三氯化铁对活性污泥系统效能的影响

2019-04-16李晓溪

供水技术 2019年5期

李晓溪

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳 110168)

当前，国内污水厂大多采用活性污泥法处理污水，投加化学药剂与活性污泥分开。采用生化物化耦合法即在曝气池中投加药剂，使之与活性污泥混合产生一系列反应，有助于更高效地去除污水中的有机物，节省成本和空间。有研究表明投加铁盐除磷药剂，对活性污泥系统的水质和污泥性质具有促进效果[1]。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与装置

活性污泥取自辽宁省抚顺市三宝屯污水处理厂。选取沈阳市老虎冲卫生填埋场的垃圾渗滤液原液，将其稀释一定倍数后模拟生活污水作为试验用水，水质如下：COD，350 mg/L；氨氮，35 mg/L；TN，45 mg/L；TP，4～5 mg/L；用NaHCO3调制pH值在7.5左右。试验装置如图1所示，主要由潜污泵、搅拌机、电磁阀等组成。

图1 SBR试验装置Fig.1 Unit of SBR experiment

1.2 试验方法

反应器每天运行3个周期，每个周期为480 min：进水5 min，厌氧搅拌120 min，好氧曝气300 min，沉淀50 min，排水5 min。每个周期的进水和排水量均为3 L，水力停留时间(HRT)为32 h。反应器运行时，控制污泥浓度在3 800 mg/L左右，SRT为7 d，通过控制曝气量使溶解氧(DO)在2～3 mg/L。

采用2组完全平行的序批式反应器(SBR)，分别进行空白和投加FeCl3对比试验。SBR反应器运行稳定后，在每个周期曝气结束前2 h分别向1个反应器投加FeCl3，该过程持续8周。

参考三宝屯污水处理厂向二沉池投加FeCl3的量(15 mg/L)，试验中FeCl3的投加量分别为5，10，15，20，25，30，40和50 mg/L。在每个投加浓度下各运行7 d，考察COD、TP、TN等水质指标，以及脱氢酶活性(DHA)[2]和胞外聚合物(EPS)[3]等污泥特性。

2 结果与讨论

2.1 FeCl3对COD的影响

进水COD在350 mg/L左右，投加FeCl3有助于系统对COD的去除，这与文献[4]的研究结果相符。从图2可知，投加FeCl3后COD去除率有所升高。随着FeCl3投加量的增大，对COD的去除效果逐渐增强。当FeCl3投加量从5 mg/L增大到25 mg/L时，出水COD从62.3 mg/L降低到25.6 mg/L，去除率从81.5%升高到91.6%。投药量为30，40和50 mg/L时，出水COD在长期运行中基本稳定在25 mg/L左右，去除率为92.4%。

图2 不同FeCl3投加量下的COD去除效果Fig.2 Removal effect of COD under different dosages of FeCl3

试验中所投加的FeCl3能与反应器内的有机物作用，使其存在于活性污泥絮体内部，最终使出水有机物含量下降。铁盐促进了混合液中有机物胶体颗粒的脱稳和吸附沉降性[4]。

2.2 FeCl3对TN的影响

进水TN在45 mg/L左右，随着FeCl3投加量的增大，对TN的去除效果有所增强，如图3所示。空白组对TN的去除率为72%，当FeCl3投加量从5 mg/L增大到50 mg/L时，出水TN从9.10 mg/L降低到5.45 mg/L，去除率为89.4%。

图3 不同FeCl3投加量下的TN去除效果Fig.3 Removal effect of TN under different dosages of FeCl3

生物脱氮的基本原理是活性污泥中微生物通过硝化和反硝化作用代谢含氮有机物。观察发现，与空白对照反应器相比，投加FeCl3的反应器内活性污泥絮体更加密实，且絮体成团多[4]。分析认为2个反应器脱氮效果不同的原因是，FeCl3在混凝过程中产生的沉淀附着于微生物表面，但并未紧密包裹微生物，形成了好氧、缺氧的微环境。硝化细菌利用溶解氧可将氨氮氧化为亚硝酸盐氮或硝酸盐氮，而处于缺氧区的反硝化细菌又将亚硝酸盐和硝酸盐转化为氮气[5]。絮凝沉淀物未完全包裹微生物所形成的微环境，为同步硝化反硝化提供了良好的空间环境，促进了微生物的脱氮作用，是投加FeCl3后TN去除率上升的原因。

2.3 FeCl3对TP的影响

随着FeCl3投加量的增大，对TP的去除效果显著增强，见图4。FeCl3投加量从5 mg/L增大到25 mg/L，出水TP从1.42 mg/L下降至0.51 mg/L，去除率从68%升高到89%。当投加量为30，40和50 mg/L时，出水TP在长期运行过程中波动不大，基本稳定在0.45 mg/L左右，去除率为92%，已达到一级A标准，而空白对照组对TP的去除率仅约为70%。

FeCl3投加量为5 mg/L时，絮凝效果不佳，沉淀较少，TP去除率上升略缓慢；逐步提高投加量至20 mg/L后，TP去除率快速上升。这是因为形成了更多的微小颗粒，在曝气搅拌混合下，絮凝使颗粒变大从而更易沉淀，提升了沉淀效果。当投加量为30，40 和50 mg/L时，TP去除率上升放缓。这可能是因为过高的铁盐投加量虽然使水中络合铁离子增多，但吸附架桥所需的表面吸附活性点位却减少。同时，由于同种粒子间的排斥作用而出现了分散稳定的现象，铁盐与磷酸根生成了细小絮体而较难沉降，使去除率升高变缓[5]。当FeCl3投加量为40 mg/L时，其与微生物协同除磷的效果明显，性价比最高。因此，FeCl3能够强化活性污泥系统除磷，即FeCl3和活性污泥在除磷方面具有长期协同作用[5]。

图4 不同FeCl3投加量下的TP去除效果Fig.4 Removal effect of TP under different dosages of FeCl3

2.4 FeCl3对DHA的影响

从图5可以看出，投加FeCl3对污泥活性有促进作用。当投加量在5～25 mg/L时，对DHA的促进效果明显，激活较快。当投加量在30～50 mg/L时，污泥活性逐渐平稳，达到55.2 mgTF/(h·L)左右。FeCl3水解后产生的Fe3+作为细胞外的受体，可促进污泥小分子聚涌，改善絮凝效果，有利于提升污水处理效果。

图5 不同FeCl3投加量下的DHAFig.5 Variety of DHA under different dosages of FeCl3

2.5 FeCl3对EPS的影响

未投加FeCl3时，活性污泥系统的蛋白质含量为30.2 mg/gMLSS。从图6可以看出，当投加量从5 mg/L升高到50 mg/L时，蛋白质含量从34 mg/gMLSS增加至56.6 mg/gMLSS，且存在先快速增大后趋于稳定的过程。

图6 不同FeCl3投加量下的蛋白质Fig.6 Variety of protein under different dosages of FeCl3

试验表明，投加Fe3+对微生物胞外蛋白质起到促进作用，也进而增活了微生物系统。Fe3+与胞外阴离子基团相结合，传达絮凝反应的正向进行，形成更多的EPS，在微电子传递中起到固氮脱磷的细胞呼吸作用。

由图7可知，投加FeCl3后多糖含量逐渐增大，但增长速度小于蛋白质。EPS中蛋白质的含量一般大于多糖。未投加FeCl3时，多糖含量为26.6 mg/gMLSS。FeCl3投加量从5 mg/L增大到50 mg/L时，多糖从29 mg/gMLSS升高至38.8 mg/gMLSS，增长速率也存在先快后逐渐稳定的趋势。