富铁填料强化A/O—曝气生物滤池工艺的脱氮除磷效果*

严子春 史登峰 Nosakhare Iseghayan

(兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)

富铁填料强化A/O—曝气生物滤池工艺的脱氮除磷效果*

严子春 史登峰 Nosakhare Iseghayan

(兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)

对比研究了富铁填料对A/O—曝气生物滤池(BAF)工艺的脱氮除磷强化效果。结果表明，与无富铁填料的A/O—BAF工艺相比，富铁填料强化A/O—BAF工艺对TN的去除率可提高15.2～19.0百分点，对TP的去除率可提高55.2～57.2百分点，但对COD的影响不大。通过对微生物种群的分析发现，富铁填料的使用能明显促进噬纤维菌科(Cytophagaceae)、黄单胞菌科(Xanthomonadaceae)、硝化螺菌属(Nitrospira)、假单孢菌属(Pseudomonas)的生长，使得硝化、反硝化和除磷作用得以加强。此外，富铁填料释放的Fe2+可充当反硝化反应的电子供体，直接去除硝酸盐氮，还能除氧保证反硝化反应条件。锰砂还能促进化学沉淀除磷。

污水处理 脱氮除磷 A/O 曝气生物滤池 富铁填料

曝气生物滤池(BAF)是一种高效的生物膜处理技术，在生活污水及工业废水处理等方面都有重要应用[1-2]，但其脱氮效能受各种条件影响而并不稳定[3]，除磷效果更差[4]。A/O—BAF具有耐冲击负荷能力高、无污泥膨胀、占地面积小、能耗低和处理效果好等优点，可同步稳定去除有机物并稳定生物脱氮[5-6]。富铁填料表面积较大、价格低廉，既对硝化作用有一定的促进作用[7]，又可提高除磷效果[8-9]。本研究将富铁填料应用到A/O—BAF工艺中，用于强化A/O—BAF工艺的同时脱氮除磷效果。

1 材料与方法

1.1 试验装置

富铁填料强化A/O—BAF工艺的试验装置如图1所示。厌氧滤柱尺寸为Φ80 mm×3.0 m，滤料为陶粒，填充高度为1.30 m；好氧滤柱尺寸为Φ80 mm×2.0 m，滤料为沸石，填充高度为1.30 m。富铁填料滤柱尺寸为Φ80 mm×2.0 m，试验了富铁填料与沸石混合滤料(以下称滤料1)和富铁填料与锰砂混合滤料(以下称滤料2)，体积比均为3∶1，填充高度均为0.75 m，沸石、锰砂的主要作用是防止富铁填料板结。以A/O—BAF工艺为对照，其装置除没有富铁填料滤柱外，其他都与富铁填料强化A/O—BAF工艺相同。

1.2 试验材料

(1) 陶粒：密度为1.42 g/cm3，堆积度为0.74 g/m3，粒径为5.0～8.0 mm，主要化学成分SiO2、Fe2O3、A12O3、CaO、MgO的质量分数分别为64.22%、6.00%、15.82%、5.39%、2.85%。

1—进水桶；2—蠕动泵；3—空气压缩机；4—气体转子流量计；5—厌氧滤柱；6—好氧滤柱；7—富铁填料滤柱；8—滤料区；9—承托层；10—回流管；11—出水桶；12—反冲洗管图1 富铁填料强化A/O—BAF工艺装置图Fig.1 Schematic diagram of iron-rich media enhanced A/O-BAF process

(2) 沸石：密度为2.20 g/m3，堆积度为2.16 g/cm3，粒径为3.0～5.0 mm，主要化学成分SiO2、A12O3、FeO、MgO、CaO、K2O、TiO2和Na2O的质量分数分别为68.52%、11.59%、1.04%、1.13%、3.27%、1.69%、0.10%、0.66%。

(3) 富铁填料：密度为2.49 g/cm3，堆积度为1.76 g/cm3，粒径为5.0～8.0 mm，总铁质量分数约96.50%，单质铁质量分数≥90%。

(4) 锰砂：密度为3.60 g/cm3，堆积度为1.85 g/cm3，粒径为5.0～8.0 mm，主要成分为MnO2(质量分数为20%～45%)，SiO2和总铁的质量分数分别约20%。

1.3 试验用水及测定方法

试验用水为兰州交通大学校园生活污水，历史水质指标见表1。

表1 试验用水水质指标

COD采用HACH DRB200消解器消解，HACH DR5000分光光度计测定；TP、TN采用过硫酸钾氧化—钼锑抗分光光度法、碱性过硫酸钾氧化—紫外分光光度法[10]测定；微生物种群通过Illumina Miseq高通量测序方法[11]测定，能鉴定到属水平的鉴定到属，不能鉴定到属水平的鉴定到科。

1.4 A/O—BAF工艺启动

活性污泥取自兰州市某污水处理厂好氧曝气池，经试验用水驯化后，两套A/O—BAF工艺初始阶段均以较小水力负荷0.25 m3/(m2·h)运行，22 d后水力负荷增大至0.50 m3/(m2·h)，挂膜启动历时37 d，挂膜启动成功。然后，其中一套A/O—BAF工艺再装上富铁填料滤柱，作为富铁填料强化A/O—BAF工艺。

2 结果与讨论

2.1 富铁填料对污染物去除效果及微生物种群的影响

2.1.1 富铁填料对污染物去除效果的影响

由表2可知，A/O—BAF工艺和富铁填料强化A/O—BAF工艺的出水COD均较低，完全达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准，富铁填料的影响不是很大。对TN而言，A/O—BAF工艺的去除率仅为39.6%，而富铁填料强化A/O—BAF工艺的去除率明显高于A/O—BAF工艺，滤料1和滤料2时分别达到了54.8%、58.6%，分别提高了15.2、19.0百分点，可见富铁填料对TN的脱除效果提升较为明显。富铁填料对TP的脱除效能提升更为明显，A/O—BAF工艺的去除率仅为29.6%，而富铁填料强化A/O—BAF工艺，滤料1和滤料2时分别达到84.8%、86.8%，分别提高了55.2、57.2百分点。

2.1.2 富铁填料对微生物种群的影响

表2 污染物的去除效果1)

注：1)滤料1强化工艺指使用滤料1的富铁填料强化A/O—BAF工艺；滤料2强化工艺指使用滤料2的富铁填料强化A/O—BAF工艺。

由于滤料2对氮磷的去除效果优于滤料1，因此研究富铁填料对微生物种群的影响时只比较了使用滤料2的富铁填料强化A/O—BAF工艺与A/O—BAF工艺的差异。

结果发现，富铁填料强化A/O—BAF工艺中Methyloversatilis的丰度(4.0%)比A/O—BAF工艺(2.5%)明显增加，而疣微菌科(Verrucomicrobiaceae)的丰度却是A/O—BAF工艺(2.8%)大于富铁填料强化A/O—BAF工艺(0.5%)。Methyloversatilis可同化含碳有机物，而疣微菌科可代谢产生葡萄糖、谷氨酸等化合物。由此可见，富铁填料的使用对于降解有机物方面，都有可能促进降解有机物和生成有机物的微生物生长，这也是富铁填料强化A/O—BAF工艺与A/O—BAF工艺相比，对COD去除率影响不大的原因。

A/O—BAF工艺中噬纤维菌科(Cytophagaceae)、黄单胞菌科(Xanthomonadaceae)、硝化螺菌属(Nitrospira)的丰度分别为0.9%、1.1%、3.0%；而富铁填料强化A/O—BAF工艺中增加至2.0%、2.3%、6.4%，且出现了假单孢菌属(Pseudomonas)，丰度为0.9%。噬纤维菌科、黄单胞菌科和硝化螺菌属均为常见的反硝化菌，假单孢菌属为异养硝化—好氧反硝化菌，同时还属于聚磷菌。虽然同样具有反硝化功能的小梨形菌属(Pirellula)丰度由A/O—BAF工艺的1.6%减小至富铁填料强化A/O—BAF工艺的0.9%，但总体不影响富铁填料对脱氮效果的强化。可见，富铁填料可明显促进硝化和反硝化作用，提高A/O—BAF工艺的脱氮效果，除磷效果也大大增强。

2.2 富铁填料强化脱氮除磷的机理分析

2.2.1 对TN的影响

富铁填料强化A/O—BAF工艺对TN的去除率远远大于A/O—BAF工艺，可能原因是：(1)富铁填料促进了具有反硝化功能的噬纤维菌科、黄单胞菌科、硝化螺菌属和假单孢菌属等微生物的生长；(2)富铁填料释放的Fe2+可充当反硝化反应的电子供体[12]，会直接去除体系中的一部分硝酸盐氮(见式(1))；(3)富铁填料还可作为除氧剂，与水中的溶解氧发生氧化反应生成Fe3O4，达到除氧的效果，因此富铁填料滤柱出水回流至前置厌氧滤池可为反硝化段提供良好的厌氧环境。

(1)

2.2.2 对TP的影响

富铁填料强化A/O—BAF工艺对TP去除率的提高更加明显，且滤料2比滤料1的去除效果更佳，可能是锰砂具有催化作用[13]，使析出的Fe2+能较快速的被氧化为Fe3+，有利于发生化学沉淀除磷反应。从反应现象来看，一段时间后滤料2表面有黄褐色泥层形成，是为碱式磷酸铁络合物沉淀[14]。可见，化学沉淀除磷显著提升了除磷效果。此外，假单胞菌属属于聚磷菌，其在富铁填料强化A/O—BAF工艺中出现也有利于对TP的去除。

3 结 论

富铁填料可以显著强化A/O—BAF工艺的脱氮除磷效果，TN去除率可提高15.2～19.0百分点，TP去除率可提高55.2～57.2百分点，但对COD的影响不大。原因是富铁填料促进了噬纤维菌科、黄单胞菌科、硝化螺菌属、假单孢菌属的生长，使得硝化、反硝化和除磷作用得以加强。另外，富铁填料释放的Fe2+可充当反硝化反应的电子供体，直接去除硝酸盐氮，还能除氧保证反硝化反应条件。锰砂还能促进化学沉淀除磷。

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Enhancedeffectofiron-richmediaonnitrogenandphosphorusremovalbyA/O-BAFprocess

YANZichun,SHIDengfeng,NosakhareIseghayan.

(SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,LanzhouGansu730070)

Iron-rich media was applied in A/O-BAF process. The effects of iron-rich media was studied to enhance nitrogen and phosphorus removal. Results showed that compared with A/O-BAF process without iron-rich media,iron-rich media enhanced A/O-BAF process promoted TN and TP removal rate by 15.2-19.0 and 55.2-57.2 percentages,respectively,but little effect on COD. The attempts were made to study the microbial population. Results showed that iron-rich media helped boosting Cytophagaceae,Xanthomonadaceae,NitrospiraandPseudomonas,so as to enhance nitrification,denitrification and dephosphorylation. Moreover,Fe2+and deoxidization by iron-rich media could also help denitrification. Manganese greensand could remove phosphorus by another way of chemical precipitation.

sewage treatment; nitrogen and phosphorus removal; A/O; BAF; iron-rich media

严子春，男，1970年生，博士，教授，主要从事水处理理论与技术研究。

*国家自然科学基金资助项目(No.51568034)；国家重点研发计划项目(No.2016YFC0400703)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.11.005

2017-02-18)