氧化鐵皮與海綿鐵聯(lián)合強化A2/O工藝處理生活污水試驗研究

李 冰, 江振寅， 余蔥蔥

(1.中煤紫光湖北環(huán)保科技有限公司, 武漢 430070; 2.中國煤炭地質總局湖北煤炭地質局，武漢 430070)

0 引言

近年來，隨著我國人口增長及城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，居民生活污水總量及污染物總量也持續(xù)上升[1]。目前，我國處理居民生活污水的工藝主要以活性污泥法和生物膜法為主，由于活性污泥法主要依靠懸浮的活性污泥來降解污染物，對水質水量適應能力較差，若運行管理不善，容易發(fā)生污泥膨脹。并且，受污泥沉降性能的影響，運行過程中污泥易隨排水流失，影響處理效率。

隨著材料學的發(fā)展，越來越多的新材料應用于污水處理領域，使得生物膜法越來越受青睞。以懸浮填料作為微生物生長載體，發(fā)展出來的移動床生物膜工藝(MBBR)，通過填料在曝氣生化池中充分流化，使其兼具生物膜法和活性污泥法的優(yōu)點，實現(xiàn)污水的高效處理，已廣泛應用于世界各地的污水處理廠，并取得了良好的運行效果[2]。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗裝置

本實驗于2021年10月至2022年1月，在湖北省赤壁市新店鎮(zhèn)某小區(qū)，由本文作者共同開展。本實驗設計2個有效容積為120L的生化反應器，由I級厭氧生物床、II級厭氧生物床、MBBR生化池、沉淀池串聯(lián)而成。反應器尺寸為L×B×H=1.0m×0.3m×0.5m，有效水深0.4m， I級厭氧生物床、II級厭氧生物床、MBBR生化池、沉淀池長度分別為0.2m、0.2m、0.4m、0.2m，MBBR生化池采用氣泵曝氣，實驗裝置示意圖如圖1所示。實驗組(改良反應器)I級厭氧生物床加載20cm厚粒徑3～5mm輕質陶粒，并在其中均勻的鋪設多層氧化鐵皮共1 200g，氧化鐵皮為薄片狀，厚度約0.5mm。實驗組II級厭氧生物床加載20cm厚粒徑0.3～0.5cm輕質陶粒，并在其中均勻的鋪設多層海綿鐵共1 200g，所用海綿鐵粒徑5～8mm。實驗組MBBR生化池中填充直徑3cm的圓形懸浮填料。沉淀區(qū)設置斜板沉淀，用于泥水分離。進水采用兩點進水，一支進水從I級厭氧生物床接入，另一只進水從MBBR生化池接入，進水流量按1∶1分配。反應器設置兩級回流，其中，I級回流自MBBR生化池回流至II級厭氧床，II級回流自II級厭氧床回流至I級厭氧床。對照組(傳統(tǒng)反應器)除了不加氧化鐵皮及海綿鐵外，其他條件與實驗組完全相同。

圖1 實驗裝置示意Figure 1 Schematic diagram of experimental device

1.2 實驗用水及接種污泥

本實驗用水為赤壁市新店鎮(zhèn)某小區(qū)居民化糞池出水，其主要污染物濃度如表1所示。

表1 實驗用水污染物濃度

接種污泥來自于赤壁市新店鎮(zhèn)污水處理廠沉淀污泥，該污水處理廠為改良SBR工藝。

1.3 反應器調試運行

兩個反應器同步運行，設置進水流量為100mL/min，總水力停留時間(HRT)為20h，進水pH值6.5～8，反應器在室溫條件下運行。待厭氧池及曝氣池調試掛膜成功后，開始進行連續(xù)進水實驗。

1.4 分析項目及方法

本實驗主要分析項目包括CODcr、氨氮、總氮、總磷，分別采用如下分析方法測定其濃度[11]：CODcr濃度采用快速消解-分光光度法(HJ/T 399—2007)測定；氨氮濃度采用納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009)測定；總氮濃度采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法(HJ 636—2012)測定；總磷濃度采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—89)測定。

2 結果及討論

2.1 改良反應器與傳統(tǒng)反應器除污效果對比

2.1.1 CODcr去除效果對比

兩臺反應器經(jīng)過10d的連續(xù)運行，反應器進、出水CODcr濃度及去除率對比情況如圖2a。

由圖2a可以看出，實驗組反應器對于CODcr的去除效果要優(yōu)于對照組。對照組CODcr平均去除率為74.9%，出水CODcr難以穩(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B標準(CODcr≤60mg/L)。相較于對照組，實驗組CODcr平均去除率達82.4%，比對照組提高了7.5%，其出水CODcr濃度均達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準(CODcr≤50mg/L)。這可能是由于實驗組中II級厭氧生物床中加載了海綿鐵，其本身具有還原性，可以直接還原部分有機物。同時，在微溶解氧條件下，可發(fā)生類芬頓反應，產(chǎn)生羥基自由基，具有強氧化性，可以氧化部分有機物[4]。另外，海綿鐵具有較大的比表面積及多空隙結構，可以吸附部分污染物。

2.1.2 氨氮及總氮去除效果對比

兩臺反應器連續(xù)運行10d，反應器對氨氮及總氮濃度去除效果如圖2b、圖2c所示。

由圖2b可以看出，實驗組反應器對于氨氮的去除效果要優(yōu)于對照組。對照組氨氮的平均去除率為69.5%，實驗組氨氮的平均去除率達80.1%，比對照組提高了10.6%。實驗組出水濃度均達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級B標準(氨氮≤8mg/L)，接近一級A(氨氮≤5mg/L)，而對照組出水氨氮濃度，除進水氨氮濃度較低時可達到一級B標準，其余均未能達到一級B標準。

由圖2c可以看出，實驗組反應器對于總氮的去除效果要優(yōu)于對照組。對照組總氮的平均去除率為48.8%，實驗組總氮的平均去除率達63.8%，比對照組提高了15.0%。實驗組出水，除進水濃度較高，導致出水總氮略高于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準(總氮≤15mg/L)外，其余均能達到一級B標準。而對照組出水總氮濃度僅能達到一級B標準。

圖2 兩臺反應器去除效果對比Figure 2 The removal efficiency of different pollutants in two bioreactors

由于實驗組I級厭氧生物床中加載了氧化鐵皮，其溶解產(chǎn)生Fe3+，可以富集鐵還原微生物，在厭氧條件下，F(xiàn)e3+還原與氨氧化耦合，發(fā)生鐵氨氧化，促進氨氮轉化。實驗組II級厭氧生物床中加載了海綿鐵，首先，其本身具備還原性，可以促進硝酸鹽的還原。其次，海綿鐵氧化過程中，消耗溶解氧，利于反硝化反應，促進系統(tǒng)脫氮。再加上，海綿鐵氧化溶解釋放的Fe2+可以促進鐵氧化微生物的富集，在Fe2+氧化過程中，將硝酸根作為電子受體，將其還原[12]。

2.1.3 總磷去除效果對比

兩臺反應器連續(xù)運行10d，反應器對總磷的去除效果如圖2d所示。

由圖2d可以看出，對照組出水總磷均高于實驗組，對照組和實驗組反應器對總磷的去除率分別為65.7%和86.4%，去除率相差超過20%，并且實驗組去除率呈持續(xù)上升的趨勢。實驗組出水總磷，除第4d外，均能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準(總磷≤0.5mg/L)。這可能主要是由于對照組主要依靠生物除磷，其除磷效果受微生物活性及外部條件影響較大，再加上反應器未充分排泥，均會影響其除磷效果。實驗組除了常規(guī)的生物除磷外，反應器中還加載了兩種鐵基材料，II級厭氧生物床中加載了海綿鐵，其本身的還原性會消耗池體中的溶解氧，保證池體厭氧環(huán)境，促進聚磷菌充分的厭氧釋磷。兩種鐵基材料溶解產(chǎn)生的Fe2+和Fe3+可以與磷酸鹽等生成穩(wěn)定的沉淀而將磷從水中分離出來。另外，海綿鐵、鐵氧化物及溶解產(chǎn)生的鐵氫氧化物還可以通過表面吸附，將磷酸鹽等固定下來，這些都會提高系統(tǒng)的除磷效果[13]。

2.2 不同水力停留時間下反應器除污效果分析

調整實驗組進水流量分別為70mL/min、200mL/min，以此改變水利停留時間為28h和10h，并與進水流量為100mL/min，水力停留時間為20h時，各污染物的去除率進行比較，考察不同水力停留時間(HRT)時，反應器對CODcr、氨氮、總氮、總磷的去除效果，結果如圖3所示。

圖3 不同水力停留時間下污染物去除率對比Figure 3 The removal rate of different pollutants with different HRT

由圖3可以看出，隨著反應器HRT的延長，各污染物的去除率都有所上升，這主要是由于污水與生物膜混合接觸的時間比較充分，生化反應時間長，同時，反應器中參與反應的Fe2+/Fe3+量也增加，從而提高了反應器的去污能力。并且，CODcr及總氮去除率上升較為明顯，CODcr去除效果提升明顯，可能是反應時間延長，反應器釋放Fe的總量增加，產(chǎn)生的Fe(OH)2及Fe(OH)3通過絮凝沉淀去除更多的CODcr?？偟コЧ嵘黠@是因為參與Fe-N循環(huán)的生化反應效率雖然不高，但延長反應時間，可以提高參與Fe-N反應的總量，提高系統(tǒng)脫氮效果。

2.3 不同鐵加載量下反應器的除污效果分析

設置進水流量均為100mL/min，調整實驗組氧化鐵皮與海綿鐵加載量為80g/L，與鐵加載量為50g/L時出水指標進行比較，考察反應器對CODcr、氨氮、總氮、總磷的去除效果，結果如圖4所示。

圖4 不同鐵加載量時各污染物去除率對比Figure 4 The removal rate of different pollutants with different iron filled dose

由圖4可以看出，除CODcr外，氨氮、總氮、總磷均是鐵加載量為80g/L時去除率更高。隨著鐵加載量的提高，CODcr去除率反而略有下降，可能是由于海綿鐵表面形成鈍化膜，包裹在鐵基材料表面，減緩了海綿鐵的腐蝕及鐵離子的釋放，反而限制了對CODcr的去除。氨氮和總氮去除率隨鐵加載量增加而上升，可能是鐵基材料的增加，有利于Fe-N循環(huán)相關微生物的富集，這些微生物共同作用下，促進了氨氮的轉化及系統(tǒng)總氮的去除。在鐵加載量為50g/L和80g/L時，系統(tǒng)對總磷的去除效果并沒有明顯的提高，原因是鐵基材料對總磷的去除主要是通過產(chǎn)生Fe-P沉淀以及表面吸附而將P固定下來，并且，有研究表明，F(xiàn)e(OH)3對磷酸鹽的吸附能力要強于氧化鐵，這主要受化合物表面積影響[14]。表面形成的鈍化膜成分為Fe2O3及FeO[15]，其對磷的吸附能力不及Fe(OH)3，造成系統(tǒng)總磷的去除率升高不明顯。

3 結論

1)通過加載氧化鐵皮及海綿鐵的反應器與常規(guī)反應器對比實驗，結果表明加載了鐵基材料的實驗組，其出水水質優(yōu)于對照組，CODcr的去除率提高了7.5%，氨氮的去除率提高了10.6%，總氮去除率提高了15.0%，總磷去除率提高了20.7%。

2)通過設置不同的水力停留時間，考察不同水利停留時間下，反應器除污效果，結果表明，隨著HRT的延長，各污染物的去除率均有不同程度的提升，其中CODcr和總氮的去除率提升較為明顯。

3)通過加載不同質量的鐵基材料，考察不同鐵加載量時，反應器的除污效果，結果表明，當氧化鐵皮及海綿鐵的加載量由50g/L增加到80g/L時， 除CODcr的去除率略有下降外， 氨氮、總氮、 總磷去除率均提高，表現(xiàn)出良好的脫氮除磷效果。