 mg·L-1, NO3--N 0.06~0.32 mg·L-1, NO2--N痕量, 高錳酸鹽指數(shù)痕量, pH為6~7, 溶解氧(DO)為10.0~10.5 mg·L-1.

　　1.3 實(shí)驗(yàn)方法

　　以2.0 m·h-1運(yùn)行, 反沖洗周期1 d, 反沖洗流量600~800 L·h-1, 反沖洗歷時(shí)3~4 min, 反沖洗14 h后檢測(cè)水樣.在低溫(5~6℃)鐵錳氨[Fe(Ⅱ) 0~19.26 mg·L-1、Mn(Ⅱ) 0.52~2.05 mg·L-1和NH4+-N 0.37~2.59 mg·L-1]出水達(dá)標(biāo)并穩(wěn)定超過(guò)7 d, 即視為運(yùn)行成功, 而后逐步調(diào)節(jié)進(jìn)水濃度, 探究低溫鐵錳氨生物凈化工藝中氨氮去除途徑.

　　1.4 檢測(cè)方法

　　Fe(Ⅱ)：二氮雜菲分光光度法;Mn(Ⅱ)：過(guò)硫酸銨分光光度法;NH4+-N：納氏試劑比色法;NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺光度法;NO3--N：紫外分光光度法;化學(xué)需氧量：高錳酸鹽指數(shù)(酸法);DO、pH和水溫：便攜式測(cè)定儀(Qxi 315i-WTW).

　　成熟濾料吸附性能檢測(cè)參照研究[10]：從濾柱取砂樣口10、20、60、100和140 cm處取濾料各5 g, 用去離子水洗凈后, 置入高壓滅菌器(新華LMQ.C型立式滅菌器), 于120℃滅活2 h取出備用.稱取上述位置的滅活濾料各0.1 g, 分別置于500 mL具塞錐形瓶中進(jìn)行氨氮吸附實(shí)驗(yàn).錐形瓶中分別加入250 mL濃度為1.5 mg·L-1的NH4+-N溶液, 以100 r·min-1的轉(zhuǎn)速在25℃恒溫振蕩12 h后, 取上清液用0.45μm濾膜過(guò)濾后測(cè)溶液氨氮濃度, 重復(fù)實(shí)驗(yàn)2次.

　　反沖洗泥吸附性能檢測(cè)參照文獻(xiàn)[10]：濾柱成熟后, 取反沖洗泥水250 mL, 向其加入500 mL濃度為1.5 mg·L-1的氨氮溶液并充分混合, 分別測(cè)反沖洗泥水、氨氮溶液與反沖洗泥水混合2 min、氨氮溶液與反沖洗泥水混合1 d后混合液中氨氮、亞氮和硝氮濃度, 為避免鐵錳泥雜質(zhì)對(duì)測(cè)樣的干擾, 各組水樣均用0.45 μm濾膜過(guò)濾后測(cè)試溶液的“三氮”濃度, 重復(fù)實(shí)驗(yàn)2次.

　　2 結(jié)果與討論

2.1 低溫鐵錳氨凈化工藝運(yùn)行

2.1.1 進(jìn)出水鐵錳氨的變化情況

　　進(jìn)出水鐵錳氨濃度變化如圖 2.亞鐵在生物濾柱中主要通過(guò)化學(xué)接觸氧化作用去除, 而錳在生物濾柱中主要通過(guò)生物作用去除, 由圖 2(a)可知, 在運(yùn)行過(guò)程中出水總鐵和出水錳均能滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)中對(duì)總鐵和錳的限值要求.由圖 2(b)可知, 在整個(gè)過(guò)程中出水氨氮濃度亦均能滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)氨氮的限值要求, 且由圖 2(c)可知, 在整個(gè)過(guò)程中出水硝氮濃度均遠(yuǎn)大于進(jìn)水硝氮濃度, 由此表明, 在此濾柱中氨氮能較好地通過(guò)生物作用去除.

圖 2 進(jìn)出水鐵錳氨濃度變化

　　2.1.2 進(jìn)出水總氮的變化情況

　　濾柱運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)出水總氮如圖 3所示.從中可知, 在S1階段(20~41 d)和S4階段(148~170 d)進(jìn)水總氮等于出水總氮, 濾柱中并未有氮素?fù)p失, 而S2階段(42~88 d)、S3階段(90~147 d)和S5階段(172~182 d)均有明顯的氮素?fù)p失, 進(jìn)水總氮大于出水總氮, 且S2階段的氮素?fù)p失量明顯低于S3和S5階段的氮素?fù)p失量, 筆者將在下文中探究氮素?fù)p失的原因.

圖 3 進(jìn)出水總氮變化

　　2.1.3 濾料及反沖洗泥對(duì)氨氮吸附性能分析

　　在第20和第30 d時(shí)分別取10、20、60、100及140 cm的濾料進(jìn)行吸附性能分析實(shí)驗(yàn), 從表 1可知, 第20d時(shí)濾料已吸附飽和, 故忽略濾料對(duì)氨氮的吸附, 此后濾柱中氮素?fù)p失不是由濾料吸附造成, 故S2、S3和S5階段的氮素?fù)p失并不是濾料吸附造成.

表 1 濾料吸附實(shí)驗(yàn)1)/mg·L-1

　　在第100 d時(shí)取反沖洗進(jìn)行2 min時(shí)的反沖洗泥水混合液250 mL, 測(cè)得氨氮、亞氮和硝氮濃度分別為0.52、0和0.44 mg·L-1, 并取500 mL氨氮濃度為1.5 mg·L-1的氨氮溶液, 兩者混合后經(jīng)計(jì)算的理論氨氮、亞氮和硝氮濃度分別為1.17、0和0.15 mg·L-1.從表 2可知, 氨氮溶液與反沖洗泥水混合2 min后實(shí)際的氨氮濃度僅為0.91 mg·L-1, 比理論值低0.26 mg·L-1, 氨氮溶液與反沖洗泥水混合1 d后實(shí)際的氨氮濃度僅為0.46 mg·L-1, 比理論值低0.71 mg·L-1, 而混合后亞氮和硝氮濃度均等于混合理論值, 且整個(gè)過(guò)程中均未發(fā)生變化.由此可知, 此小試中氨氮濃度的降低不是生物作用造成, 而是反沖洗泥中鐵錳氧化物對(duì)氨氮的吸附造成, S2、S3和S5階段的氮素?fù)p失或是氨氮被鐵錳氧化物吸附造成.

表 2 反沖洗泥吸附實(shí)驗(yàn)

　　2.2 不同鐵錳濃度時(shí)氨氮去除途徑

　　進(jìn)水鐵錳濃度與氮素?fù)p失量的變化情況如圖 4, 下文將分別討論不同進(jìn)水亞鐵及進(jìn)水錳濃度時(shí)氮素?fù)p失的途徑.

圖 4 進(jìn)水鐵錳濃度與氮素?fù)p失量的變化

　　2.2.1 不同亞鐵濃度時(shí)氨氮去除途徑

　　從圖 4可知, 當(dāng)進(jìn)水錳濃度約為0.6 mg·L-1, 調(diào)節(jié)進(jìn)水亞鐵濃度會(huì)影響氮素去除途徑, 當(dāng)平均進(jìn)水亞鐵濃度≤6 mg·L-1沒(méi)有氮素?fù)p失, 而平均進(jìn)水亞鐵濃度≥8 mg·L-1時(shí)有氮素?fù)p失, 且平均進(jìn)水亞鐵濃度分別為14和19 mg·L-1時(shí)氮素?fù)p失相當(dāng).為探究氮素?fù)p失途徑, 以第100 d時(shí)為例分析沿程“三氮”、鐵錳及DO.圖 5(a)為第100 d時(shí)沿程三氮變化, 從中可知, 進(jìn)水總氮濃度為2.19 mg·L-1, 出水總氮濃度為1.22 mg·L-1, 出水總氮遠(yuǎn)小于進(jìn)水總氮, 氮素?fù)p失量為0.97 mg·L-1. 20 cm處總氮濃度為1.22 mg·L-1與出水總氮濃度相等, 相較于進(jìn)水總氮, 其氮素?fù)p失量同為0.97 mg·L-1, 在40 cm處總氮濃度亦為1.22 mg·L-1與20 cm處相等, 由此可知, 當(dāng)進(jìn)水亞鐵濃度為11.05 mg·L-1時(shí), 氮素?fù)p失發(fā)生在濾層前20 cm, 之后的濾層未有氮素?fù)p失, 氮素?fù)p失量為0.97 mg·L-1.為明晰此范圍內(nèi)氮素?fù)p失途徑, 下文將分析第100 d時(shí)沿程鐵錳及DO.

圖 5 第100 d時(shí)各物質(zhì)的沿程變化

　　由圖 5(b)及表 3可知, 經(jīng)20 cm濾層時(shí)鐵錳消耗的DO分別為1.58 mg·L-1和0.008 7 mg·L-1, 此范圍兩者消耗的DO共為1.588 7 mg·L-1.進(jìn)水經(jīng)前20 cm消耗的DO為4.47 mg·L-1, 故前20 cm約有2.88 mg·L-1的DO參與氨氮去除.同由表 3可知, 硝氮在前20 cm產(chǎn)生量為0.63 mg·L-1, 假設(shè)在此產(chǎn)生的硝氮全是氨氮經(jīng)硝化產(chǎn)生, 而單位質(zhì)量濃度的氨氮經(jīng)硝化所需DO為4.57 mg·L-1, 故其所需DO為2.879 mg·L-1, 與上述參與氨氮去除的DO相當(dāng).故分析可知, 前20 cm生成的硝氮全由硝化產(chǎn)生.由圖 5可知, 20~200 cm(出水)的亞鐵、錳、DO、氨氮、亞氮和硝氮變化量分別為0、0.62、2.1、0.42、0和0.42 mg·L-1, 假設(shè)此范圍硝氮經(jīng)硝化增加, 故計(jì)算可知所需DO共約為2.099 mg·L-1, 與此范圍消耗的DO相當(dāng), 且氨氮變化量與硝氮變化量相等, 故20~200 cm的0.42 mg·L-1氨氮全經(jīng)硝化去除, 由此可知, 第100 d時(shí)濾柱中共有1.05 mg·L-1氨氮經(jīng)硝化去除.此外, 從圖 5(a)可知, 進(jìn)水和20 cm處氨氮濃度分別為2.02 mg·L-1和0.42 mg·L-1, 故濾層前20 cm有1.60 mg·L-1氨氮被去除, 由上可知, 在此范圍有0.63 mg·L-1氨氮參與硝化, 故前20 cm有0.97 mg·L-1的氨氮損失且未消耗DO, 與該范圍內(nèi)氮素?fù)p失相等.為明晰前20 cm氨氮去除途徑, 筆者仍以第100 d時(shí)為例進(jìn)行分析.

表 3 第100 d時(shí)DO分析

　　假設(shè)此時(shí)前20 cm氨氮全經(jīng)硝化去除, 則氨氮應(yīng)全轉(zhuǎn)化為亞氮和硝氮, 濾柱中沒(méi)有氮素?fù)p失, 且ΔNH4+-N(氨氮變化量)/ΔNO3--N(硝氮變化量)理論值應(yīng)為1, 而此實(shí)驗(yàn)中進(jìn)水經(jīng)過(guò)20 cm濾層時(shí)ΔNH4+-N/ΔNO3--N為2.54遠(yuǎn)高于氨氮全經(jīng)硝化的理論值, 由此推斷此范圍內(nèi)氨氮不可能僅經(jīng)硝化去除.有研究表明, 當(dāng)DO一定時(shí)氨氮全程自養(yǎng)脫氮(CANON)分為兩個(gè)過(guò)程：①在生物膜外的好氧環(huán)境中, NH4+-N被好氧氨氧化菌(AOB)氧化成NO2--N;②NH4+-N和以上過(guò)程產(chǎn)生的NO2--N經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入到生物膜內(nèi)的缺氧環(huán)境中, 再在厭氧氨氧化菌(AnAOB)作用下, 發(fā)生反應(yīng)得到去除, 如下式所示.

　　由上式可知, 若氨氮全經(jīng)CANON去除, 則ΔNH4+-N/ΔNO3--N的理論值應(yīng)為8, 若1<ΔNH4+-N/ΔNO3--N<8且連續(xù)穩(wěn)定, 則成功啟動(dòng)硝化耦合CANON工藝[18, 19].本實(shí)驗(yàn)中進(jìn)水經(jīng)20 cm濾層時(shí)ΔNH4+-N/ΔNO3--N為2.54, 在硝化耦合CANON工藝?yán)碚摲秶鷥?nèi), 然而由表 3的DO分析可知, 前20 cm產(chǎn)生0.63 mg·L-1的硝氮全由硝化產(chǎn)生, 因此, 此范圍內(nèi)不存在CANON, 前20 cm損失的0.97 mg·L-1的氨氮可能經(jīng)吸附去除, 由表 1可知, 濾柱在第20 d已吸附飽和, 故忽略濾料對(duì)氨氮的吸附, 由表 2可知, 反沖洗泥中鐵錳氧化物對(duì)氨氮有較好地吸附效果, 且由第100 d時(shí)沿程分析可知, 進(jìn)水中亞鐵在濾柱前20 cm去除, 故其氧化物主要在此形成, 同時(shí)氨氮也是此范圍內(nèi)損失, 損失的氨氮和形成的氧化物具有相同區(qū)間, 由此表明前20 cm損失的氨氮是經(jīng)鐵錳氧化物吸附去除, 被鐵錳氧化物吸附的氨氮在反沖洗時(shí)隨反沖洗水與鐵錳氧化物一起排出濾柱.綜上, 當(dāng)進(jìn)水亞鐵和錳分別為11.05和0.65 mg·L-1時(shí), 經(jīng)鐵錳氧化物吸附的氨氮為0.97 mg·L-1, 經(jīng)硝化作用去除的氨氮為1.05 mg·L-1.

　　為明晰平均進(jìn)水亞鐵濃度分別為14 mg·L-1和19 mg·L-1時(shí)氮素?fù)p失相當(dāng)?shù)脑��? 以第182 d和第143 d時(shí)為例分析.兩者進(jìn)水錳濃度均約為0.6 mg·L-1, 故忽略進(jìn)水錳濃度對(duì)氨氮吸附的影響.由上文可知, 濾柱中氮素?fù)p失是由進(jìn)水中氨氮被鐵錳氧化物吸附造成, 氮素?fù)p失量等于鐵錳氧化物吸附的氨氮量.圖 6為兩者亞鐵及總氮沿程變化, 從中可知, 第182 d和第143 d時(shí)前20 cm的氮素?fù)p失量分別為1.17 mg·L-1和1.15 mg·L-1, 兩者氮素?fù)p失相當(dāng), 氮素?fù)p失均發(fā)生在前20 cm, 且前20 cm去除的亞鐵分別為14.01 mg·L-1和13.70 mg·L-1, 此范圍去除的亞鐵相當(dāng), 而進(jìn)入20 cm之后的濾層中亞鐵濃度均較低, 不能形成足夠的氧化物, 并沒(méi)有吸附氨氮, 故兩者均依靠前20 cm的氧化物對(duì)氨氮產(chǎn)生的吸附, 而此范圍形成了相當(dāng)?shù)难趸��? 故吸附了相當(dāng)?shù)陌钡?因此, 當(dāng)平均進(jìn)水亞鐵濃度分別為19 mg·L-1和14 mg·L-1時(shí), 濾柱中氮素?fù)p失相當(dāng).

圖 6 第182 d和143 d時(shí)亞鐵及總氮的沿程變化

　　從表 4可知, 當(dāng)進(jìn)水錳濃度不變, 調(diào)節(jié)進(jìn)水亞鐵濃度會(huì)影響濾柱中氨氮去除途徑, 平均進(jìn)水亞鐵濃度≤6 mg·L-1時(shí)沒(méi)有氮素?fù)p失, 氨氮全經(jīng)硝化去除;而當(dāng)平均進(jìn)水亞鐵濃度≥8 mg·L-1時(shí)濾柱中進(jìn)水亞鐵氧化形成的氧化物會(huì)吸附氨氮導(dǎo)致氮素?fù)p失, 此時(shí)氨氮經(jīng)硝化和吸附兩種途徑去除.此外, 進(jìn)水氨氮濃度均遠(yuǎn)大于鐵錳氧化物吸附的氨氮, 故各自條件下鐵錳氧化物對(duì)氨氮的吸附均已飽和, 且由吸附的氨氮隨進(jìn)水亞鐵濃度的增加而增加可知, 氧化物對(duì)氨氮的吸附作用先于硝化作用.分析表 4及圖 6可知, 當(dāng)平均進(jìn)水亞鐵濃度分別為14 mg·L-1和19 mg·L-1時(shí), 被氧化物吸附的氨氮相當(dāng)?shù)脑�因是：�?0 cm去除的亞鐵均約為14 mg·L-1, 故此范圍形成的氧化物相當(dāng), 而進(jìn)入20 cm之后的濾層中亞鐵濃度均較低, 不能形成足夠的氧化物, 并沒(méi)有吸附氨氮, 兩者均依靠前20 cm產(chǎn)生的氧化物對(duì)氨氮的吸附, 故兩者吸附的氨氮相當(dāng).

表 4 不同進(jìn)水亞鐵濃度時(shí)氨氮的去除/mg·L-1

　　2.2.2 不同錳濃度時(shí)氨氮去除途徑

　　從圖 4可知, 當(dāng)進(jìn)水亞鐵濃度不變, 調(diào)節(jié)進(jìn)水錳(0.6~2.0 mg·L-1)濃度不會(huì)明顯影響濾柱中氮素?fù)p失, 將在下文分析原因.為進(jìn)一步明晰濾柱中氮素?fù)p失, 將分析第76 d時(shí)沿程.圖 7(a)為第76 d時(shí)沿程三氮變化, 從中可知, 進(jìn)水總氮濃度為1.48 mg·L-1, 出水總氮濃度為1.15 mg·L-1, 出水總氮小于進(jìn)水總氮, 濾柱中氮素?fù)p失量為0.33 mg·L-1, 20 cm處總氮濃度為1.15 mg·L-1與出水總氮濃度相等, 相較于進(jìn)水總氮此處亦發(fā)生了氮素?fù)p失, 其氮素?fù)p失為0.33 mg·L-1, 與此時(shí)濾柱中氮素?fù)p失相等, 40 cm處總氮濃度亦為1.15 mg·L-1與20 cm處總氮相等, 由此可知, 當(dāng)平均進(jìn)水亞鐵約為8 mg·L-1, 進(jìn)水錳濃度為1.50 mg·L-1時(shí)其氮素?fù)p失同樣發(fā)生在前20 cm, 之后的濾層中亦未有氮素?fù)p失, 其氮素?fù)p失量為0.33 mg·L-1.

圖 7 第76 d時(shí)各物質(zhì)的沿程變化

　　從圖 7(b)及表 5可知, 前20 cm濾層去除亞鐵和錳分別為7.98 mg·L-1和0.08 mg·L-1, 消耗的DO分別為1.14 mg·L-1和0.0232 mg·L-1, 故此范圍亞鐵和錳消耗的DO共為1.1632 mg·L-1, 而進(jìn)水經(jīng)前20 cm消耗的DO為3.68 mg·L-1.因此前20 cm約有2.5168 mg·L-1的DO參與氨氮去除.同由表 5可知, 硝氮在前20 cm產(chǎn)生量為0.55 mg·L-1, 亦假設(shè)此范圍內(nèi)硝氮全是氨氮經(jīng)硝化產(chǎn)生, 則經(jīng)硝化生成0.55 mg·L-1的硝氮所需DO為2.514 mg·L-1, 與上述參與氨氮去除的DO相當(dāng), 故前20 cm生成的硝氮亦全由氨氮經(jīng)硝化產(chǎn)生.在20~200 cm亞鐵、錳、DO、氨氮、亞氮和硝氮變化量分別為0、1.42、2.7、0.50、0和0.50 mg·L-1.假設(shè)此范圍硝氮經(jīng)硝化作用增加, 故計(jì)算可知所需DO共約為2.697 mg·L-1, 與此范圍消耗的DO相當(dāng), 且氨氮變化量與硝氮變化量相等, 故20~200 cm氨氮全經(jīng)硝化去除.由圖 7(a)可知, 在前20 cm有0.88 mg·L-1的氨氮被去除, 且由上可知, 在此范圍內(nèi)有0.55 mg·L-1的氨氮參與硝化, 故前20 cm有0.33 mg·L-1的氨氮損失且未消耗DO, 與該范圍內(nèi)的氮素?fù)p失量相等.亦設(shè)此范圍內(nèi)氨氮全經(jīng)硝化去除, 則氨氮應(yīng)全轉(zhuǎn)化為亞氮和硝氮, 濾柱中沒(méi)有氮素?fù)p失, 且ΔNH4+-N/ΔNO3--N的理論值應(yīng)為1, 而此實(shí)驗(yàn)中進(jìn)水經(jīng)前20 cm濾層時(shí)ΔNH4+-N/ΔNO3--N為1.6明顯高于氨氮全經(jīng)硝化時(shí)的理論值, 故此時(shí)氨氮亦不可能僅通過(guò)硝化作用去除.具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.bnynw.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

表 5 第76 d時(shí)DO分析

　　此時(shí)ΔNH4+-N/ΔNO3--N在硝化耦合CANON工藝?yán)碚摲秶鷥?nèi), 但根據(jù)表 5的DO分析可知, 前20 cm產(chǎn)生的0.55 mg·L-1硝氮全由硝化產(chǎn)生, 故此范圍亦不存在CANON過(guò)程, 前20 cm損失的0.33 mg·L-1的氨氮同樣可能經(jīng)吸附去除.亦由表 1可知, 濾料在第20 d已吸附飽和, 此后忽略濾料對(duì)氨氮的吸附, 同樣由表 2可知, 反沖洗泥中鐵錳氧化物對(duì)氨氮有較好的吸附效果, 且由第76 d時(shí)沿程分析可知, 進(jìn)水中亞鐵亦在前20 cm去除, 因此氧化物主要在此范圍形成, 同時(shí)氨氮也是前20 cm損失, 故損失的氨氮和形成的氧化物亦有相同區(qū)間.由此進(jìn)一步表明濾層前20 cm損失的氨氮是經(jīng)鐵錳氧化物吸附去除.故當(dāng)進(jìn)水亞鐵和錳濃度分別為7.98和1.50 mg·L-1時(shí), 經(jīng)鐵錳氧化物吸附去除的氨氮為0.33 mg·L-1, 而經(jīng)硝化作用去除的氨氮為1.05 mg·L-1.綜上可得表 6.

表 6 不同進(jìn)水錳濃度時(shí)氨氮的去除

　　為明晰進(jìn)水錳濃度對(duì)氨氮吸附影響不明顯的原因, 筆者將對(duì)第52 d和第88 d的沿程鐵錳及總氮進(jìn)行分析.圖 8為第52 d和第88 d時(shí)沿程鐵錳及總氮變化, 從中可知, 進(jìn)水亞鐵濃度分別為8.06mg·L-1和8.10 mg·L-1, 且兩者都是在前20 cm去除, 故忽略進(jìn)水亞鐵濃度對(duì)氨氮去除的影響, 氮素?fù)p失均僅發(fā)生在前20 cm, 且氮素?fù)p失量分別為0.34 mg·L-1和0.35 mg·L-1, 兩者并未有明顯差異.兩者氮素?fù)p失相當(dāng)原因可由其錳沿程變化曲線說(shuō)明：兩者進(jìn)水錳濃度分別為0.62 mg·L-1和2.02 mg·L-1, 20 cm處錳濃度分別為0.59 mg·L-1和1.94 mg·L-1, 故前20 cm去除的錳分別為0.03 mg·L-1和0.08 mg·L-1, 雖然兩者進(jìn)水錳濃度差別較大, 但前20 cm去除的錳均較少, 因此前20 cm形成的錳氧化物相當(dāng), 進(jìn)水錳濃度對(duì)此范圍內(nèi)氮素?fù)p失影響不明顯.造成前20 cm去除錳較低的原因是錳氧化還原電位高于亞鐵, 導(dǎo)致錳去除滯后于亞鐵、錳與亞鐵的高效去除區(qū)存在分級(jí), 因此前20 cm去除的錳較低, 錳主要在20 cm后的濾層中去除, 然而20 cm后氨氮已痕量, 錳氧化物并沒(méi)有吸附氨氮, 故進(jìn)水錳濃度(0.6~2.0 mg·L-1)沒(méi)有明顯影響氨氮去除途徑.

圖 8 第52 d和88 d時(shí)沿程鐵錳及總氮變化

　　綜上2.2.1和2.2.2節(jié)可知, 本實(shí)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)CANON過(guò)程, 而蔡言安[22]在未接種AnAOB時(shí)發(fā)現(xiàn)其工藝中存在CANON.為明晰本實(shí)驗(yàn)不存在CANON的原因, 對(duì)兩者進(jìn)行了對(duì)比：本實(shí)驗(yàn)平均進(jìn)水和出水DO分別為10.37 mg·L-1和4.43 mg·L-1, 濾速為2 m·h-1;而蔡言安等人的實(shí)驗(yàn)進(jìn)水DO為5~8 mg·L-1, 假設(shè)其水中氨氮僅經(jīng)硝化作用去除則其理論耗氧量約為4.89~8.19 mg·L-1, 故DO嚴(yán)重不足, 且其濾速為5 m·h-1.由對(duì)比可知, 本實(shí)驗(yàn)DO遠(yuǎn)高于蔡言安等人實(shí)驗(yàn)DO, 而高DO能增加硝化細(xì)菌對(duì)DO網(wǎng)捕效率, 且單位氨氮氧分壓增加, 不利于CANON實(shí)現(xiàn);此外本實(shí)驗(yàn)濾速遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[22]的實(shí)驗(yàn)濾速, 低濾速時(shí)濾柱對(duì)DO亦有較好的網(wǎng)捕效率, 且降低濾速使低溫硝化耦合CANON工藝中CANON作用減弱, 硝化作用增強(qiáng).故本實(shí)驗(yàn)濾速及DO均利于硝化作用, 從圖 5和圖 7可知, 濾層中均未有亞氮積累, 20 cm處氨氮低于0.5 mg·L-1, DO大于6 mg·L-1, 出水DO約為4 mg·L-1.此范圍氨氮濃度很低而DO充足, 故上述原因可能導(dǎo)致本實(shí)驗(yàn)未發(fā)生CANON.

　　3 結(jié)論

　　(1) 在低溫(5~6℃)、含鐵錳氨[Fe(Ⅱ) 0~19.26 mg·L-1、Mn(Ⅱ) 0.52~2.05 mg·L-1和NH4+-N 0.37~2.59 mg·L-1]地下水凈化工藝中, 鐵錳濃度會(huì)影響氨氮去除途徑.

　　(2) 在此工藝中保持進(jìn)水錳濃度不變, 調(diào)節(jié)進(jìn)水亞鐵升至一定濃度時(shí)濾層中亞鐵氧化形成的氧化物會(huì)吸附氨氮, 導(dǎo)致氨氮通過(guò)吸附和硝化兩種作用去除, 且吸附作用先于硝化作用.

　　(3) 在此工藝中保持進(jìn)水亞鐵濃度不變, 調(diào)節(jié)進(jìn)水錳濃度沒(méi)有明顯影響氨氮的去除途徑.(來(lái)源：環(huán)境科學(xué) 作者：張杰)