FeSO₄應用于SBBF強化除磷

季斌 朱雷 陳威 王健 楊開

摘要：序批式生物膜濾池（SBBF）是基于序批式生物膜法的改進污水處理新型工藝，針對SBBF處理城市污水的除磷的效果較差的弊端，通過直接投加FeSO4 7H2O到反應體系實現(xiàn)協(xié)同除磷，使得該工藝能夠較好地應用于污水脫氮除磷。Fe（Ⅱ）的投加量從0.03～0.3 mM進行協(xié)同除磷試驗，結果表明0.2 mM的Fe（Ⅱ）投加可為有效投加量。進一步將0.2 mM的Fe（Ⅱ）在進水階段后投加到反應體系，穩(wěn)定運行1個月，發(fā)現(xiàn)出水的TP穩(wěn)定保持在0.5 mg/L以下，而COD和氮的去除基本不受影響。COD、NH+4-N、TN和TP的平均去除率分別為84.9%、83.2%、46.3%和88.2%。反應器出水的各項指標均穩(wěn)定達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A排放標準。

關鍵詞：序批式生物膜濾池；協(xié)同除磷；混凝劑；城市污水

中圖分類號：X703

文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2016）03-0053-05

Abstract： A sequencing batch biofilm filter was a novel technology based on SBBR. As the sequencing batch biofilm filter was not efficient for phosphorus removal in the treatment of domestic sewage， FeSO4 7H2O was added to the SBBF in order to achieve chemical aided biological phosphorus removal， which was meaningful for nitrogen and phosphorus removal in wastewater treatment. When concentrations of Fe（Ⅱ）varied from 0.03 to 0.3 mM， it indicated that 0.2 mM Fe（Ⅱ） might be a proper dosage. When 0.2 mM Fe（Ⅱ）was added to the bioreactor at the end of influent phase for one month， the effluent TP remained stable at below 0.5 mg/L， and the removal of COD and nitrogen were not affected. The average removal efficiencies of COD、NH+4-N、TN and TP were 84.9%、83.2%、46.3% and 88.2%， respectively. The parameters of reactor effluent were stable to achieve the A standard “discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant （GB 18918—2002）”.

Keywords：sequencing batch biofilm filter； chemical aided biological phosphorus removal； coagulant； domestic sewage

序批式生物膜濾池（sequencing batch biofilm filter）是序批式生物膜法和生物濾池的有效結合，通過接觸氧化和過濾作用從而達到去除污染物的目的[1-2]。之前的研究表明[3]，序批式生物膜濾池通過同步硝化反硝化作用脫氮的效果較好， 由于大量的異養(yǎng)微生物的生長代謝可獲得較高的有機物的去除率。但是SBBF通過反硝化除磷作用和反沖洗過程排泥而達到除磷的效果，出水的TP的濃度基本上達不到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中一級A標準的要求[1-2， 4]。膜法除磷主要是依靠生物膜的脫落，然后排放到反應系統(tǒng)外來達到除磷目的[5]，較長的SRT也不利于生物除磷。

化學除磷是利用化學藥劑將水中溶解性的磷變?yōu)榉侨芙庑缘牧?，而化學協(xié)同除磷是將化學混凝劑直接投加在生物反應池中[6]，使溶解性有機磷由水中析出而沉淀或過濾分離[7]，是一種簡單有效的強化除磷的方法。這就需要采用化學協(xié)同除磷的方法來進一步提高SBBF對磷的去除作用。鐵鹽和鋁鹽被廣泛運用于強化反應器磷的去除[8-11]，由于鐵鹽比鋁鹽對微生物毒性更小，且硫酸亞鐵價格相對低廉，本研究采用FeSO4 7H2O對SBBF進行強化協(xié)同除磷，旨在探索其投加方式，投加量及對污染物去除效果的研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

SBBF裝置見圖1所示。反應器采用有機玻璃制造，有效高度3.5 m，內徑0.235 m。底部為0.5 m集水區(qū)，在集水區(qū)上面是具有曝氣盤和長柄濾頭，其中，曝氣盤上開有數(shù)十個0.9 mm直徑的曝氣孔，曝氣盤上面依次是1.1 m的無煙煤濾料（直徑1～2 mm，真實密度1 500 kg/m3）和1.7 m的高分子復合物生物帶填料（4 mm厚，40 mm寬，真實密度800 kg/m3，30 000 m2/m3的比表面積），進水口在填料的上部，每周期處理的水量通過浮球閥進行自動控制（H1-H2）。

通過控制柜來自動控制裝置運行，反應器裝置的運行方式為間歇進水，間歇出水。原水通過管道進水泵到反應器，混合靜置30 min，曝氣70 min 沉淀10 min，靜置過濾出水從而進入下一個周期。出水的初始濾速控制在5 m/h左右，控制氣閥使得水中DO保持在2～3 mg/L，通過控制每周期的水量使得HRT為10 h，通過反沖洗排泥使SRT控制在60 d左右。

1.2 投藥方案

在最佳工藝參數(shù)條件下，SBBF對有機物和氮素的去除效果很高，但對磷的去除效果的欠缺，將FeSO4 7H2O用10 mL純水溶解后，在進水階段結束后的3 min內，直接投加到反應器，在得出最佳投藥量之后，試驗一個月。選擇每日正午的進水和出水來測定氮磷和COD等指標。由于混凝劑的投加使得反應器的產泥量增多，SBBF的反沖洗周期從5 d左右減少到3 d左右。

1.3 試驗水質及方法

以武漢市二郎廟污水處理廠的沉砂池出水為試驗用水，具體水質指標如表1。COD、NH+4-N、TN和TP的測定分別采用標準方法即重鉻酸鉀法、納氏試劑分光光度法、堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法，水溫和DO采用YSI52數(shù)字式溶解氧測量儀測定。

2 結果與討論

FeSO4 7H2O的投加量從0.03～0.3 mM，取樣并測定各項水常規(guī)指標。FeSO4 7H2O投加量如表2所示，圖2為不同濃度FeSO4 7H2O投加量下進水和出水的總磷濃度。由圖2可知，當FeSO4 7H2O達到0.2 mM及以上的時候，出水總磷均在0.5 mg/L以下，綜合考慮污染物去除效果和經濟因素，F(xiàn)eSO4 7H2O的投加量確定為0.2 mM。

由圖3～6可知，反應器1個月的進水總磷范圍為1.4～6.8 mg/L，出水TP均保持在0.5 mg/L以下，其他指標TN、NH+4-N和COD均能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準。COD、NH+4-N、TN和TP的平均去除率分別為84.9%、83.2%、46.3%和88.2%。因此，進水階段末向反應器里面投加0.2 mM FeSO4 7H2O（55.6 mg/L FeSO4 7H2O或30.4 mg/L FeSO4）可以實現(xiàn)同步化學生物耦合除磷。另外投加的亞鐵離子可為微生物反硝化作用提供電子，即可形成鐵自養(yǎng)反硝化作用，從而提高反應器脫氮的效果。

鐵鹽的水解產物對磷酸根的吸附通過電中和、吸附架橋及絮體的卷掃作用使膠體凝聚沉淀。關于利用鐵鹽進行強化脫氮除磷的報告也有。用硫酸亞鐵（Fe∶P =2.1∶1， 摩爾比） 可使出水的TP在0.5～1.0 mg/L變化[12]。投加氯化鐵（Fe∶P = （1.5～2.3）∶1， 摩爾比） 到一個生物曝氣池可以獲得超過90%的TP去除[8]。盡管AOB的活性可能受到含鐵產物的影響，F(xiàn)e2+或Fe3+的投加（0.446 mM）不影響實驗室規(guī)模的反應器NH+4-N 的去除率[13]。也有報道FeSO4·7H2O投加到一個實驗室規(guī)模的A/O反應器對總氮的去除率沒有影響（78%到85%） [12]。說明亞鐵鹽應用于SBBF強化協(xié)同除磷是可行的。

盡管反滲透和電滲析等物化手段除磷效率較高，但目前為止成本很高。強化生物除磷（EBPR）的除磷是利用PAOs在厭氧好氧或者厭氧缺氧的環(huán)境下運行從而過量攝取磷，達到除磷的目的，但條件要求高且很難穩(wěn)定。將無機的混凝劑直接投加到生物反應體系是一種簡單有效的強化除磷的方法。投加過量金屬鹽會對生物處理系統(tǒng)中的微生物造成毒害作用[14]，從而影響生物處理系統(tǒng)的正常運行。亞鐵鹽的投加從某種程度上會影響到生物除磷，這是因為磷酸鐵對鉀離子的競爭吸附作用[15]。盡管混凝劑的投加可使得反應體系的產泥量增多[16]，通過投加0.2 mM的亞鐵鹽使得后SBBF的出水COD、TN、NH+4-N和TP的濃度均穩(wěn)定達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A 標準，使得SBBF在處理低碳氮比的城市污水上有實用價值的可能。今后的研究可進一步將SBBF進行生產性試驗，對反應系統(tǒng)的微生物生態(tài)學特性進行研究，揭示鐵元素作用下系統(tǒng)的功能菌群結構。另外，由于亞鐵鹽的投加使得系統(tǒng)產泥量增多，必須從協(xié)同除磷的污泥中進一步分離鐵和磷，從而達到污染物回收利用的目的。

3 結 論

1）針對SBBF除磷效果差的特點，成功運用硫酸亞鐵直接投加到反應體系進行強化脫氮除磷。

2）硫酸亞鐵的用量為0.2 mM，可使得SBBF出水的TP在0.5 mg/L以下，而有機物和氮的去除基本不受影響。

3）將0.2 mM 的FeSO4 7H2O投加到SBBF穩(wěn)定運行1個月，COD、NH+4-N、TN和TP的平均去除率分別為84.9%、83.2%、46.3%和88.2%，均能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準。

參考文獻：

[1] 楊開， 楊小俊， 李振華，等. 接觸氧化過濾一體化生物反應器處理城市污水[J].環(huán)境科學， 2009， 30（12）：3596-3601.

YANG K， YANG X J， LI Z H， et al. Municipal wastewater treatment by integrated bioreactor of contact oxidation and filtration seperation[J]. Environmental Science， 2009， 30（12）：3596-3601.（in Chinese）

[2] JI B， WEI L， CHEN D， et al. Domestic wastewater treatment in a novel sequencing batch biofilm filter [J]. Appl Microbiol Biotechnol， 2015， 99（13）： 5731-5738.

[3] CHOI H， LEE S， CHOI C， et al. Influence of the wastewater composition on denitrification and biological p-removal in the S-DN-P-process： Effect of acetate[J]. Journal of Hazardous Materials， 2008， 158（1）： 151-156.

[4] 郝學凱，楊墨，周航，等. 基于優(yōu)勢工程菌構建的組合填料SBBR法研究[J]. 中國給水排水， 2014， 30（7）： 18-20.

HAO X K， YANG M， ZHOU H， et al， Build-up of SBBR packed with combined media based on dominant engineering bacteria[J]. China Water and Wastewater，2014， 30（7）： 18-20. （in Chinese）

[5] YANG X， SONG H， CHEN M， et al. Characterizing membrane foulants in MBR with addition of polyferric chloride to enhance phosphorus removal[J]. Bioresource Technology， 2011， 102（20）： 9490-9496.

[6] LIU Y， SHI H， LI W， et al. Inhibition of chemical dose in biological phosphorus and nitrogen removal in simultaneous chemical precipitation for phosphorus removal [J]. Bioresource Technology， 2011， 102（5）： 4008-4012.

[7] 劉真，周長波，莫文婷，等. 化學輔助除磷機理研究[J]. 華中科技大學學報（自然科學版）， 2015， 43（1）： 91-95.

LIU Z， ZHOU C B， MO W T， et al. Mechanism research of auxiliary chemical phosphorus removal [J]. Journal Huazhong University of Science & Technology （Natural Science Edition）. 2015， 43（1）： 91-95.（in Chinese）

[8] GREGORIO C D， CARAVELLI A H， ZARITZKY N E. Performance and biological indicators of a laboratory-scale activated sludge reactor with phosphate simultaneous precipitation as affected by ferric chloride addition [J]. Chemical Engineering Journal， 2010， 165（2）： 607-616.

[9] VALVE M， RANTANEN P， KALLIO J. Enhancing biological phosphorus removal from municipal wastewater with partial simultaneous precipitation [J]. Water Science and Technology， 2002， 46（4/5）： 249-255.

[10] WANG X J， XIA S Q， CHEN L， et al. Nutrients removal from municipal wastewater by chemical precipitation in a moving bed biofilm reactor[J]. Process Biochemistry， 2006， 41（4）： 824-828.

[11] ZAHID W M， El-SHAFAI S A. Impacts of alum addition on the treatment efficiency of cloth-media MBR[J]. Desalination， 2012， 301： 53-58.

[12] BANU J R， DO K， YEOM I. Effect of ferrous sulphate on nitrification during simultaneous phosphorus removal from domestic wastewater using a laboratory scale anoxic/oxic reactor[J]. World Journal of Microbiology and Biotechnology， 2008， 24（12）： 2981-2986.

[13] OIKONOMIDIS I， BURROWS L J， CARLIELL-MARQUET C M. Mode of action of ferric and ferrous iron salts in activated sludge[J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology， 2010， 85（8）： 1067-1076.

[14] SONDHI A， GUHA S， HARENDRANATH C S， et al. Effect of aluminum （Al3+） on granulation in upflow anaerobic sludge blanket reactor treating low-strength synthetic wastewater[J]. Water Environment Research. 2010， 82（8）： 715-724.

[15] 樊杰，萬徐，張瓔. 磷酸鐵沉淀對生物除磷所需鉀離子的吸附競爭[J]. 環(huán)境科學與技術， 2014， 37（4）： 57-61.

FAN J， WAN X， ZHANG Y. Competitive potassium adsorptions of ferric phosphate precipitation in activated sludge[J]. Environmental Science & Technology. 2014， 37（4）： 57-61. （in Chinese）

[16] JI B， YANG K， WANG H. Impacts of poly-aluminum chloride addition on activated sludge and the treatment efficiency of SBR[J]. Desalination and Water Treatment， 2015， 54（9）： 2376-2381.

（編輯 胡 玲）