磁微濾膜法高效脫氮除磷技術(shù)的試驗(yàn)研究

王余 王琦 方國鋒 孫震 趙云松

摘 要：通過對磁微濾膜法高效脫氮除磷技術(shù)的試驗(yàn)研究，對比研究了工藝流程1“微磁絮凝反應(yīng)系統(tǒng)-磁微濾分離系統(tǒng)-Bio-O好氧池”與工藝流程2“Bio-O好氧池-微磁絮凝反應(yīng)系統(tǒng)-磁微濾分離系統(tǒng)”的脫氮除磷效果。考察生化工藝（Bio-O好氧池）的除磷能力，以及對物化工藝（磁微濾）加藥量的影響。結(jié)果表明，磁微濾分離系統(tǒng)對總磷去除率平均為94%，Bio-O好氧池對氨氮的去除率＞90%，硝化負(fù)荷最高可達(dá)0.33 kgNH3-N/m3/d。工藝流程2中，生化工藝在前，Bio-O的生物除磷作用不僅減少了后段磁微濾工藝的加藥量，藥劑投加量上可節(jié)約40%，還有利于提高磁微濾膜法整體工藝的穩(wěn)定性，系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷更高。綜合考慮，工藝流程2更適用于污水脫氮除磷，在減少物化加藥量的同時(shí)，可保證出水總磷及懸浮物穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

關(guān)鍵詞：脫氮除磷；磁微濾；硝化負(fù)荷；試驗(yàn)

中圖分類號：X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-9655（2023）01-0-06

0 引言

近年來，隨著國家對城鎮(zhèn)污水處理工作的高度重視，對污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)要求越來越嚴(yán)格，在總磷、氨氮排放標(biāo)準(zhǔn)上，眾多污水處理項(xiàng)目對出水的要求已由《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A（0.5 mg/L、5 mg/L）提升至《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類（0.3 mg/L、1.5 mg/L）[1]。我國城市污水普遍存在有機(jī)物含量偏低，而氮、磷含量相對較高的現(xiàn)象，導(dǎo)致傳統(tǒng)生物脫氮除磷效果不穩(wěn)定。生物脫氮除磷方法主要利用活性污泥不斷經(jīng)過厭氧區(qū)磷釋放和好氧區(qū)磷吸收，以及好氧硝化和缺氧反硝化段達(dá)到同步脫氮除磷效果，主要包括A2/O工藝、UCT工藝、改良Bardenpho工藝以及SBR工藝等[2]。隨著環(huán)境水體水質(zhì)的富營養(yǎng)化不斷加劇，傳統(tǒng)的活性污泥法在除磷方面效果有限。例如A2O工藝中，污泥在厭氧、缺氧、好氧環(huán)境中交替運(yùn)行，由于污泥泥齡矛盾問題，以及回流污泥中夾帶的溶解氧和硝酸態(tài)氧的影響，造成系統(tǒng)在一定程度上犧牲除磷效率，導(dǎo)致除磷效果不穩(wěn)定，出水不達(dá)標(biāo)等問題[3]。

采用生物除磷已不能滿足目前對出水總磷的需求，常以化學(xué)除磷作為生物除磷的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)污水深度除磷和氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放的目的[4]?；瘜W(xué)除磷主要采用混凝沉淀法除磷，基本原理是通過向污水中投加化學(xué)藥劑，例如鋁鹽和鐵鹽，均可與污水中的磷反應(yīng)生成不溶性的磷酸鹽，再通過固液分離將磷從污水中除去[5]?；钚晕勰喾ㄅc混凝沉淀法相結(jié)合可在一定程度上保證脫氮除磷效果，但該組合工藝占地面積大，停留時(shí)間長，混凝沉淀負(fù)荷低，工藝運(yùn)行復(fù)雜，藥劑成本高。

生物膜法是一種高效的生物處理方法，微生物附著生長在填料表面上形成生物膜，污水與生物膜接觸后，污染物被微生物吸收轉(zhuǎn)化，污水得到凈化[6]。在好氧環(huán)境下，向生物膜上的微生物提供充足的溶解氧和豐富的有機(jī)物，在微生物的作用下，有機(jī)物被降解，氨氮被氧化去除[7]。磁混凝作為具有高效分離和凈化效果的化學(xué)除磷方法，在污水深度除磷中逐漸被廣泛關(guān)注。通過在傳統(tǒng)混凝反應(yīng)中添加磁性介質(zhì)，利用磁粉密度大的特性，高效快速地沉淀絮凝團(tuán)，實(shí)現(xiàn)固液分離，將總磷、懸浮物質(zhì)去除，從而達(dá)到污水處理的目的[8，9]。

磁性介質(zhì)的添加，可有效增加混凝沉淀的速度，縮短工藝停留時(shí)間，且固液分離更徹底，保證出水總磷和懸浮物有效去除。在運(yùn)行成本方面，傳統(tǒng)混凝沉淀雖無需投加磁性介質(zhì)，但由于混凝沉淀效果有限，容易受到進(jìn)水水質(zhì)、水量波動(dòng)的影響，絮體較松散，導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定。在實(shí)際運(yùn)行過程中，為保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，一般需加大混凝藥劑（PAC）投加量，不僅增加了藥劑成本，也增加了污泥產(chǎn)量。而磁性介質(zhì)可通過專業(yè)設(shè)備將磁粉從污泥中分離回收，從而達(dá)到磁粉的循環(huán)利用和更加環(huán)保節(jié)能[10，11]。

本文提出的磁微濾膜法脫氮除磷工藝，是將磁混凝工藝與生物膜工藝高效結(jié)合的一種脫氮除磷工藝。其中磁微濾屬于磁混凝工藝，其原理是在污水中投加磁性介質(zhì)，在混凝劑的作用下，與污水中的污染物結(jié)合形成磁性絮團(tuán)，含有磁性絮團(tuán)的污水流經(jīng)磁微濾主機(jī)時(shí)，通過高強(qiáng)度磁場環(huán)對磁性絮團(tuán)的吸附實(shí)現(xiàn)污染物的分離和水體凈化。生物膜工藝為Bio-O好氧池，采用三維膜介質(zhì)生物填料做載體，通過特殊設(shè)計(jì)的配水系統(tǒng)使污水進(jìn)入反應(yīng)池，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，微生物附著在填料表面形成生物膜，污水與生物膜接觸后，污染物被吸收轉(zhuǎn)化，以及填料的截留過濾作用，使得污水得到凈化。磁微濾膜法在實(shí)際應(yīng)用中，也會(huì)涉及加藥量及處理效果等問題，本文針對磁微濾膜法這種組合工藝，對比研究了兩種工藝流程的污染去除效果、加藥量等因素，考察生物膜工藝（Bio-O）前置的生物除磷能力以及對后端磁微濾混凝加藥量的影響，為磁微濾膜法高效脫氮除磷技術(shù)在工程應(yīng)用中提供借鑒和參考，為節(jié)約污水處理成本降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗提供新思路。

1 試驗(yàn)方案

1. 1 試驗(yàn)進(jìn)出水水質(zhì)

本試驗(yàn)點(diǎn)位于合肥市肥東縣蘆柴河污水處理站點(diǎn)，涉及進(jìn)水水源為蘆柴河周邊生活污水，從河道箱涵排口處設(shè)置提升，進(jìn)入磁微濾膜法高效脫氮除磷系統(tǒng)。設(shè)計(jì)進(jìn)水量為2000 m3/d，進(jìn)水水質(zhì)中的污染物主要包含氨氮、總磷、化學(xué)需氧量，污染物進(jìn)水濃度分別為：化學(xué)需氧量≤150 mg/L、總磷≤3 mg/L、氨氮≤25 mg/L。

站點(diǎn)出水水質(zhì)指標(biāo)要求達(dá)到或優(yōu)于《GB 3838-2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類水要求，即氨氮<1.5 mg/L、總磷<0.3 mg/L、化學(xué)需氧量<30 mg/L。

1. 2 試驗(yàn)工藝流程

為實(shí)現(xiàn)該水源脫氮除磷的要求，選擇磁微濾生物膜法工藝流程，進(jìn)行了2組不同工藝流程的對比研究，以系統(tǒng)科學(xué)地開展工藝適應(yīng)性研究，試驗(yàn)工藝流程如圖1、圖2所示。

工藝流程1：污水經(jīng)過提升系統(tǒng)先進(jìn)入磁微濾系統(tǒng)，通過加藥系統(tǒng)在微磁絮凝反應(yīng)系統(tǒng)中完成混凝反應(yīng)，在磁微濾分離系統(tǒng)中完成固液分離，實(shí)現(xiàn)總磷和非溶性有機(jī)物的去除，由此完成物化處理階段。隨后進(jìn)入生化處理階段（Bio-O好氧池），通過鼓風(fēng)機(jī)曝氣，實(shí)現(xiàn)在好氧環(huán)境下，去除氨氮以及有機(jī)物，最后出水達(dá)標(biāo)排放。

工藝流程2：污水經(jīng)過提升系統(tǒng)先進(jìn)入Bio-O好氧池，通過鼓風(fēng)機(jī)曝氣，實(shí)現(xiàn)在好氧環(huán)境下，去除氨氮、有機(jī)物以及一部分總磷，由此完成生化處理階段。隨后進(jìn)入物化處理階段，通過加藥系統(tǒng)在微磁絮凝反應(yīng)系統(tǒng)中完成混凝反應(yīng)，在磁微濾分離系統(tǒng)中完成固液分離，實(shí)現(xiàn)剩余部分的總磷和非溶性有機(jī)物的去除，最后出水達(dá)標(biāo)排放。

1. 3 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行參數(shù)

本次試驗(yàn)研究運(yùn)行時(shí)間段為2021年6月—12月，各工藝單元的規(guī)格及運(yùn)行參數(shù)如下：

提升系統(tǒng)：設(shè)計(jì)流量為83 m3/h，提升系統(tǒng)配有格柵，截留污水中粗大漂浮物和懸浮物。

Bio-O好氧池：采用三維膜介質(zhì)生物填料為載體，填料內(nèi)附著生長的生物膜，在好氧環(huán)境下，污水與生物膜接觸后，污染物被微生物吸收轉(zhuǎn)化，以及填料的物理截留過濾作用，使得污水得到凈化。設(shè)計(jì)停留時(shí)間為1.5～2 h，單個(gè)箱體規(guī)格為L 3.2 m×W 3.2 m×H 5.5 m。

微磁絮凝反應(yīng)系統(tǒng)：選取聚合氯化鋁（PAC）作為混凝劑，選取聚丙烯酰胺（PAM）作為絮凝劑，選取325目磁粉輔助混凝。設(shè)計(jì)PAC投加量為30～50 mg/L，磁粉補(bǔ)充投加量為1～1.5 mg/L，PAM投加量為2 mg/L。

1. 4 分析指標(biāo)及檢測方法

（1）根據(jù)進(jìn)水水量的波動(dòng)，控制Bio-O好氧池的水力停留時(shí)間為1.5～2 h。針對工藝流程1，檢測磁微濾進(jìn)出水總磷指標(biāo)并記錄計(jì)算加藥量，Bio-O好氧池進(jìn)出水氨氮指標(biāo)。針對工藝流程2，檢測Bio-O進(jìn)出水總磷、氨氮指標(biāo)，檢測磁微濾進(jìn)出水總磷指標(biāo)并記錄計(jì)算加藥量。

（2）主要分析指標(biāo)為總磷和氨氮，總磷采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893-89）檢測，氨氮采用納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009）檢測。

2 結(jié)果分析

2. 1 不同工藝流程對總磷的去除效果試驗(yàn)研究

2. 1. 1 工藝流程1

工藝流程1中采用磁微濾工藝段在前、Bio-O好氧池在后的處理方式，針對總磷污染指標(biāo)的去除效果如圖4。磁微濾進(jìn)水總磷濃度在1.05～3.11 mg/L，平均為2.07 mg/L。磁微濾出水總磷在0.028～0.26 mg/L，平均為0.10 mg/L，可達(dá)到出水要求。工藝流程1中的微磁絮凝反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)，通過聚合氯化鋁（PAC）混凝劑的作用，鋁離子與磷酸鹽快速結(jié)合形成低溶解度、極細(xì)小晶狀體的磷酸鋁化合物，同時(shí)鋁離子水解生成氫氧化鋁沉淀，懸浮態(tài)的總磷和可溶態(tài)的正磷酸鹽在混凝作用下凝聚，懸浮膠體脫穩(wěn)，通過磁微濾分離系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)固液分離來達(dá)到除磷的目的。同時(shí)混凝劑水解后所產(chǎn)生的多核絡(luò)合物對于廢水中的懸浮膠體微粒等懸浮物同樣具有很強(qiáng)的吸附、架橋、交聯(lián)等作用，配合絮凝劑后形成密實(shí)的礬花，固液分離后達(dá)到混凝除磷目標(biāo)[12，13]。工藝流程1中磁微濾工藝具有較好的除磷效果，總磷去除率平均為94%，最高可達(dá)98%。磁微濾工藝在前端可將懸浮態(tài)的總磷和可溶態(tài)的正磷酸鹽一起去除，大大減少進(jìn)入Bio-O好氧池的總磷及懸浮物，此時(shí)，Bio-O好氧池主要針對氨氮及有機(jī)物進(jìn)行去除。

2. 1. 2 工藝流程2

工藝流程2中采用Bio-O好氧池在前，磁微濾工藝段在后的處理方式，針對Bio-O好氧池的進(jìn)出水總磷進(jìn)行檢測，如圖5所示。Bio-O好氧池進(jìn)水總磷濃度在0.58～2.77 mg/L，平均為1.71 mg/L。Bio-O好氧池出水總磷在0.51～1.68 mg/L，平均為1.02 mg/L。工藝流程2中的Bio-O好氧池采用三維膜介質(zhì)填料為載體，該填料比表面積大、孔隙豐富，污水經(jīng)過填料時(shí)，懸浮物被填料攔截，實(shí)現(xiàn)一定的過濾作用，懸浮態(tài)的總磷實(shí)現(xiàn)去除；此外，好氧池內(nèi)發(fā)生硝化反應(yīng)，微生物會(huì)吸收磷，從而實(shí)現(xiàn)部分總磷的去除。Bio-O好氧池對總磷的去除與進(jìn)水總磷濃度以及填料過濾效果有關(guān)，該試驗(yàn)中當(dāng)進(jìn)水總磷濃度較高時(shí)，進(jìn)水懸浮物也偏多。當(dāng)污水經(jīng)過Bio-O好氧池時(shí)，大部分懸浮態(tài)的總磷截留在填料內(nèi)，使出水總磷濃度降低。圖5中總磷去除率波動(dòng)較大，主要隨著進(jìn)水總磷濃度的變化而變化，總磷去除率最高為68%，此時(shí)進(jìn)水總磷基本＞2 mg/L，總磷去除率平均為48%。當(dāng)進(jìn)水總磷濃度為1.5～2 mg/L，總磷去除率平均為37%。當(dāng)進(jìn)水總磷濃度＜1.5 mg/L，總磷去除率平均為28%。當(dāng)進(jìn)水總磷濃度＜1 mg/L時(shí)，Bio-O好氧池的過濾作用對總磷的去除效果不顯著，總磷去除率僅為16%。隨后進(jìn)入物化工藝段，濃度較低的總磷可降低磁微濾工藝段中混凝劑的投加量。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，工藝流程1中磁微濾工藝的混凝劑投加量約為35～45 mg/L，根據(jù)進(jìn)水總磷濃度變化，適當(dāng)調(diào)整加藥量，保證出水總磷穩(wěn)定＜0.3 mg/L。工藝流程2中Bio-O好氧池可減少16%～68%的懸浮態(tài)總磷，磁微濾工藝段的混凝劑投加量僅為20～25 mg/L，相比于工藝流程1，在藥劑投加量上可節(jié)省約40%。Bio-O的生物除磷作用不僅減少了后段磁微濾工藝的加藥量，還有利于提高磁微濾膜法整體工藝的穩(wěn)定性，系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷更高。

2. 2 不同工藝流程對氨氮去除效果試驗(yàn)研究

磁微濾膜法對氨氮的去除效果主要取決于Bio-O好氧池的硝化負(fù)荷，三維膜介質(zhì)填料內(nèi)附著的生物膜在好氧環(huán)境下通過硝化作用實(shí)現(xiàn)污水中氨氮的去除。工藝流程1中，Bio-O好氧池位于磁微濾工藝段之后，磁微濾出水進(jìn)入Bio-O好氧池，進(jìn)出水氨氮如圖6。工藝流程1運(yùn)行期間，進(jìn)水氨氮在12.1～37.3 mg/L，平均為26.01 mg/L，出水氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，平均出水氨氮為0.48 mg/L，去除率基本＞90%，硝化負(fù)荷最高可達(dá)0.33 kgNH3-N/m3/d。磁微濾工藝段對于懸浮物的去除，可降低一小部分有機(jī)氮，但整體去除率偏低，可使進(jìn)入Bio-O好氧池的懸浮物大大減少，有效減少好氧池內(nèi)填料的堵塞情況，減少反洗周期，降低能耗。

工藝流程2中污水經(jīng)過提升、格柵進(jìn)入Bio-O好氧池，污水先經(jīng)過硝化作用去除氨氮，同時(shí)經(jīng)過填料截留過濾作用去除一部分有機(jī)氮，Bio-O好氧池在前，可有效利用污水中的有機(jī)物，在生物膜生長繁殖過程中，實(shí)現(xiàn)一部分有機(jī)物的降解[13]，進(jìn)出水氨氮變化如圖7所示。相較于總磷指標(biāo)，不同工藝流程對氨氮的影響較小。工藝流程2運(yùn)行期間，進(jìn)水氨氮為12.7～32.9 mg/L，平均為22.2 mg/L，出水氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，去除率基本＞90%，硝化負(fù)荷最高可達(dá)0.32 kgNH3-N/m3/d。Bio-O好氧池對懸浮物的截留能力有限，在工藝流程1中，在好氧池未及時(shí)反洗排泥的情況下，易造成出水懸浮物超標(biāo)，甚至影響出水總磷指標(biāo)。而工藝流程2中，磁微濾工藝段置于Bio-O好氧池后端，有效保證懸浮物指標(biāo)達(dá)標(biāo)，且能夠避免工藝流程1中因加藥量過大，影響進(jìn)入好氧池污水的pH和堿度。硝化反應(yīng)需消耗堿度，好氧池在堿度不足的情況下，會(huì)影響硝化反應(yīng)進(jìn)行，從而影響出水氨氮指標(biāo)。

3 結(jié)論

磁微濾膜法采用物化工藝段（磁微濾）和生化工藝段（Bio-O好氧池）組合，可實(shí)現(xiàn)脫氮除磷的要求，工藝流程1“微磁絮凝反應(yīng)系統(tǒng)-磁微濾分離系統(tǒng)-Bio-O好氧池”與工藝流程2“Bio-O好氧池-微磁絮凝反應(yīng)系統(tǒng)-磁微濾分離系統(tǒng)”對比研究結(jié)果表明，兩個(gè)工藝流程對污染物的去除效果均較好，但工藝流程2在加藥量方面更具優(yōu)勢，針對總磷的去除，工藝流程2在混凝劑加藥量方面最高可節(jié)約40%。Bio-O好氧池具有一定的除磷能力，最高為68%，但Bio-O好氧池的除磷能力與進(jìn)水水質(zhì)的變化以及進(jìn)水懸浮物含量有關(guān)，進(jìn)水總磷濃度越高，生化除磷能力越顯著，進(jìn)水總磷濃度較低時(shí)，總磷去除率約16%。不同工藝流程對氨氮的去除效果接近，硝化負(fù)荷最高可達(dá)0.33 kgNH3-N/m3/d。Bio-O前置工藝可有效提高系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷，系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定高效，后端磁微濾工藝進(jìn)一步保證出水總磷和懸浮物指標(biāo)達(dá)標(biāo)。工藝流程1“微磁絮凝反應(yīng)系統(tǒng)-磁微濾分離系統(tǒng)-Bio-O好氧池”與工藝流程2“Bio-O好氧池-微磁絮凝反應(yīng)系統(tǒng)-磁微濾分離系統(tǒng)”在脫氮除磷方面需考慮應(yīng)用場景，采用工藝流程1需考慮進(jìn)水堿度及pH對后段Bio-O好氧池硝化反應(yīng)的影響以及最終出水生化跑泥的問題，采用工藝流程2需考慮進(jìn)入Bio-O前懸浮物對系統(tǒng)填料的影響，可增加格柵避免生化池懸浮物過多。

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