隨著我國(guó)城市化高速開展和經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng),生產(chǎn)和生活廢水排放量日益增加,使我國(guó)河流型飲用水源平安隱患突出。據(jù)不完整統(tǒng)計(jì),約有65%的飲用水源不宜飲用,而氨氮(NH3-N)就是其中一種主要污染物。飲用水源突發(fā)氨氮污染不只會(huì)惹起水體富營(yíng)養(yǎng)化、發(fā)作赤潮等現(xiàn)象,更可能在很短時(shí)間內(nèi)形成水源污染及飲用水供水系統(tǒng)的嚴(yán)重?fù)p失,以至進(jìn)一步觸發(fā)嚴(yán)重的社會(huì)穩(wěn)定問題。
為響應(yīng)國(guó)家亟需應(yīng)急技術(shù)配備產(chǎn)業(yè)化的號(hào)召,設(shè)計(jì)研發(fā)了一款便利可拼裝式化學(xué)氧化消減設(shè)備,用于應(yīng)急處置飲用水源突發(fā)污染事情,保證城鎮(zhèn)供水平安,同時(shí)帶動(dòng)全國(guó)環(huán)境應(yīng)急產(chǎn)業(yè)晉級(jí),具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。由于化學(xué)氧化具有反響快速、降解徹底、價(jià)錢低廉等優(yōu)點(diǎn),在突發(fā)環(huán)境事情的應(yīng)急處置方面具有宏大潛力,因而本研討基于化學(xué)氧化法,選用飲用水源常規(guī)污染物氨氮測(cè)試該設(shè)備性能,在優(yōu)化設(shè)備工藝參數(shù)的同時(shí)找到去除氨氮的最佳工藝條件。目前國(guó)內(nèi)外去除氨氮的辦法主要有吸附法、折點(diǎn)加氯法、吹脫法、生物脫氮法、化學(xué)沉淀法、催化濕式氧化法、液膜法以及電滲析法等。從需求滿足環(huán)境應(yīng)急中快速、高效、便利、平安的角度來看,折點(diǎn)加氯法由于簡(jiǎn)單易行而經(jīng)常被采用。次氯酸鈉作為一種強(qiáng)氧化劑,已用于多類水處置,與傳統(tǒng)氧化劑液氯相比,次氯酸鈉平安無外泄,且可進(jìn)一步減少消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生,因而非常適用于氨氮污染水源的應(yīng)急處置。
本研討對(duì)化學(xué)氧化消減設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)包括進(jìn)出水口高度以及攪拌方式、時(shí)間和速度等實(shí)施了優(yōu)化,并系統(tǒng)討論了氨氮濃度、氧化劑投量、pH值、反響時(shí)間等對(duì)氨氮去除效果的影響,由此找出最佳反響條件以使出水氨氮濃度到達(dá)我國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量規(guī)范》(GB3838—2002)中集中式生活飲用水地表水源HI類水規(guī)范(1.0mg/L),為突發(fā)氨氮水污染事情的應(yīng)急處置提供參考。
一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與辦法
1.1 資料與儀器
主要試劑:氯化銨(GR,阿拉丁)、次氯酸鈉(漂水,工業(yè)級(jí),實(shí)測(cè)有效氯含量為7.83%)、硫酸溶液(6mol/L)、氫氧化鈉溶液(1moI/L)、雙氧水(工業(yè)級(jí),10%)。
主要儀器:島津UV-1800紫外可見分光光度計(jì),PM2500型電子天平,雷磁PHS-29ApH計(jì),百靈達(dá)7500型光度計(jì),BLD立式攪拌機(jī)(旋槳式,兩片槳葉),不銹鋼潛水?dāng)嚢铏C(jī)(加裝置導(dǎo)桿),LS300-A型便利式流速測(cè)定儀,WQ770型手持式濁度儀,DC-LWS型流量計(jì),40ZX10-40型自吸泵。
1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
中試設(shè)備(見圖1)主要由自來水池(方形,2.8mx2.8mxl.5m)、原水池(方形,1.7mx1.7mx1.5m)、氧化池(圓形,直徑為2m、高為1.32m)和溶藥池(圓形,直徑為2m、高為1.32m)4局部組成,輔以攪拌機(jī)、潛水栗、流量計(jì)、水泵、閥門,經(jīng)過進(jìn)、出水管道銜接(DN40進(jìn)水管,DN50/80出水管)。水池全部選用夾網(wǎng)PVC復(fù)合資料,該資料耐腐蝕性強(qiáng),且采用聚酯纖維網(wǎng)增增強(qiáng)度,相似鋼筋混凝土中的鋼筋,滿足作為應(yīng)急處置水池的請(qǐng)求,支撐采用鋼管支架,自創(chuàng)帳篷的便當(dāng)、靈敏性,滿足便攜、可拆卸等特性,可完成隨用隨拼裝。
氧化池為該設(shè)備的主體局部,設(shè)計(jì)其有效深度為1m,處置流量為4m3/h(流速約為0.8m/S)。其內(nèi)固定有旋槳式立式攪拌機(jī)(裝置在距池底20cm處)和不銹鋼潛水?dāng)嚢铏C(jī),可依據(jù)需求自行切換。為測(cè)試氧化池的工藝性能,設(shè)計(jì)了5個(gè)不同高度的進(jìn)水口和3個(gè)出水口。5個(gè)進(jìn)水口自下而上依次編號(hào)1、2、3、4、5,分別距池底25、45、65、81、95cm(約為水池有效深度的1/4、1/2、3/4、4/5、9/10),3個(gè)出水口自下而上依次編號(hào)1、2、3,分別距池底16、57、93cm(約為水池有效深度的1/5、1/2、9/10),出水口處又設(shè)有取樣口以便隨時(shí)取樣,經(jīng)過閥門控制。
1.3 實(shí)驗(yàn)辦法
本研討經(jīng)過中試一方面找到去除氨氮的最佳工藝條件,另一方面借此測(cè)試并完善設(shè)備的性能參數(shù),其工藝流程如圖2所示。
整個(gè)中試在室溫(25T左右)下實(shí)施,首先在原水池中加人氯化銨并選擇性加人硫酸溶液和氫氧化鈉溶液,通入自來水配制成不同pH值和不同氨氮濃度的模仿水,啟動(dòng)原水池中的攪拌機(jī)混合平均。選擇性翻開氧化池的進(jìn)水閥門,經(jīng)過流量計(jì)控制并記載進(jìn)水流量。同時(shí)在溶藥池內(nèi)配好次氯酸鈉溶液,翻開閥門,經(jīng)過流量計(jì)控制并記載藥劑投加量,選擇性啟動(dòng)氧化池內(nèi)的攪拌機(jī)將藥劑與水實(shí)施充沛攪拌(與上述水樣配制過程相同,均可經(jīng)過手持式濁度儀和流速測(cè)定儀判別能否混合平均)。調(diào)理攪拌機(jī)的攪拌速度,控制攪拌時(shí)間和靜置反響時(shí)間,取水樣過濾后測(cè)定出水氨氮濃度,調(diào)查氨氮濃度、次氯酸鈉投加量、pH值、進(jìn)出水口高度、攪拌方式、攪拌時(shí)間、攪拌速度、反響時(shí)間等工藝條件對(duì)氨氮去除效果的影響。此外,思索到實(shí)踐突發(fā)污染水源的氨氮濃度,本研討分別選取超越我國(guó)集中式生活飲用水地表水源HI類水氨氮限值(1.0mg/L)的5、10、20倍(即5.0、10.0、20.0mg/L作為初始濃度實(shí)施實(shí)驗(yàn)。氨氮濃度采用納氏試劑分光光度法測(cè)定。
二、實(shí)驗(yàn)計(jì)劃與過程
2.1 去除氨氮的最佳工藝條件
2.1.1 工藝原理
實(shí)驗(yàn)采用折點(diǎn)加氯法去除氨氮,采用的藥劑為次氯酸鈉(俗稱漂水)。折點(diǎn)加氯法是將氯通人水中把NH3-N氧化成N2的化學(xué)脫氮工藝。當(dāng)氯通入水中到達(dá)某一點(diǎn)時(shí)水中游離氯含量最低,氨的濃度降為零,若氯通人量超越該點(diǎn),水中的游離氯就會(huì)增加,因而該點(diǎn)稱為折點(diǎn),該狀態(tài)下的氯化稱為折點(diǎn)氯化。該辦法最突出的優(yōu)點(diǎn)是可經(jīng)過正確控制加氯量和對(duì)流量實(shí)施均化,使水中氨氮濃度降為零,同時(shí)到達(dá)消毒目的。
2.1.2 正交實(shí)驗(yàn)
依據(jù)反響原理,影響次氯酸鈉氧化脫氮的要素主要有氨氮初始濃度(A)、次氯酸鈉投加量(B)、反響時(shí)間(C)和pH值(D),每個(gè)要素選取3個(gè)程度,選用L9(43)布置正交實(shí)驗(yàn),如表1所示。
2.1.3 單要素最優(yōu)程度實(shí)驗(yàn)
參照正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在典型濃度下以次氯酸鈉投加量、反響時(shí)間和pH值為根本條件,肯定常量與變量,進(jìn)一步調(diào)查工藝條件對(duì)氨氮去除效果的影響。
①次氯酸鈉投加量對(duì)氨氮去除效果的影響
本研討分別思索3個(gè)典型濃度下的實(shí)驗(yàn)效果,便當(dāng)實(shí)踐工程應(yīng)用實(shí)施數(shù)據(jù)參考??刂品错憰r(shí)間為40min,不調(diào)理pH值,模仿水中氨氮濃度為5.0mg/L時(shí)分別投加1、1.5、1_7、1.8、2、2.3、2.5mL/L次氯酸鈉,模仿水中氨氮濃度為10.0mg/L時(shí)分別投加1.5、1.7、1.8、1.9、2、2.3、2_5mL/L次氯酸鈉,模仿水中氨氮濃度為20.0mg/L時(shí)分別投加10、12、15、16、17、20、25mL/L次氣酸鈉,調(diào)查次氯酸鈉投加量對(duì)氨氮去除效果的影響。
②反響時(shí)間對(duì)氨氮去除效果的影響
配制5.0、10.0、20.0mg/L典型濃度的氨氮污染模仿水樣,不調(diào)理pH值,依照實(shí)驗(yàn)①肯定的最佳量投加次氯酸鈉,控制反響時(shí)間分別為10、20、30、40、60、90、120min,調(diào)查反響時(shí)間對(duì)氨氮去除效果的影響。
③pH值對(duì)氨氮去除效果的影響
仍選取以上3個(gè)典型濃度的氨氮污染模仿水樣,控制3個(gè)典型濃度下的最佳次氯酸鈉投量和最佳反響時(shí)間,調(diào)理反響pH值分別為5、6、7、8、9、10、11,調(diào)查pH值對(duì)氨氮去除效果的影響。
2.2 設(shè)備性能參數(shù)優(yōu)化
依據(jù)2.1節(jié)肯定的最佳工藝條件,選取應(yīng)急事情寸常見氨氮濃度(10.0mg/L),調(diào)查設(shè)備進(jìn)出水口高度、攪拌方式、攪拌時(shí)間、攪拌速度對(duì)氨氮去除效果的影響,由此優(yōu)化設(shè)備性能。
2.2.1 進(jìn)出水口高度對(duì)氨氮去除效果的影響
配制10.0mg/L典型濃度的氨氮污染模仿水樣,不調(diào)理pH值,投加1.9mL/L次氯酸鈉,依次選擇1、2、3、4、5號(hào)進(jìn)水口(分別距池底25、45、65、81、95cm),啟動(dòng)旋槳式機(jī)械攪拌機(jī)以60r/min攪拌5min,然后靜置40min,從3號(hào)出水口(距池底93cm)取水樣,過濾后檢測(cè)氨氮濃度,調(diào)查進(jìn)水口髙度對(duì)氨氮去除效果的影響。
同理,從上述最佳進(jìn)水口通入氨氮污染模仿水樣,分別選擇1、2、3號(hào)出水口(分別距池底16、57、93cm)取樣,過濾后檢測(cè)氨氮濃度,調(diào)查出水口高度對(duì)氨氮去除效果的影響。
2.2.2 攪拌方式對(duì)氨氮去除效果的影響
配制10.0mg/L典型濃度的氨氮污染模仿水樣,不調(diào)理pH值,投加1.9mL/L次氯酸鈉,選擇最佳進(jìn)水口通人模仿水樣,分別啟動(dòng)旋槳式機(jī)械攪拌機(jī)、潛水?dāng)嚢铏C(jī)或者不采用攪拌機(jī)而應(yīng)用水力攪拌混合,以60r/min攪拌或不攪拌,5min后靜置40min,選擇最佳出水口取水樣,過濾后檢測(cè)氨氮濃度,調(diào)查攪拌方式對(duì)氨氮去除效果的影響。
2.2.3 攪拌時(shí)間與速度對(duì)氨氮去除效果的影響
配制10.0mg/L典型濃度的氨氮污染模仿水樣,不調(diào)理pH值,投加1.9mL/L次氯酸鈉,選擇最佳進(jìn)水口通人模仿水樣,選擇最佳攪拌方式機(jī)械攪拌,以60r/min的速度分別攪拌30、60、120、180、300S,靜置40min,選擇最佳出水口取樣,過濾后檢測(cè)氨氮濃度,調(diào)查攪拌時(shí)間對(duì)氨氮去除效果的影響。
同理,選擇上述最佳攪拌時(shí)間,分別以60、75、90、105、120r/min的速度攪拌,經(jīng)同樣處置后檢測(cè)氨氮濃度,調(diào)查攪拌速度對(duì)氨氮去除效果的影響。
三、結(jié)果與討論
3.1 氨氮去除工藝
經(jīng)過正交實(shí)驗(yàn),次氯酸鈉氧化脫除氨氮的測(cè)定結(jié)果如表2所示??芍?,各要素對(duì)氨氮去除效果的影響排序?yàn)榘钡跏紳舛?/span>>反響時(shí)間>次氯酸鈉投加量>pH值。
3.1.1 次氯酸鈉投加量對(duì)氨氮去除效果的影響
實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)明,在室溫、不調(diào)理pH值、反響40min的條件下,氨氮去除率隨次氯酸鈉投加量的增加而快速提升。當(dāng)氨氮初始濃度為5.0mg/L、次氯酸鈉投加量為2.5mL/L時(shí),次氯酸鈉氧化對(duì)氨氮的去除率可到達(dá)99%以上,但投加1.7mL/L次氯酸鈉時(shí)氨氮濃度已降到1.0mg/L以下,綜合思索去除效果和運(yùn)轉(zhuǎn)本錢肯定次氯酸鈉最佳投加量為1.7mL/L。同樣可得,氨氮濃度超標(biāo)10倍時(shí)次氯酸鈉最佳投加量為1.9mL/L。此外,氨氮濃度超標(biāo)20倍時(shí),次氯酸鈉投加量越大,氨氮去除率越高,但在最高投藥量下反響40min仍缺乏以使氨氮濃度達(dá)標(biāo),因而將在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中綜合思索反響時(shí)間等要素尋覓該濃度下的最佳投藥量。
3.1.2 反響時(shí)間對(duì)氨氮去除效果的影響
在室溫,不調(diào)理pH值,對(duì)應(yīng)5.0、10.0、20.0mg/L初始氨氮濃度的次氯酸鈉投加量分別為1.7、1.9、15mL/L的條件下,3個(gè)典型濃度下氨氮去除率均大致隨反響時(shí)間的增加而上升,120min后去除率可到達(dá)90%左右。40min處是一個(gè)拐點(diǎn),10~40min內(nèi)氨氮去除率快速提升(見圖3),思索到應(yīng)急工程中要在最短時(shí)間內(nèi)到達(dá)出水水質(zhì)規(guī)范,因而肯定最佳反響時(shí)間為40min。
3.1.3 PH值對(duì)氨氮去除效果的影響
在室溫,對(duì)應(yīng)5.0、10.0、20.0mg/L初始氨氮濃度的次氯酸鈉投加量分別為1.7、1.9、15mL/L,反響40mm的條件下,3個(gè)典型濃度下氨氮去除率隨pH值的變化趨向分歧,大致表現(xiàn)為從酸性到中性逐步提升,然后從中性到堿性開端降低。pH值為7~9時(shí)氨氮去除率最高,該pH值范圍與測(cè)得的模仿水樣的pH值分歧,因而不調(diào)理PH值有利于氨氮的去除。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),在3個(gè)典型濃度下,氨氮去除率隨pH值變化動(dòng)搖幅度較小,這闡明pH值對(duì)氨氮去除效果的影響較小,實(shí)踐應(yīng)用中可不思索,與上述正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分歧。
3.2 設(shè)備性能參數(shù)優(yōu)化
3.2.1 進(jìn)出水口高度對(duì)氨氮去除效果的影響
在氨氮初始濃度為10.〇mg/L時(shí),依次選擇1、2、3、4、5號(hào)進(jìn)水口(分別距池底25、45、65、81、95cm)運(yùn)轉(zhuǎn)工藝(室溫、不調(diào)理pH值、次氯酸鈉投加量為1.9mL/L、攪拌速度為60r/min、反響40min,下同),反響后從3號(hào)出水口(距池底93cm)出水,實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)明從5號(hào)進(jìn)水口進(jìn)水時(shí)氨氮去除率最高,可到達(dá)92.88%??傮w上來看,從5個(gè)進(jìn)水口進(jìn)水時(shí)氨氮去除率動(dòng)搖范圍不大,闡明進(jìn)水口高度對(duì)氨氮去除效果的影響相對(duì)較小。但為完善工藝性能,倡議實(shí)踐工程中設(shè)計(jì)進(jìn)水口高度為水池有效深度的9/10。
從5號(hào)進(jìn)水口通人同樣濃度的模仿水樣,經(jīng)設(shè)備處置后分別從1、2、3號(hào)出水口取樣,測(cè)得從3號(hào)出水口出水時(shí)氨氮去除率要顯著低于1號(hào)和2號(hào),可能是攪拌機(jī)的裝置高度限制了底部出水口的混合效率。從2號(hào)出水口出水時(shí)氨氮去除率最高,到達(dá)92.77%,因而倡議設(shè)備出水口設(shè)計(jì)高度為水池有效深度的1/2。
3.2.2 攪拌方式對(duì)氨氮去除效果的影響
在氨氮初始濃度為10.0mg/L時(shí),從5號(hào)進(jìn)水口進(jìn)水,改動(dòng)不同的攪拌方式運(yùn)轉(zhuǎn)反響后從2號(hào)出水口出水,經(jīng)旋槳式機(jī)械攪拌機(jī)攪拌后氨氮去除率最高,可到達(dá)90.88%,潛水?dāng)嚢铏C(jī)的效果次之,去除率約為82.89%,而單純依托進(jìn)出水的水動(dòng)力攪拌時(shí)氨氮去除率遠(yuǎn)低于機(jī)械攪拌和潛水?dāng)埌?,并且在相同條件下達(dá)不到出水水質(zhì)請(qǐng)求。因而,倡議設(shè)備的攪拌工藝采用機(jī)械攪拌槳。
3.2.3 攪拌時(shí)間與速度對(duì)氨氮去除效果的影響
在上述同等工藝條件下,攪拌時(shí)間和速度對(duì)氨氮去除效果的影響較大,氨氮去除率均隨攪拌時(shí)間和速度的增加而提升,見圖4。
如圖4(a)所示,當(dāng)攪拌時(shí)間到達(dá)300s(即5min)時(shí)氨氮去除率最高可達(dá)90%以上,但攪拌180s(即3min)時(shí)已到達(dá)出水水質(zhì)請(qǐng)求,為節(jié)約本錢,選擇設(shè)備最佳攪拌時(shí)間為3min。如圖4(b)所示,攬拌速度越快則氨氮去除率越高,控制攪拌時(shí)間為3min,攪拌速度到達(dá)75r/min時(shí)出水水質(zhì)可達(dá)標(biāo),超越100r/min時(shí)氨氮去除率可到達(dá)90%以上。因而,倡議設(shè)備攪拌速度控制在75r/min以上。
3.3 補(bǔ)充與討論
3.3.1 關(guān)于折點(diǎn)加氯法與余氯處置
折點(diǎn)加氯法固然便利、高效,但也應(yīng)思索到出水中殘留的氯對(duì)河流中魚類具有較大的致死性,研討發(fā)現(xiàn)當(dāng)水中游離氯含量超越0.4mg/L時(shí),對(duì)魚類致死量較高。為考證該結(jié)論的牢靠性,本研討在氧化池出水中放養(yǎng)了10條羅非魚,5min內(nèi)全部死亡。因而,投加次氯酸鈉處置后的出水在排放前通常需求用雙氧水實(shí)施反氯化,以去除水中殘留的氯,最大水平降低死魚現(xiàn)象。后續(xù)實(shí)驗(yàn)初步研討了在保證投加足量的次氯酸鈉時(shí)雙氧水的投加量與反響時(shí)間對(duì)水中余氯的影響。
分別選擇超標(biāo)5、10、20倍濃度的氨氮模仿水樣實(shí)施實(shí)驗(yàn),通入各濃度下最佳量的次氯酸鈉,發(fā)現(xiàn)經(jīng)最佳工藝處置后,出水余氯濃度大致在5mg/L左右(實(shí)測(cè)5.3mg/L),因而本實(shí)驗(yàn)調(diào)查在該余氯濃度下雙氧水的投加狀況。在處置出水中分別投加8、10、15、20、25、30、35μL/L雙氧水,反響15、30、60min后快速測(cè)定出水中游離氯的濃度,結(jié)果如圖5所示。
由圖5可知,余氯濃度隨雙氧水投加量和反響時(shí)間的增加而減少。25μL/L是雙氧水投加量的拐點(diǎn),投加8~20μL/L雙氧水,余氯濃度開端逐步降低,當(dāng)投加25μL/L時(shí)余氯濃度急劇降落,反響30min后降到0.2mg/L以下,超越25μL/L時(shí)余氯濃度雖有所降低但停頓遲緩。去除余氯后再次在氧化池中放養(yǎng)10條羅非魚,24h內(nèi)僅有1條死亡。因而,倡議雙氧水最佳投量為25μL/L。
3.3.2 關(guān)于設(shè)備的完善晉級(jí)
處置流量(4m3/h)、攪拌槳裝置高度(距池底20cm)、槳葉方式(旋槳式兩葉槳)等參數(shù),也有很大可能影響設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效果,因而后續(xù)研討可改動(dòng)這些參數(shù),對(duì)設(shè)備性能進(jìn)一步完善晉級(jí)。
四、結(jié)論
①次氯酸鈉氧化脫除氨氮的影響要素排序?yàn)椋喊钡跏紳舛?/span>>反響時(shí)間>次氯酸鈉投加量>pH值。由于反響pH值對(duì)氨氮去除率的影響較低,實(shí)踐工程中可不作思索。典型濃度下應(yīng)急處置氨氮污染飲用水源的最佳工藝條件如下:在常規(guī)pH值條件下,水中氨氮濃度超標(biāo)5、10、20倍時(shí)分別投加次氯酸鈉1.7、1.9、15mL/L,反響40min,根本能使水中氨氮濃度降到地表水IE類規(guī)范限值1.0mg/L以下。
②化學(xué)氧化設(shè)備主體資料強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng),鋼管支架支撐性好,搭建靈敏、便當(dāng),設(shè)備整體上便利、可拆卸,滿足應(yīng)急處置設(shè)備的請(qǐng)求。倡議設(shè)置設(shè)備的有效處置水深為水池高度的4/5,進(jìn)水口設(shè)在水池有效深度的9/10處,出水口設(shè)在水池有效深度的1/2處,設(shè)備內(nèi)選用機(jī)械攪拌槳,攪拌速度不低于75r/min,攪拌時(shí)間不少于3min。
③雙氧水能有效降低水中余氯濃度,當(dāng)出水中余氯濃度約為5mg/L時(shí),投加25μL/L雙氧水、反響30min后余氯濃度能降到0.2mg/L以下,減輕對(duì)水生生物的危害。