氧化铁皮与海绵铁联合强化A2/O工艺处理生活污水试验研究

李 冰, 江振寅， 余葱葱

(1.中煤紫光湖北环保科技有限公司, 武汉 430070; 2.中国煤炭地质总局湖北煤炭地质局，武汉 430070)

0 引言

近年来，随着我国人口增长及城镇化的快速发展，居民生活污水总量及污染物总量也持续上升[1]。目前，我国处理居民生活污水的工艺主要以活性污泥法和生物膜法为主，由于活性污泥法主要依靠悬浮的活性污泥来降解污染物，对水质水量适应能力较差，若运行管理不善，容易发生污泥膨胀。并且，受污泥沉降性能的影响，运行过程中污泥易随排水流失，影响处理效率。

随着材料学的发展，越来越多的新材料应用于污水处理领域，使得生物膜法越来越受青睐。以悬浮填料作为微生物生长载体，发展出来的移动床生物膜工艺(MBBR)，通过填料在曝气生化池中充分流化，使其兼具生物膜法和活性污泥法的优点，实现污水的高效处理，已广泛应用于世界各地的污水处理厂，并取得了良好的运行效果[2]。

1 实验材料与方法

1.1 实验装置

本实验于2021年10月至2022年1月，在湖北省赤壁市新店镇某小区，由本文作者共同开展。本实验设计2个有效容积为120L的生化反应器，由I级厌氧生物床、II级厌氧生物床、MBBR生化池、沉淀池串联而成。反应器尺寸为L×B×H=1.0m×0.3m×0.5m，有效水深0.4m， I级厌氧生物床、II级厌氧生物床、MBBR生化池、沉淀池长度分别为0.2m、0.2m、0.4m、0.2m，MBBR生化池采用气泵曝气，实验装置示意图如图1所示。实验组(改良反应器)I级厌氧生物床加载20cm厚粒径3～5mm轻质陶粒，并在其中均匀的铺设多层氧化铁皮共1 200g，氧化铁皮为薄片状，厚度约0.5mm。实验组II级厌氧生物床加载20cm厚粒径0.3～0.5cm轻质陶粒，并在其中均匀的铺设多层海绵铁共1 200g，所用海绵铁粒径5～8mm。实验组MBBR生化池中填充直径3cm的圆形悬浮填料。沉淀区设置斜板沉淀，用于泥水分离。进水采用两点进水，一支进水从I级厌氧生物床接入，另一只进水从MBBR生化池接入，进水流量按1∶1分配。反应器设置两级回流，其中，I级回流自MBBR生化池回流至II级厌氧床，II级回流自II级厌氧床回流至I级厌氧床。对照组(传统反应器)除了不加氧化铁皮及海绵铁外，其他条件与实验组完全相同。

图1 实验装置示意Figure 1 Schematic diagram of experimental device

1.2 实验用水及接种污泥

本实验用水为赤壁市新店镇某小区居民化粪池出水，其主要污染物浓度如表1所示。

表1 实验用水污染物浓度

接种污泥来自于赤壁市新店镇污水处理厂沉淀污泥，该污水处理厂为改良SBR工艺。

1.3 反应器调试运行

两个反应器同步运行，设置进水流量为100mL/min，总水力停留时间(HRT)为20h，进水pH值6.5～8，反应器在室温条件下运行。待厌氧池及曝气池调试挂膜成功后，开始进行连续进水实验。

1.4 分析项目及方法

本实验主要分析项目包括CODcr、氨氮、总氮、总磷，分别采用如下分析方法测定其浓度[11]：CODcr浓度采用快速消解-分光光度法(HJ/T 399—2007)测定；氨氮浓度采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535—2009)测定；总氮浓度采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法(HJ 636—2012)测定；总磷浓度采用钼酸铵分光光度法(GB 11893—89)测定。

2 结果及讨论

2.1 改良反应器与传统反应器除污效果对比

2.1.1 CODcr去除效果对比

两台反应器经过10d的连续运行，反应器进、出水CODcr浓度及去除率对比情况如图2a。

由图2a可以看出，实验组反应器对于CODcr的去除效果要优于对照组。对照组CODcr平均去除率为74.9%，出水CODcr难以稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B标准(CODcr≤60mg/L)。相较于对照组，实验组CODcr平均去除率达82.4%，比对照组提高了7.5%，其出水CODcr浓度均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准(CODcr≤50mg/L)。这可能是由于实验组中II级厌氧生物床中加载了海绵铁，其本身具有还原性，可以直接还原部分有机物。同时，在微溶解氧条件下，可发生类芬顿反应，产生羟基自由基，具有强氧化性，可以氧化部分有机物[4]。另外，海绵铁具有较大的比表面积及多空隙结构，可以吸附部分污染物。

2.1.2 氨氮及总氮去除效果对比

两台反应器连续运行10d，反应器对氨氮及总氮浓度去除效果如图2b、图2c所示。

由图2b可以看出，实验组反应器对于氨氮的去除效果要优于对照组。对照组氨氮的平均去除率为69.5%，实验组氨氮的平均去除率达80.1%，比对照组提高了10.6%。实验组出水浓度均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B标准(氨氮≤8mg/L)，接近一级A(氨氮≤5mg/L)，而对照组出水氨氮浓度，除进水氨氮浓度较低时可达到一级B标准，其余均未能达到一级B标准。

由图2c可以看出，实验组反应器对于总氮的去除效果要优于对照组。对照组总氮的平均去除率为48.8%，实验组总氮的平均去除率达63.8%，比对照组提高了15.0%。实验组出水，除进水浓度较高，导致出水总氮略高于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准(总氮≤15mg/L)外，其余均能达到一级B标准。而对照组出水总氮浓度仅能达到一级B标准。

图2 两台反应器去除效果对比Figure 2 The removal efficiency of different pollutants in two bioreactors

由于实验组I级厌氧生物床中加载了氧化铁皮，其溶解产生Fe3+，可以富集铁还原微生物，在厌氧条件下，Fe3+还原与氨氧化耦合，发生铁氨氧化，促进氨氮转化。实验组II级厌氧生物床中加载了海绵铁，首先，其本身具备还原性，可以促进硝酸盐的还原。其次，海绵铁氧化过程中，消耗溶解氧，利于反硝化反应，促进系统脱氮。再加上，海绵铁氧化溶解释放的Fe2+可以促进铁氧化微生物的富集，在Fe2+氧化过程中，将硝酸根作为电子受体，将其还原[12]。

2.1.3 总磷去除效果对比

两台反应器连续运行10d，反应器对总磷的去除效果如图2d所示。

由图2d可以看出，对照组出水总磷均高于实验组，对照组和实验组反应器对总磷的去除率分别为65.7%和86.4%，去除率相差超过20%，并且实验组去除率呈持续上升的趋势。实验组出水总磷，除第4d外，均能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准(总磷≤0.5mg/L)。这可能主要是由于对照组主要依靠生物除磷，其除磷效果受微生物活性及外部条件影响较大，再加上反应器未充分排泥，均会影响其除磷效果。实验组除了常规的生物除磷外，反应器中还加载了两种铁基材料，II级厌氧生物床中加载了海绵铁，其本身的还原性会消耗池体中的溶解氧，保证池体厌氧环境，促进聚磷菌充分的厌氧释磷。两种铁基材料溶解产生的Fe2+和Fe3+可以与磷酸盐等生成稳定的沉淀而将磷从水中分离出来。另外，海绵铁、铁氧化物及溶解产生的铁氢氧化物还可以通过表面吸附，将磷酸盐等固定下来，这些都会提高系统的除磷效果[13]。

2.2 不同水力停留时间下反应器除污效果分析

调整实验组进水流量分别为70mL/min、200mL/min，以此改变水利停留时间为28h和10h，并与进水流量为100mL/min，水力停留时间为20h时，各污染物的去除率进行比较，考察不同水力停留时间(HRT)时，反应器对CODcr、氨氮、总氮、总磷的去除效果，结果如图3所示。

图3 不同水力停留时间下污染物去除率对比Figure 3 The removal rate of different pollutants with different HRT

由图3可以看出，随着反应器HRT的延长，各污染物的去除率都有所上升，这主要是由于污水与生物膜混合接触的时间比较充分，生化反应时间长，同时，反应器中参与反应的Fe2+/Fe3+量也增加，从而提高了反应器的去污能力。并且，CODcr及总氮去除率上升较为明显，CODcr去除效果提升明显，可能是反应时间延长，反应器释放Fe的总量增加，产生的Fe(OH)2及Fe(OH)3通过絮凝沉淀去除更多的CODcr。总氮去除效果提升明显是因为参与Fe-N循环的生化反应效率虽然不高，但延长反应时间，可以提高参与Fe-N反应的总量，提高系统脱氮效果。

2.3 不同铁加载量下反应器的除污效果分析

设置进水流量均为100mL/min，调整实验组氧化铁皮与海绵铁加载量为80g/L，与铁加载量为50g/L时出水指标进行比较，考察反应器对CODcr、氨氮、总氮、总磷的去除效果，结果如图4所示。

图4 不同铁加载量时各污染物去除率对比Figure 4 The removal rate of different pollutants with different iron filled dose

由图4可以看出，除CODcr外，氨氮、总氮、总磷均是铁加载量为80g/L时去除率更高。随着铁加载量的提高，CODcr去除率反而略有下降，可能是由于海绵铁表面形成钝化膜，包裹在铁基材料表面，减缓了海绵铁的腐蚀及铁离子的释放，反而限制了对CODcr的去除。氨氮和总氮去除率随铁加载量增加而上升，可能是铁基材料的增加，有利于Fe-N循环相关微生物的富集，这些微生物共同作用下，促进了氨氮的转化及系统总氮的去除。在铁加载量为50g/L和80g/L时，系统对总磷的去除效果并没有明显的提高，原因是铁基材料对总磷的去除主要是通过产生Fe-P沉淀以及表面吸附而将P固定下来，并且，有研究表明，Fe(OH)3对磷酸盐的吸附能力要强于氧化铁，这主要受化合物表面积影响[14]。表面形成的钝化膜成分为Fe2O3及FeO[15]，其对磷的吸附能力不及Fe(OH)3，造成系统总磷的去除率升高不明显。

3 结论

1)通过加载氧化铁皮及海绵铁的反应器与常规反应器对比实验，结果表明加载了铁基材料的实验组，其出水水质优于对照组，CODcr的去除率提高了7.5%，氨氮的去除率提高了10.6%，总氮去除率提高了15.0%，总磷去除率提高了20.7%。

2)通过设置不同的水力停留时间，考察不同水利停留时间下，反应器除污效果，结果表明，随着HRT的延长，各污染物的去除率均有不同程度的提升，其中CODcr和总氮的去除率提升较为明显。

3)通过加载不同质量的铁基材料，考察不同铁加载量时，反应器的除污效果，结果表明，当氧化铁皮及海绵铁的加载量由50g/L增加到80g/L时， 除CODcr的去除率略有下降外， 氨氮、总氮、 总磷去除率均提高，表现出良好的脱氮除磷效果。