清華大學環境科學與工程系
田文華 南國英 文湘華 錢易

1. 前言

　　為解決生活污水回用作為循環冷卻水時氨氮超標的問題，開發了一種新型的污水處理設備-沸石床曝氣生物濾池。它將天然沸石優良的選擇性離子交換性能與曝氣生物濾池的硝化功能結合起來，同時實現了過濾吸附、離子交換、生物氧化、生物再生等功能，具有掛膜時間短，出水水質好的特點，水質滿足電廠循環冷卻水要求。

2. 研究方法

　　（1） 靜態試驗：密度參照《水處理用石英砂濾料》（CJ/T43-1999），最小流化速度按照T.D.Kent等人提供的方法測定。掛膜量的測定方法為15.00g濾料，接種污泥，在室溫條件下培養15天。氨交換容量的方法為5.00g濾料，加入 100ml 20mg/L的 NH₄⁺-N溶液，25℃，振蕩4小時。
　　（2）動態試驗：反應器采用Ф200mm有機玻璃柱，填料高度3m，填料粒徑4～6mm，下向流。反應器安裝在清華大學水污染控制國家重點實驗室，試驗用水為校園生活污水。

3. 結果與討論

　　3.1 沸石填料基本性質測定
　　對搜集到的全國四個礦區8種沸石產品進行測試后，選定某地所產的斜發沸石作為濾料（簡稱沸石A）。對粒徑不同的沸石A和粘土陶粒及頁巖陶粒進行的對比試驗見表1。可見沸石A的掛膜量約是陶粒的2倍，氨交換容量很大，而陶粒則不具備氨交換能力。沸石表面帶正電荷，與細菌的電荷相反，并且表面粗糙多孔，這可能是它比陶粒容易掛膜的主要原因。沸石的不足之處是密度稍大，但粒徑較小時，最小流化速度接近陶粒；另外強度不如陶粒，但在動態試驗中發現，開始時沸石的磨損率較高，以后則基本不變。

表 1 沸石與陶粒基本性質對比 名稱 外觀 粒徑
(mm) 密度
（kg/m3） 堆積密度
（kg/m3） 氨交換容量
(mgNH₄⁺-N/g) 最小流化速度Vmf
(m/h) 掛膜量
(g/g) 沸石A 灰褐色粒狀 4～6 2266 944 0.21 203 0.051 沸石A 2～3 2210 982
0.27 101 － 粘土陶粒 暗紅色球狀 2～4 1919 830 ０ 129 0.025 頁巖陶粒 黑色粒狀 3～5 1185 743 0.1 － －

　　3.2 沸石床曝氣生物濾池掛膜性能
　　采用接種掛膜，水力負荷1.12m3/m2h,曝氣量0.16m3/h，溫度27～32℃。掛膜期間COD和氨氮的去除效果見表2和圖1。

表 2 掛膜期間COD和氨氮去除效果 指標 進水濃度
(mg/L) 出水濃度
(mg/L) 去除率
（%） 平均負荷
（kg/m3d） COD 77.5～354.1
（206.5） 7.8～83
（39.4） 69.0～95.3
（80.4） 2.6 氨氮 11.1～46.6
（31.3） 0～3.3
（1.4） 90～100
（95.4） 0.40

　　掛膜剛開始時出口COD和氨氮濃度就很低，通過鏡檢發現7天時異養菌活動即十分活躍，進行了第一次反洗；約15天即有很強的硝化作用。沸石在表面沒有生物膜的情況下，就能去除COD，說明它對有機物具有微孔吸附作用。對氨氮的高去除率得益于它的選擇交換性，據測算，作為交換柱12天就可達到飽和，實際上直到第21天出口氨氮濃度才開始上升。通過測定沿程的總氮、氨氮、硝酸鹽和亞硝酸鹽的變化，發現掛膜初期靠離子交換作用去除氨氮，掛膜中期離子交換和硝化反應共同起作用，末期離子交換和硝化反應達到平衡。進一步的試驗發現，沸石表面形成生物膜后仍具有很強的交換氨氮的能力，而且硝化菌能利用已交換到沸石空隙中的氨氮，也就是說具有生物再生的能力。因此，沸石表面更有利于硝化菌的生長，并具有很強的抗氨氮沖擊負荷的能力。
　　3.3 沸石床曝氣生物濾池處理低濃度生活污水試驗
　　低濃度生活污水的處理是個難點。將校園生活污水稀釋1～2倍后，在水力負荷2.2m3/m2h,曝氣量0.12m3/h，溫度15～17℃下處理結果見表3。可見在較低的容積負荷下COD和氨氮去除率分別可達到73.7%和96.8%。

表 3 低濃度生活污水的處理結果（平均值） 指標 進水濃度(mg/L) 出水濃(mg/L) 去除率（%） 負荷（kg/m3d） COD 66.2 16.3 73.7 1.2 氨氮 18.9 0.6 96.8 0.3

4. 結論

　　（1）沸石表面帶正電，粗糙多孔，且具有很強的氨交換能力，比陶粒更容易掛膜，密度和強度符合曝氣生物濾池要求，適合作為濾料。
　　（2）沸石床曝氣生物濾池依靠離子交換和硝化反應去除氨氮，硝化菌對已交換了氨氮的沸石具有生物再生功能。
　　（3）沸石床曝氣生物濾池非常適合去除低濃度生活污水，出水滿足循環冷卻水水質要求。