土木建筑与环境工程  2016, Vol. 38 Issue (3): 53-57   PDF    
FeSO4应用于SBBF强化除磷
季斌1, 朱雷1, 陈威1, 王健1, 杨开2    
1. 武汉科技大学 城市建设学院, 武汉 430065 ;
2. 武汉大学 土木建筑工程学院, 武汉 430072
收稿日期：2016-01-12
基金项目：湖北省教育厅中青年人才项目(Q20161116);国家科技支撑计划(2014BAL04B04);武汉科技大学青年科技骨干培育计划(2016XZ033)
作者简介：季斌(1987-),男,主要从事污水处理工艺及环境微生物学研究,(E-mail)binji@wust.edu.cn。
摘要：序批式生物膜滤池(SBBF)是基于序批式生物膜法的改进污水处理新型工艺,针对SBBF处理城市污水的除磷的效果较差的弊端,通过直接投加FeSO4 7H2O到反应体系实现协同除磷,使得该工艺能够较好地应用于污水脱氮除磷。Fe(Ⅱ)的投加量从0.03~0.3 mM进行协同除磷试验,结果表明0.2 mM的Fe(Ⅱ)投加可为有效投加量。进一步将0.2 mM的Fe(Ⅱ)在进水阶段后投加到反应体系,稳定运行1个月,发现出水的TP稳定保持在0.5 mg/L以下,而COD和氮的去除基本不受影响。COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分别为84.9%、83.2%、46.3%和88.2%。反应器出水的各项指标均稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级A排放标准。
关键词：序批式生物膜滤池    协同除磷    混凝剂    城市污水    
Enhanced phosphorus removal in a SBBF by using ferrous sulfate
Ji Bin1, Zhu Lei1, Chen Wei1, Wang Jian1, Yang Kai2    
1. School of Urban Construction, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, P. R. China;
2. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, P. R. China
Received: 2016-01-12
Foundation item: Youth Foundation by Hubei Ministry of Education(No.Q20161116);National Science and Technology Pillar Program (No. 2014BAL04B04);The Plan for Outstanding Young Teachers of WUST (No. 2016XZ033)
Author brief: Ji Bin(1987-), main interests: wastewater treatment process and environmental microbiology,(E-mail) binji@wust.edu.cn.
Abstract: A sequencing batch biofilm filter was a novel technology based on SBBR. As the sequencing batch biofilm filter was not efficient for phosphorus removal in the treatment of domestic sewage, FeSO4 7H2O was added to the SBBF in order to achieve chemical aided biological phosphorus removal, which was meaningful for nitrogen and phosphorus removal in wastewater treatment. When concentrations of Fe(Ⅱ)varied from 0.03 to 0.3 mM, it indicated that 0.2 mM Fe(Ⅱ) might be a proper dosage. When 0.2 mM Fe(Ⅱ)was added to the bioreactor at the end of influent phase for one month, the effluent TP remained stable at below 0.5 mg/L, and the removal of COD and nitrogen were not affected. The average removal efficiencies of COD、NH4+-N、TN and TP were 84.9%、83.2%、46.3% and 88.2%, respectively. The parameters of reactor effluent were stable to achieve the A standard "discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant (GB 18918-2002)".
Key Words: sequencing batch biofilm filter    chemical aided biological phosphorus removal    coagulant    domestic sewage    

序批式生物膜滤池(sequencing batch biofilm filter)是序批式生物膜法和生物滤池的有效结合，通过接触氧化和过滤作用从而达到去除污染物的目的[1-2]。之前的研究表明[3]，序批式生物膜滤池通过同步硝化反硝化作用脱氮的效果较好,由于大量的异养微生物的生长代谢可获得较高的有机物的去除率。但是SBBF通过反硝化除磷作用和反冲洗过程排泥而达到除磷的效果，出水的TP的浓度基本上达不到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中一级A标准的要求[1-2, 4]。膜法除磷主要是依靠生物膜的脱落，然后排放到反应系统外来达到除磷目的[5]，较长的SRT也不利于生物除磷。

化学除磷是利用化学药剂将水中溶解性的磷变为非溶解性的磷，而化学协同除磷是将化学混凝剂直接投加在生物反应池中[6]，使溶解性有机磷由水中析出而沉淀或过滤分离[7]，是一种简单有效的强化除磷的方法。这就需要采用化学协同除磷的方法来进一步提高SBBF对磷的去除作用。铁盐和铝盐被广泛运用于强化反应器磷的去除[8-11],由于铁盐比铝盐对微生物毒性更小，且硫酸亚铁价格相对低廉,本研究采用FeSO4 7H2O对SBBF进行强化协同除磷，旨在探索其投加方式，投加量及对污染物去除效果的研究。

1 试验材料与方法
1.1 试验装置

SBBF装置见图 1所示。反应器采用有机玻璃制造，有效高度3.5 m，内径0.235 m。底部为0.5 m集水区，在集水区上面是具有曝气盘和长柄滤头，其中,曝气盘上开有数十个0.9 mm直径的曝气孔，曝气盘上面依次是1.1 m的无烟煤滤料(直径1~2 mm，真实密度1 500 kg/m3)和1.7 m的高分子复合物生物带填料(4 mm厚，40 mm宽，真实密度800 kg/m3，30 000 m2/m3的比表面积)，进水口在填料的上部，每周期处理的水量通过浮球阀进行自动控制(H1-H2)。

图 1 SBBF实验装置图 Fig. 1 Sketch of SBBF

通过控制柜来自动控制装置运行，反应器装置的运行方式为间歇进水，间歇出水。原水通过管道进水泵到反应器，混合静置30 min，曝气70 min 沉淀10 min，静置过滤出水从而进入下一个周期。出水的初始滤速控制在5 m/h左右，控制气阀使得水中DO保持在2~3 mg/L，通过控制每周期的水量使得HRT为10 h，通过反冲洗排泥使SRT控制在60 d左右。

1.2 投药方案

在最佳工艺参数条件下，SBBF对有机物和氮素的去除效果很高，但对磷的去除效果的欠缺，将FeSO4 7H2O用10 mL纯水溶解后，在进水阶段结束后的3 min内，直接投加到反应器，在得出最佳投药量之后，试验一个月。选择每日正午的进水和出水来测定氮磷和COD等指标。由于混凝剂的投加使得反应器的产泥量增多，SBBF的反冲洗周期从5 d左右减少到3 d左右。

1.3 试验水质及方法

以武汉市二郎庙污水处理厂的沉砂池出水为试验用水，具体水质指标如表 1。COD、NH4+-N、TN和TP的测定分别采用标准方法即重铬酸钾法、纳氏试剂分光光度法、碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法和钼酸铵分光光度法，水温和DO采用YSI52数字式溶解氧测量仪测定。

表 1 SBBF进水水质指标 Table 1 Characteristics of raw water

2 结果与讨论

FeSO4 7H2O的投加量从0.03~0.3 mM，取样并测定各项水常规指标。FeSO4 7H2O投加量如表 2所示，图 2为不同浓度FeSO4 7H2O投加量下进水和出水的总磷浓度。由图 2可知，当FeSO4 7H2O达到0.2 mM及以上的时候，出水总磷均在0.5 mg/L以下，综合考虑污染物去除效果和经济因素，FeSO4 7H2O的投加量确定为0.2 mM。

表 2 不同浓度FeSO4 7H2O投加量方案 Table 2 Dosage scheme of varied concentrations of FeSO4 7H2O

图 2 不同浓度FeSO4 7H2O投加对TP去除效果的影响 Fig. 2 Impact of varied concentrations of FeSO4 7H2O on TP removal efficiency

对其效果进一步评价，将FeSO4 7H2O投加量稳定在0.2 mM一个月时间，每隔一天取样测定各项水质指标。进出水总磷、总氮、氨氮和生化需氧量的结果分别如图 3~6所示。

图 3 FeSO4 7H2O投加对COD的去除效果的影响 Fig. 3 effect of FeSO4 7H2O addition on COD removal efficiency

图 4 FeSO4 7H2O投加对NH4+-N的去除效果的影响 Fig. 4 effect of FeSO4 7H2O addition on NH4+-N removal efficiency

图 5 FeSO4 7H2O投加对TN的去除效果的影响 Fig. 5 effect of FeSO4 7H2O addition on TN removal efficiency

图 6 FeSO4 7H2O投加对TP的去除效果的影响 Fig. 6 effect of FeSO4 7H2O addition on TP removal efficiency

由图 3~6可知，反应器1个月的进水总磷范围为1.4~6.8 mg/L，出水TP均保持在0.5 mg/L以下，其他指标TN、NH4+-N和COD均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分别为84.9%、83.2%、46.3%和88.2%。因此，进水阶段末向反应器里面投加0.2 mM FeSO4 7H2O(55.6 mg/L FeSO4 7H2O或30.4 mg/L FeSO4)可以实现同步化学生物耦合除磷。另外投加的亚铁离子可为微生物反硝化作用提供电子，即可形成铁自养反硝化作用，从而提高反应器脱氮的效果。

铁盐的水解产物对磷酸根的吸附通过电中和、吸附架桥及絮体的卷扫作用使胶体凝聚沉淀。关于利用铁盐进行强化脱氮除磷的报告也有。用硫酸亚铁(Fe∶P =2.1∶1,摩尔比) 可使出水的TP在0.5~1.0 mg/L变化[12]。投加氯化铁(Fe∶P = (1.5~2.3)∶1,摩尔比) 到一个生物曝气池可以获得超过90%的TP去除[8]。尽管AOB的活性可能受到含铁产物的影响，Fe2+或Fe3+的投加(0.446 mM)不影响实验室规模的反应器NH4+-N 的去除率[13]。也有报道FeSO4·7H2O投加到一个实验室规模的A/O反应器对总氮的去除率没有影响(78%到85%) [12]。说明亚铁盐应用于SBBF强化协同除磷是可行的。

尽管反渗透和电渗析等物化手段除磷效率较高，但目前为止成本很高。强化生物除磷(EBPR)的除磷是利用PAOs在厌氧好氧或者厌氧缺氧的环境下运行从而过量摄取磷，达到除磷的目的，但条件要求高且很难稳定。将无机的混凝剂直接投加到生物反应体系是一种简单有效的强化除磷的方法。投加过量金属盐会对生物处理系统中的微生物造成毒害作用[14]，从而影响生物处理系统的正常运行。亚铁盐的投加从某种程度上会影响到生物除磷，这是因为磷酸铁对钾离子的竞争吸附作用[15]。尽管混凝剂的投加可使得反应体系的产泥量增多[16]，通过投加0.2 mM的亚铁盐使得后SBBF的出水COD、TN、NH4+-N和TP的浓度均稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A 标准，使得SBBF在处理低碳氮比的城市污水上有实用价值的可能。今后的研究可进一步将SBBF进行生产性试验，对反应系统的微生物生态学特性进行研究，揭示铁元素作用下系统的功能菌群结构。另外，由于亚铁盐的投加使得系统产泥量增多，必须从协同除磷的污泥中进一步分离铁和磷,从而达到污染物回收利用的目的。

3 结 论

1) 针对SBBF除磷效果差的特点，成功运用硫酸亚铁直接投加到反应体系进行强化脱氮除磷。

2) 硫酸亚铁的用量为0.2 mM,可使得SBBF出水的TP在0.5 mg/L以下，而有机物和氮的去除基本不受影响。

3) 将0.2 mM 的FeSO4 7H2O投加到SBBF稳定运行1个月，COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分别为84.9%、83.2%、46.3%和88.2%，均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。

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