生物鐵法處理高濃度氨氮生活污水效果研究

劉曉云　畢學(xué)軍

摘要：文章以高濃度氨氮生活污水為處理對象，通過對生物鐵法與常規(guī)活性污泥法處理效果的比較，得出了生物鐵法對高濃度氨氮生活污水在低溫狀態(tài)下有更佳的處理效果的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：生物鐵法；常規(guī)活性污泥法；高濃度氨氮生活污水；污水處理

中圖分類號：TU18文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-2374（2009）11-0101-02

本實(shí)驗(yàn)在青島團(tuán)島污水處理廠進(jìn)行，團(tuán)島污水處理廠位于青島市市南區(qū)，設(shè)計(jì)處理能力10萬噸/天，團(tuán)島污水處理廠所接納的污水80%以上為生活污水；20%左右的工業(yè)廢水主要為印染、食品加工廢水，現(xiàn)采用改良A²/O工藝及倒置A²/O工藝。常規(guī)工藝15℃以上氨氮處理效果較好，但當(dāng)反應(yīng)溫度降到13℃時(shí)，生物硝化效果開始明顯變差，系統(tǒng)容易出現(xiàn)污泥上浮現(xiàn)象，污泥沉降性能差，出水氮磷含量升高。冬季不得不采用增加水力停留時(shí)間和污泥齡等措施。效果并不顯著。

實(shí)驗(yàn)期間水質(zhì)如下所示：

水質(zhì)指標(biāo)范圍

CODcr（mg/L）400～600

BOD₅（mg/L） 200～400

NH₃-N（mg/L）80～130

TP（mg/L） 6～25

PO₄^3--P（mg/L）2.5～18

一、實(shí)驗(yàn)原理

（一）倒置A²/O工藝

隨著我國對排入水體的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的量要求越來越嚴(yán)格，近三十年來，我國引進(jìn)并開發(fā)出多種具有脫氮除磷功能的二級處理工藝，倒置A²/O工藝就是其中之一，已經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究取得了成功的經(jīng)驗(yàn)，它是在常規(guī)A²/O工藝基礎(chǔ)上停止內(nèi)回流，加大污泥回流比而發(fā)展起來的。與目前國際上最為先進(jìn)的A²/O、UCT（帶雙循環(huán)回路的除氮磷工藝）、VIP等工藝相比，倒置A²/O工藝創(chuàng)造性地將傳統(tǒng)生物脫氮除磷理論與工藝流程中的厭氧、缺氧環(huán)境倒置，形成了缺氧/厭氧/好氧的流程形式。就其工藝過程而言具有如下特點(diǎn)：

1．缺氧區(qū)位于系統(tǒng)首端，反硝化菌優(yōu)先獲得易降解有機(jī)物作為碳源，反硝化的碳源要求優(yōu)先獲得滿足，反硝化容量充分，強(qiáng)化了系統(tǒng)的脫氮能力，反硝化速率提高，并避免回流污泥攜帶的溶解氧與硝酸鹽對厭氧有效釋磷的影響。

2．由于采用于一個(gè)回流系統(tǒng)，使所有參與回流的污泥全部經(jīng)歷完整的厭氧釋磷和好氧吸磷過程，顯著提高了微生物的群體效應(yīng)，參與釋磷和吸磷過程的回流污泥量增加，而且聚磷菌微生物經(jīng)厭氧釋磷后直接進(jìn)入生化效率較高的好氧環(huán)境，其在厭氧條件下形成的吸磷動力可以得到充分的利用，故提高了系統(tǒng)的除磷能力。

3．通過縮短初沉停留時(shí)間或超越初沉池，為脫氮除磷提供更多的碳源，緩解碳源矛盾的同時(shí)，提高了生物處理系統(tǒng)的活性污泥濃度，強(qiáng)化了好氧區(qū)同步反硝化作用，不僅提高了處理系統(tǒng)的脫氮功能，而且為生物除磷創(chuàng)造了良好的條件，促進(jìn)處理系統(tǒng)的生物除磷能力的提高。

4．倒置A²/O工藝將傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝系統(tǒng)所必需的污泥回流外循環(huán)系統(tǒng)與混合液回流內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)（好氧混合液回流、缺氧混合液回流）合二為一構(gòu)成了唯一的污泥回流系統(tǒng)，使工藝流程簡單化，系統(tǒng)運(yùn)行變得更為穩(wěn)定，不僅可以節(jié)省建設(shè)或改造投資，而且可以降低運(yùn)行費(fèi)用。

（二）生物鐵法

生物鐵法是向曝氣池內(nèi)或進(jìn)水中投加鐵鹽。以提高普通活性污泥法處理廢水的效能，強(qiáng)化和擴(kuò)大活性污泥法凈化功能的方法。

生物鐵法技術(shù)原理基于：（1）利用鐵的物理、化學(xué)性質(zhì)以及鐵與生物的共同效應(yīng)，使微生物絮體和Fe（OH）₃絮體協(xié)同凝聚，形成了絮體粗大、結(jié)構(gòu)緊密的團(tuán)狀活性污泥，具有良好吸附絮凝作用，可以進(jìn)一步提高處理效率；（2）從生物角度來看，鐵是生物氧化酶系中細(xì)胞色素的重要組成部分，在生物氧化中通過Fe³⁺、Fe²⁺氧化還原反應(yīng)進(jìn)行電子傳遞作用對生物氧化和生物絮凝作用起了很大的促進(jìn)作用；（3）鐵是活潑金屬，在酸性條件下，它的還原能力能使某些有機(jī)物被還原為還原態(tài)。另外鐵在酸性水溶液中生成的Fe 2+能使偶氮型染料的發(fā)色基還原降解。生物鐵法能獲得較好去除效果，原因可能是多種因素綜合作用的結(jié)果，生物鐵反應(yīng)器由于鐵溶出及最終Fe（OH）₃絮體和生物鐵活性污泥的形成，導(dǎo)致生物鐵反應(yīng)器活性污泥懸浮固體量及密度增加，使得污泥在密度較大的高鹽分廢水中亦易于沉淀，出水懸浮物減少；同時(shí)鐵的還原脫氯作用，提高了廢水的可生化性；且鐵是生物氧化酶系中細(xì)胞色素的重要部分，通過Fe→Fe2+ →Fe³⁺氧化還原反應(yīng)起著電子傳遞作用，有利于微生物的新陳代謝；另外，鐵離子對鈉離子具有拮抗作用，鐵離子的加入會減輕鈉離子對生物處理過程的抑制作用。

生物鐵污泥的制?。?/p>

2FeCl₃+3Na₂CO₃+3H₂O→2Fe（OH）₃+6NaCl+6CO₂

然后用清水反復(fù)沖洗幾次，排掉氯化鈉溶液，最后將氫氧化鐵絮狀物直接投加到曝氣池中。

在生物鐵法的運(yùn)轉(zhuǎn)中，將活性污泥中鐵的含量控制為1%～10%，鐵鹽的初始投加量應(yīng)能滿足活性污泥開始培養(yǎng)時(shí)，就應(yīng)有一定的含鐵量，使微生物在富鐵環(huán)境下有一個(gè)較大的增長。鐵鹽的初始投加量，可按下式進(jìn)行估算（以投加三氯化鐵計(jì)）：

G=VMC162/56

G——三氯化鐵初始投加量（kg）；

V——池有效容積（m3）；

M——曝氣池原有活性污泥濃度（g/L，kg/m3）；

C——活性污泥中開始控制的含鐵量，不應(yīng)小于1%；

162——三氯化鐵分子量；

56——鐵的原子量。

生物鐵的運(yùn)行管理：為了補(bǔ)充處理過程中隨剩余污泥排放而流失的鐵，在正常運(yùn)行時(shí)需要在進(jìn)水中連續(xù)投加三氯化鐵。其投加鐵（Fe₃+）量按進(jìn)水量1～10mg/L計(jì)算。正常運(yùn)行時(shí)，控制污泥含鐵量不低于3%，以保證生物鐵法穩(wěn)定運(yùn)行。

二、實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)分析

建立兩套倒置A²/O小試系統(tǒng)，穩(wěn)定運(yùn)行兩周后，對其中一小試進(jìn)行生物鐵的培養(yǎng)，培養(yǎng)成熟后，進(jìn)行常溫實(shí)驗(yàn)和低溫實(shí)驗(yàn)，水力停留時(shí)間、污泥齡、回流比都控制在12h、16d、200%。取團(tuán)島污水處理廠曝氣沉砂池出水作為原水。

起始污泥濃度為4000mg/L，培養(yǎng)成功顯示為污泥各項(xiàng)指標(biāo)基本趨于穩(wěn)定，形成顆粒較大，結(jié)構(gòu)緊密的團(tuán)狀污泥時(shí)，污泥濃度因鐵的投加增加到6000 mg/L后趨于穩(wěn)定，對照系統(tǒng)培養(yǎng)后增加到4500 mg/L趨于穩(wěn)定。

（一）常溫下生物鐵、倒置A²/O的對比實(shí)驗(yàn)

生物鐵控制污泥含鐵3%（每天補(bǔ)充Fe₃+2mg/L）的對比實(shí)驗(yàn)。研究兩系統(tǒng)對有機(jī)物CODcr及NH3-N的去除效果差別。

該工況（9月初～9月下旬）污水廠進(jìn)水水質(zhì)情況較穩(wěn)定，進(jìn)水CODcr平均為553.2 mg/L，NH3-N平均為101mg/L，水溫24度左右，生物鐵系統(tǒng)及倒置A²/O系統(tǒng)的MLSS分別為6000mg/L，4500mg/L，S、V分別為26、40。（1）對于CODcr而言，生物鐵工藝出水為53mg/L，倒置工藝A²/O出水為55.8mg/L，生物鐵工藝比倒置工藝CODcr去除率提高0.5%左右；（2）對于NH3-N而言，生物鐵工藝出水為1.98mg/L，倒置工藝A²/O出水為6.31mg/L，生物鐵工藝比倒置A²/O提高4%左右。生物鐵工藝在CODcr，NH3-N的去除效果上較優(yōu)于倒置A²/O工藝。

（二）低溫下生物鐵、倒置A²/O的對比實(shí)驗(yàn)

低溫條件下，生物鐵控制污泥含鐵3%（每天補(bǔ)充Fe³⁺2mg/L）的對比實(shí)驗(yàn)。研究兩系統(tǒng)對有機(jī)物CODcr及NH₃-N的去除效果差別。

該工況（10月下旬～11月下旬）污水廠進(jìn)水水質(zhì)情況較穩(wěn)定，進(jìn)水CODcr平均為510 mg/L，NH₃-N平均為96mg/L，水溫13℃～15℃，生物鐵系統(tǒng)及倒置A²/O系統(tǒng)的MLSS分別為5900mg/L，5000mg/L，S、V分別為65、80。（1）對于CODcr而言，生物鐵工藝出水為54mg/L，倒置工藝A²/O出水為61mg/L，生物鐵工藝比倒置工藝CODcr去除率提高1.4%左右；（2）對于NH₃-N而言，生物鐵工藝出水為2.22mg/L，倒置工藝A²/O出水為25mg/L，生物鐵工藝比倒置A²/O提高23%左右。低溫條件下生物鐵工藝在CODcr，去除效果上較優(yōu)于倒置A²/O工藝，NH₃-N的去除效果要優(yōu)于倒置A²/O工藝。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1．通過上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，（1）對于CODcr而言，常溫及低溫條件下生物鐵工藝稍優(yōu)于倒置A²/O工藝；（2）對于NH₃-N而言，常溫條件下生物鐵工藝與倒置A²/O工藝去除效果相差不大，但在低溫條件（13℃～15℃）下，生物鐵工藝要明顯優(yōu)于倒置A²/O工藝，去除率要提高23%左右。

2．本實(shí)驗(yàn)的生物鐵法活性污泥鐵含量為3%，補(bǔ)充鐵為2mg/L，以提高曝氣池污泥濃度增強(qiáng)污泥性能為主，充分發(fā)揮生物絮凝和生物氧化的作用，從而達(dá)到提高處理效率和出水水質(zhì)的目的。鐵與微生物結(jié)合生成比重大、SVI低、絮凝沉降性能和壓實(shí)性能良好的生物鐵污泥絮體，能避免污泥隨出水流失，有助于提高污泥濃度，改善污泥沉降性能，對保持較強(qiáng)的微生物降解能力也起到了十分重要的作用。

3．將普通的活性污泥法工藝流程改造為生物鐵法流程十分簡單，除了開始培養(yǎng)化生物鐵絮體時(shí)需一次投加一定量的三價(jià)鐵鹽外，正常運(yùn)行只需補(bǔ)充排放剩余污泥時(shí)帶走的鐵，其他方面與原有工藝完全相同。

4．生物鐵法能維持較高的生物量，污泥濃度比一般污泥法高，在同樣的水質(zhì)情況下，生物鐵法污泥所承受的污泥負(fù)荷低一些，因而處理效果優(yōu)于普通活性污泥法，且更能承受有機(jī)負(fù)荷的沖擊。

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作者簡介：劉曉云（1978－），女，山東萊蕪人，青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院研究生，研究方向：水污染控制。