海绵铁除磷在污水处理中的应用效果及机理研究

平玉焕

（中工工程机械成套有限公司 北京 100070）

磷是造成水体富营养化的关键原因［1-3］，水体富营养化不仅会致使藻类疯长［4-6］，而且会使水体含氧量急剧下降，严重影响水环境生态平衡。据调查，生活污水中总磷含量一般在3 mg/L～6 mg/L。进入21 世纪以来，随着人们生活水平的不断提高和生活用水量不断增大，生活污水未经处理或未经有效处理直接排入水体已然成为水环境富磷的主要原因，所以在对生活污水处理过程中，有效除磷尤为重要。

化学药剂除磷效果虽好，但是成本投入大、工艺程序复杂且会生成磷酸盐沉淀需要继续过滤去除，还可能造成大范围药品污染［7-9］；微生物法除磷对环境要求较高、厌氧—好氧条件难以控制［10-11］，并且会生成大量含磷污泥［12］。

近些年，一些学者发现在污水处理系统中添加海绵铁可有效降低出水中总磷含量并开展了一些实际应用，但对于海绵铁在系统中除磷的时效性及除磷机理研究较少。本实验在传统污水处理系统（人工快速渗滤系统）内加入特殊除磷介质海绵铁，利用对系统进出水中总磷浓度的测定和对海绵铁使用前后的特征鉴定，确定海绵铁除磷效果和机理，为传统污水处理系统高效除磷提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 实验材料

（1）实验装置。实验搭建人工快速渗滤实验柱和空白对比柱。2 个实验柱总高度均为170 cm，其中：填充高度150 cm，填料由上而下依次为布水层、非饱水层、毛细阻断层、饱水层和承托层；非饱水层和饱水层填充高度均为60 cm，布水层、毛细阻断层和承托层填充高度均为10 cm。

实验柱在非饱水层最下端设置取样口，命名为1C，沿程向下每隔20 cm 设置取样口，分别命名为2C、3C、4C；空白对比柱以同样的位置设置1C’、2C’、3C’和4C’。实验柱和空白对比柱系统出水口均设置在承托层中部，通过U 型设计与饱水层顶端高度一致，保证饱水层始终处于厌氧环境。

（2）实验填料。实验柱和空白对比柱主要填料为粒径0.5 mm～1.0 mm 的天然河砂和沸石（河砂和沸石体积比为4∶1），搅拌均匀后装填。实验柱在饱水层添加占饱水层体积分数为7%的海绵铁，海绵铁抗压强度高、不粉化、不板结，比表面积大。

（3）进水水质。本实验采用实验室配水模拟生活污水，进水COD、氨氮、硝酸盐氮和总氮的平均浓度分别为321.43 mg/L、36.57 mg/L、1.12 mg/L 和43.96 mg/L，总磷浓度范围2 mg/L～10 mg/L，平均浓度5.74 mg/L。

1.2 实验方法

（1）柱实验。实验在室温条件下运行，水力负荷为1 m/L，水力负荷周期为6 h，采用干湿交替的运行方式，湿干比为1∶5。测定实验柱和空白对比柱在一个水力负荷周期内进水及各出水口出水中总磷浓度；测定系统长期运行过程中实验柱进出水总磷浓度；调整运行参数，测定实验柱进出水总磷浓度。

（2）海绵铁分析。采用扫描电镜（SEM）和X 射线能谱仪（EDS）分析海绵铁表面形态和无机元素组成，比较实验前后海绵铁的变化。

（3）测定方法。总磷：钼酸铵分光光度法（GB11893—89）。

2 结果与讨论

2.1 海绵铁除磷效果分析

为探究海绵铁在污水处理系统中对总磷的去除效果，系统稳定运行后，在一个水力负荷周期内通过对实验柱和空白对比柱各取样口和最终出水口分层取水，测定分层出水效果。4 次测定结果见图1。

由图1 可知，1C 和1C’出水水质较进水变化小，经非饱水层处理后，总磷累积去除率不高于14%。说明非饱水层填料对总磷的吸附及反应沉淀能力差，同时存在于非饱水层的微生物对总磷的同化吸收及聚磷菌对磷的过量积累效果也非常有限［12］。

图1 总磷进出水浓度对比

由图1 可知，2C、3C 和4C 出水较1C 出水中总磷浓度显著降低，总磷去除效果良好且快速，2C’、3C’和4C’出水较1C’出水中总磷浓度变化不明显。说明实验柱饱水层发挥了良好的除磷作用，而空白对比柱饱水层除磷作用非常有限。

综上所述，总磷的去除主要发生在实验柱饱水层，实验柱饱水层因添加特殊填料——海绵铁，使系统对总磷的累计去除率可快速达到98%以上。

2.2 海绵铁除磷时效性分析

为研究海绵铁对总磷去除效果的时效性，对实验柱进行了为期8 个月的连续运行和测定，在运行过程中对总磷的进出水浓度及去除率进行统计，结果如图2。

图2 总磷去除效果

由图2 可知，系统连续运行中对总磷的平均累计去除率为99.31%，出水中总磷浓度始终满足《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类标准，出水效果良好且稳定；总磷去除率没有因为系统的持续运行而有所下降。说明实验柱内填充的海绵铁经系统长期运行仍含有大量除磷有效成分，足以长期且连续去除进水中的总磷。

综上所述，海绵铁不仅能快速去除生活污水中总磷，且具有较好的时效性和稳定性；长期运行过程中进水总磷浓度差异较大，但出水中总磷浓度始终稳定低于0.07 mg/L，说明添加海绵铁的污水处理系统对总磷的抗冲击负荷能力强。

2.3 水力负荷改变对海绵铁除磷效果的影响

水力负荷是单位面积填料每天可以处理的污水水量。提高水力负荷会提高系统处理效率。本实验在其他运行工况不变的前提下提高水力负荷，研究水力负荷对系统除磷效果的影响。

在水力负荷分别为1.0 m/d、1.5 m/d 和2.0 m/d，平均进水浓度分别为3.56 mg/L、3.98 mg/L 和3.42 mg/L 的条件下，分别经过8 个水力负荷周期实验测定系统出水中总磷浓度，测定结果见图3。

图3 水力负荷对除磷效果的影响

由图3 可知，3 种水力负荷条件下总磷出水浓度稳定且均小于0.06 mg/L，说明一定水力负荷范围内系统中海绵铁的除磷效果不受水力负荷变化的影响，该实验条件下系统总磷出水浓度稳定良好。

综上所述，海绵铁在污水处理系统中的应用不会成为限制系统水力负荷提高的因素。

2.4 海绵铁除磷机理分析

由柱实验可知，系统主要依靠添加海绵铁达到除磷效果，对实验前后海绵铁进行扫描电镜（SEM），见图4。

由图4 可知，实验前海绵铁表面较光滑，实验后表面明显有簇状物生成，说明有化学反应在海绵铁表面发生。为进一步研究实验前后海绵铁表面发生的反应，采用X 射线能谱分析仪（EDS）对实验前后海绵铁的无机元素组成和含量进行分析，即对海绵铁进行EDS 测定，结果见图5。

图4 实验前后海绵铁的SEM

图5 实验前后海绵铁的EDS

由图5 可知，实验前海绵铁的主要无机元素为O、Fe、Si、Mg、Ca 和As，其中Fe 和O 的原子百分数分别为60.86%和29.84%，说明海绵铁主要以铁的氧化物形式存在；实验结束后海绵铁所含无机元素主要为O、Fe、Si、Ca、P 等，其中Fe 和O的原子百分数分别为69.45%和15.93%。Fe 和O 仍为运行结束后海绵铁的主要无机元素，说明经过长时间运行后海绵铁仍存在较大量的有效成分——铁的氧化物。另外，实验后P 元素的出现说明系统进水中的P 与海绵铁发生了物理化学反应。

生活污水中的磷主要以正磷酸盐、聚合磷酸盐形式存在［13］，聚合磷酸盐在水中会自动转化为正磷酸盐，所以进入系统中的磷主要以正磷酸盐形式存在［14-15］。

海绵铁主要以铁的氧化物存在，还含有少量其他元素（Si、Mg 和Ca）的氧化物且其结构疏松多孔。一方面由于其疏松多孔结构使其对磷有一定的吸附效果；另一方面海绵铁中的Fe、Mg 和Ca 等活性物质，在适宜条件下生成的Fe2+、Fe3+、Mg2+和Ca2+与磷酸根离子反应生成不溶于水的沉淀，从而达到除磷的效果；同时铁离子和亚铁离子在碱性条件下会产生絮凝作用，生成的絮凝物会强化吸附效果同时裹挟更多的磷酸盐产生絮凝，生成的沉淀或絮凝物聚集在海绵铁表面，形成实验结束后海绵铁扫描电镜图中的簇状结构。

3 结论

（1）在污水处理系统中添加除磷填料——海绵铁，可高效快速去除污水中的总磷，去除率高达98%以上。

（2）海绵铁除磷效果具有一定时效性与稳定性，可稳定除磷的时效不低于12 个月，且对进水量和总磷进水浓度有良好的抗冲击负荷能力。

（3）一定变化范围内（水力负荷1.0 m/d～2.0 m/d），水力负荷不影响海绵铁除磷效果。

（4）海绵铁除磷机理：①物理化学吸附除磷；②一定条件下海绵铁中的阳离子与磷酸根离子之间发生化学沉淀反应除磷；③铁离子和亚铁离子在适宜条件下的絮凝作用去除系统中的总磷。