李 冰, 江振寅， 余蔥蔥

(1.中煤紫光湖北環(huán)?？萍加邢薰? 武漢 430070; 2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局湖北煤炭地質(zhì)局，武漢 430070)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)人口增長(zhǎng)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(guó)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(lái)降解污染物，對(duì)水質(zhì)水量適應(yīng)能力較差，若運(yùn)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(yùn)行過(guò)程中污泥易隨排水流失，影響處理效率。

隨著材料學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的新材料應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域，使得生物膜法越來(lái)越受青睞。以懸浮填料作為微生物生長(zhǎng)載體，發(fā)展出來(lái)的移動(dòng)床生物膜工藝(MBBR)，通過(guò)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)污水的高效處理，已廣泛應(yīng)用于世界各地的污水處理廠(chǎng)，并取得了良好的運(yùn)行效果[2]。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)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(kāi)展。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2個(gè)有效容積為120L的生化反應(yīng)器，由I級(jí)厭氧生物床、II級(jí)厭氧生物床、MBBR生化池、沉淀池串聯(lián)而成。反應(yīng)器尺寸為L(zhǎng)×B×H=1.0m×0.3m×0.5m，有效水深0.4m， I級(jí)厭氧生物床、II級(jí)厭氧生物床、MBBR生化池、沉淀池長(zhǎng)度分別為0.2m、0.2m、0.4m、0.2m，MBBR生化池采用氣泵曝氣，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)組(改良反應(yīng)器)I級(jí)厭氧生物床加載20cm厚粒徑3～5mm輕質(zhì)陶粒，并在其中均勻的鋪設(shè)多層氧化鐵皮共1 200g，氧化鐵皮為薄片狀，厚度約0.5mm。實(shí)驗(yàn)組II級(jí)厭氧生物床加載20cm厚粒徑0.3～0.5cm輕質(zhì)陶粒，并在其中均勻的鋪設(shè)多層海綿鐵共1 200g，所用海綿鐵粒徑5～8mm。實(shí)驗(yàn)組MBBR生化池中填充直徑3cm的圓形懸浮填料。沉淀區(qū)設(shè)置斜板沉淀，用于泥水分離。進(jìn)水采用兩點(diǎn)進(jìn)水，一支進(jìn)水從I級(jí)厭氧生物床接入，另一只進(jìn)水從MBBR生化池接入，進(jìn)水流量按1∶1分配。反應(yīng)器設(shè)置兩級(jí)回流，其中，I級(jí)回流自MBBR生化池回流至II級(jí)厭氧床，II級(jí)回流自II級(jí)厭氧床回流至I級(jí)厭氧床。對(duì)照組(傳統(tǒng)反應(yīng)器)除了不加氧化鐵皮及海綿鐵外，其他條件與實(shí)驗(yàn)組完全相同。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Figure 1 Schematic diagram of experimental device

1.2 實(shí)驗(yàn)用水及接種污泥

本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)用水污染物濃度

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

1.3 反應(yīng)器調(diào)試運(yùn)行

兩個(gè)反應(yīng)器同步運(yùn)行，設(shè)置進(jìn)水流量為100mL/min，總水力停留時(shí)間(HRT)為20h，進(jìn)水pH值6.5～8，反應(yīng)器在室溫條件下運(yùn)行。待厭氧池及曝氣池調(diào)試掛膜成功后，開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)進(jìn)水實(shí)驗(yàn)。

1.4 分析項(xiàng)目及方法

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

2 結(jié)果及討論

2.1 改良反應(yīng)器與傳統(tǒng)反應(yīng)器除污效果對(duì)比

2.1.1 CODcr去除效果對(duì)比

兩臺(tái)反應(yīng)器經(jīng)過(guò)10d的連續(xù)運(yùn)行，反應(yīng)器進(jìn)、出水CODcr濃度及去除率對(duì)比情況如圖2a。

由圖2a可以看出，實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)器對(duì)于CODcr的去除效果要優(yōu)于對(duì)照組。對(duì)照組CODcr平均去除率為74.9%，出水CODcr難以穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)(CODcr≤60mg/L)。相較于對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組CODcr平均去除率達(dá)82.4%，比對(duì)照組提高了7.5%，其出水CODcr濃度均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(CODcr≤50mg/L)。這可能是由于實(shí)驗(yàn)組中II級(jí)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(jī)物。同時(shí)，在微溶解氧條件下，可發(fā)生類(lèi)芬頓反應(yīng)，產(chǎn)生羥基自由基，具有強(qiáng)氧化性，可以氧化部分有機(jī)物[4]。另外，海綿鐵具有較大的比表面積及多空隙結(jié)構(gòu)，可以吸附部分污染物。

2.1.2 氨氮及總氮去除效果對(duì)比

兩臺(tái)反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行10d，反應(yīng)器對(duì)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(shí)驗(yàn)組反應(yīng)器對(duì)于氨氮的去除效果要優(yōu)于對(duì)照組。對(duì)照組氨氮的平均去除率為69.5%，實(shí)驗(yàn)組氨氮的平均去除率達(dá)80.1%，比對(duì)照組提高了10.6%。實(shí)驗(yàn)組出水濃度均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)(氨氮≤8mg/L)，接近一級(jí)A(氨氮≤5mg/L)，而對(duì)照組出水氨氮濃度，除進(jìn)水氨氮濃度較低時(shí)可達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，其余均未能達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

由圖2c可以看出，實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)器對(duì)于總氮的去除效果要優(yōu)于對(duì)照組。對(duì)照組總氮的平均去除率為48.8%，實(shí)驗(yàn)組總氮的平均去除率達(dá)63.8%，比對(duì)照組提高了15.0%。實(shí)驗(yàn)組出水，除進(jìn)水濃度較高，導(dǎo)致出水總氮略高于《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(總氮≤15mg/L)外，其余均能達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)照組出水總氮濃度僅能達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 兩臺(tái)反應(yīng)器去除效果對(duì)比Figure 2 The removal efficiency of different pollutants in two bioreactors

由于實(shí)驗(yàn)組I級(jí)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(jìn)氨氮轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)組II級(jí)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(jìn)硝酸鹽的還原。其次，海綿鐵氧化過(guò)程中，消耗溶解氧，利于反硝化反應(yīng)，促進(jìn)系統(tǒng)脫氮。再加上，海綿鐵氧化溶解釋放的Fe2+可以促進(jìn)鐵氧化微生物的富集，在Fe2+氧化過(guò)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(duì)比

兩臺(tái)反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行10d，反應(yīng)器對(duì)總磷的去除效果如圖2d所示。

由圖2d可以看出，對(duì)照組出水總磷均高于實(shí)驗(yàn)組，對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)器對(duì)總磷的去除率分別為65.7%和86.4%，去除率相差超過(guò)20%，并且實(shí)驗(yàn)組去除率呈持續(xù)上升的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)組出水總磷，除第4d外，均能滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(總磷≤0.5mg/L)。這可能主要是由于對(duì)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(yīng)器未充分排泥，均會(huì)影響其除磷效果。實(shí)驗(yàn)組除了常規(guī)的生物除磷外，反應(yīng)器中還加載了兩種鐵基材料，II級(jí)厭氧生物床中加載了海綿鐵，其本身的還原性會(huì)消耗池體中的溶解氧，保證池體厭氧環(huán)境，促進(jìn)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(lái)。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(guò)表面吸附，將磷酸鹽等固定下來(lái)，這些都會(huì)提高系統(tǒng)的除磷效果[13]。

2.2 不同水力停留時(shí)間下反應(yīng)器除污效果分析

調(diào)整實(shí)驗(yàn)組進(jìn)水流量分別為70mL/min、200mL/min，以此改變水利停留時(shí)間為28h和10h，并與進(jìn)水流量為100mL/min，水力停留時(shí)間為20h時(shí)，各污染物的去除率進(jìn)行比較，考察不同水力停留時(shí)間(HRT)時(shí)，反應(yīng)器對(duì)CODcr、氨氮、總氮、總磷的去除效果，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同水力停留時(shí)間下污染物去除率對(duì)比Figure 3 The removal rate of different pollutants with different HRT

由圖3可以看出，隨著反應(yīng)器HRT的延長(zhǎng)，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(shí)間比較充分，生化反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)，反應(yīng)器中參與反應(yīng)的Fe2+/Fe3+量也增加，從而提高了反應(yīng)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(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，反應(yīng)器釋放Fe的總量增加，產(chǎn)生的Fe(OH)2及Fe(OH)3通過(guò)絮凝沉淀去除更多的CODcr?？偟コЧ嵘黠@是因?yàn)閰⑴cFe-N循環(huán)的生化反應(yīng)效率雖然不高，但延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，可以提高參與Fe-N反應(yīng)的總量，提高系統(tǒng)脫氮效果。

2.3 不同鐵加載量下反應(yīng)器的除污效果分析

設(shè)置進(jìn)水流量均為100mL/min，調(diào)整實(shí)驗(yàn)組氧化鐵皮與海綿鐵加載量為80g/L，與鐵加載量為50g/L時(shí)出水指標(biāo)進(jìn)行比較，考察反應(yīng)器對(duì)CODcr、氨氮、總氮、總磷的去除效果，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同鐵加載量時(shí)各污染物去除率對(duì)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(shí)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(duì)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(guān)微生物的富集，這些微生物共同作用下，促進(jìn)了氨氮的轉(zhuǎn)化及系統(tǒng)總氮的去除。在鐵加載量為50g/L和80g/L時(shí)，系統(tǒng)對(duì)總磷的去除效果并沒(méi)有明顯的提高，原因是鐵基材料對(duì)總磷的去除主要是通過(guò)產(chǎn)生Fe-P沉淀以及表面吸附而將P固定下來(lái)，并且，有研究表明，F(xiàn)e(OH)3對(duì)磷酸鹽的吸附能力要強(qiáng)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(duì)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(jié)論

1)通過(guò)加載氧化鐵皮及海綿鐵的反應(yīng)器與常規(guī)反應(yīng)器對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明加載了鐵基材料的實(shí)驗(yàn)組，其出水水質(zhì)優(yōu)于對(duì)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(guò)設(shè)置不同的水力停留時(shí)間，考察不同水利停留時(shí)間下，反應(yīng)器除污效果，結(jié)果表明，隨著HRT的延長(zhǎng)，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(guò)加載不同質(zhì)量的鐵基材料，考察不同鐵加載量時(shí)，反應(yīng)器的除污效果，結(jié)果表明，當(dāng)氧化鐵皮及海綿鐵的加載量由50g/L增加到80g/L時(shí)， 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。