嚴(yán)子春 史登峰 Nosakhare Iseghayan

(蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

富鐵填料強(qiáng)化A/O—曝氣生物濾池工藝的脫氮除磷效果*

嚴(yán)子春 史登峰 Nosakhare Iseghayan

(蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

對比研究了富鐵填料對A/O—曝氣生物濾池(BAF)工藝的脫氮除磷強(qiáng)化效果。結(jié)果表明，與無富鐵填料的A/O—BAF工藝相比，富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝對TN的去除率可提高15.2～19.0百分點(diǎn)，對TP的去除率可提高55.2～57.2百分點(diǎn)，但對COD的影響不大。通過對微生物種群的分析發(fā)現(xiàn)，富鐵填料的使用能明顯促進(jìn)噬纖維菌科(Cytophagaceae)、黃單胞菌科(Xanthomonadaceae)、硝化螺菌屬(Nitrospira)、假單孢菌屬(Pseudomonas)的生長，使得硝化、反硝化和除磷作用得以加強(qiáng)。此外，富鐵填料釋放的Fe2+可充當(dāng)反硝化反應(yīng)的電子供體，直接去除硝酸鹽氮，還能除氧保證反硝化反應(yīng)條件。錳砂還能促進(jìn)化學(xué)沉淀除磷。

污水處理 脫氮除磷 A/O 曝氣生物濾池 富鐵填料

曝氣生物濾池(BAF)是一種高效的生物膜處理技術(shù)，在生活污水及工業(yè)廢水處理等方面都有重要應(yīng)用[1-2]，但其脫氮效能受各種條件影響而并不穩(wěn)定[3]，除磷效果更差[4]。A/O—BAF具有耐沖擊負(fù)荷能力高、無污泥膨脹、占地面積小、能耗低和處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，可同步穩(wěn)定去除有機(jī)物并穩(wěn)定生物脫氮[5-6]。富鐵填料表面積較大、價(jià)格低廉，既對硝化作用有一定的促進(jìn)作用[7]，又可提高除磷效果[8-9]。本研究將富鐵填料應(yīng)用到A/O—BAF工藝中，用于強(qiáng)化A/O—BAF工藝的同時(shí)脫氮除磷效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝的試驗(yàn)裝置如圖1所示。厭氧濾柱尺寸為Φ80 mm×3.0 m，濾料為陶粒，填充高度為1.30 m；好氧濾柱尺寸為Φ80 mm×2.0 m，濾料為沸石，填充高度為1.30 m。富鐵填料濾柱尺寸為Φ80 mm×2.0 m，試驗(yàn)了富鐵填料與沸石混合濾料(以下稱濾料1)和富鐵填料與錳砂混合濾料(以下稱濾料2)，體積比均為3∶1，填充高度均為0.75 m，沸石、錳砂的主要作用是防止富鐵填料板結(jié)。以A/O—BAF工藝為對照，其裝置除沒有富鐵填料濾柱外，其他都與富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝相同。

1.2 試驗(yàn)材料

(1) 陶粒：密度為1.42 g/cm3，堆積度為0.74 g/m3，粒徑為5.0～8.0 mm，主要化學(xué)成分SiO2、Fe2O3、A12O3、CaO、MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為64.22%、6.00%、15.82%、5.39%、2.85%。

1—進(jìn)水桶；2—蠕動泵；3—空氣壓縮機(jī)；4—?dú)怏w轉(zhuǎn)子流量計(jì)；5—厭氧濾柱；6—好氧濾柱；7—富鐵填料濾柱；8—濾料區(qū)；9—承托層；10—回流管；11—出水桶；12—反沖洗管圖1 富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝裝置圖Fig.1 Schematic diagram of iron-rich media enhanced A/O-BAF process

(2) 沸石：密度為2.20 g/m3，堆積度為2.16 g/cm3，粒徑為3.0～5.0 mm，主要化學(xué)成分SiO2、A12O3、FeO、MgO、CaO、K2O、TiO2和Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為68.52%、11.59%、1.04%、1.13%、3.27%、1.69%、0.10%、0.66%。

(3) 富鐵填料：密度為2.49 g/cm3，堆積度為1.76 g/cm3，粒徑為5.0～8.0 mm，總鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)約96.50%，單質(zhì)鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥90%。

(4) 錳砂：密度為3.60 g/cm3，堆積度為1.85 g/cm3，粒徑為5.0～8.0 mm，主要成分為MnO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～45%)，SiO2和總鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約20%。

1.3 試驗(yàn)用水及測定方法

試驗(yàn)用水為蘭州交通大學(xué)校園生活污水，歷史水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)指標(biāo)

COD采用HACH DRB200消解器消解，HACH DR5000分光光度計(jì)測定；TP、TN采用過硫酸鉀氧化—鉬銻抗分光光度法、堿性過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法[10]測定；微生物種群通過Illumina Miseq高通量測序方法[11]測定，能鑒定到屬水平的鑒定到屬，不能鑒定到屬水平的鑒定到科。

1.4 A/O—BAF工藝啟動

活性污泥取自蘭州市某污水處理廠好氧曝氣池，經(jīng)試驗(yàn)用水馴化后，兩套A/O—BAF工藝初始階段均以較小水力負(fù)荷0.25 m3/(m2·h)運(yùn)行，22 d后水力負(fù)荷增大至0.50 m3/(m2·h)，掛膜啟動歷時(shí)37 d，掛膜啟動成功。然后，其中一套A/O—BAF工藝再裝上富鐵填料濾柱，作為富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝。

2 結(jié)果與討論

2.1 富鐵填料對污染物去除效果及微生物種群的影響

2.1.1 富鐵填料對污染物去除效果的影響

由表2可知，A/O—BAF工藝和富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝的出水COD均較低，完全達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn)，富鐵填料的影響不是很大。對TN而言，A/O—BAF工藝的去除率僅為39.6%，而富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝的去除率明顯高于A/O—BAF工藝，濾料1和濾料2時(shí)分別達(dá)到了54.8%、58.6%，分別提高了15.2、19.0百分點(diǎn)，可見富鐵填料對TN的脫除效果提升較為明顯。富鐵填料對TP的脫除效能提升更為明顯，A/O—BAF工藝的去除率僅為29.6%，而富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝，濾料1和濾料2時(shí)分別達(dá)到84.8%、86.8%，分別提高了55.2、57.2百分點(diǎn)。

2.1.2 富鐵填料對微生物種群的影響

表2 污染物的去除效果1)

注：1)濾料1強(qiáng)化工藝指使用濾料1的富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝；濾料2強(qiáng)化工藝指使用濾料2的富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝。

由于濾料2對氮磷的去除效果優(yōu)于濾料1，因此研究富鐵填料對微生物種群的影響時(shí)只比較了使用濾料2的富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝與A/O—BAF工藝的差異。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝中Methyloversatilis的豐度(4.0%)比A/O—BAF工藝(2.5%)明顯增加，而疣微菌科(Verrucomicrobiaceae)的豐度卻是A/O—BAF工藝(2.8%)大于富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝(0.5%)。Methyloversatilis可同化含碳有機(jī)物，而疣微菌科可代謝產(chǎn)生葡萄糖、谷氨酸等化合物。由此可見，富鐵填料的使用對于降解有機(jī)物方面，都有可能促進(jìn)降解有機(jī)物和生成有機(jī)物的微生物生長，這也是富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝與A/O—BAF工藝相比，對COD去除率影響不大的原因。

A/O—BAF工藝中噬纖維菌科(Cytophagaceae)、黃單胞菌科(Xanthomonadaceae)、硝化螺菌屬(Nitrospira)的豐度分別為0.9%、1.1%、3.0%；而富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝中增加至2.0%、2.3%、6.4%，且出現(xiàn)了假單孢菌屬(Pseudomonas)，豐度為0.9%。噬纖維菌科、黃單胞菌科和硝化螺菌屬均為常見的反硝化菌，假單孢菌屬為異養(yǎng)硝化—好氧反硝化菌，同時(shí)還屬于聚磷菌。雖然同樣具有反硝化功能的小梨形菌屬(Pirellula)豐度由A/O—BAF工藝的1.6%減小至富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝的0.9%，但總體不影響富鐵填料對脫氮效果的強(qiáng)化。可見，富鐵填料可明顯促進(jìn)硝化和反硝化作用，提高A/O—BAF工藝的脫氮效果，除磷效果也大大增強(qiáng)。

2.2 富鐵填料強(qiáng)化脫氮除磷的機(jī)理分析

2.2.1 對TN的影響

富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝對TN的去除率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A/O—BAF工藝，可能原因是：(1)富鐵填料促進(jìn)了具有反硝化功能的噬纖維菌科、黃單胞菌科、硝化螺菌屬和假單孢菌屬等微生物的生長；(2)富鐵填料釋放的Fe2+可充當(dāng)反硝化反應(yīng)的電子供體[12]，會直接去除體系中的一部分硝酸鹽氮(見式(1))；(3)富鐵填料還可作為除氧劑，與水中的溶解氧發(fā)生氧化反應(yīng)生成Fe3O4，達(dá)到除氧的效果，因此富鐵填料濾柱出水回流至前置厭氧濾池可為反硝化段提供良好的厭氧環(huán)境。

(1)

2.2.2 對TP的影響

富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝對TP去除率的提高更加明顯，且濾料2比濾料1的去除效果更佳，可能是錳砂具有催化作用[13]，使析出的Fe2+能較快速的被氧化為Fe3+，有利于發(fā)生化學(xué)沉淀除磷反應(yīng)。從反應(yīng)現(xiàn)象來看，一段時(shí)間后濾料2表面有黃褐色泥層形成，是為堿式磷酸鐵絡(luò)合物沉淀[14]?？梢?，化學(xué)沉淀除磷顯著提升了除磷效果。此外，假單胞菌屬屬于聚磷菌，其在富鐵填料強(qiáng)化A/O—BAF工藝中出現(xiàn)也有利于對TP的去除。

3 結(jié) 論

富鐵填料可以顯著強(qiáng)化A/O—BAF工藝的脫氮除磷效果，TN去除率可提高15.2～19.0百分點(diǎn)，TP去除率可提高55.2～57.2百分點(diǎn)，但對COD的影響不大。原因是富鐵填料促進(jìn)了噬纖維菌科、黃單胞菌科、硝化螺菌屬、假單孢菌屬的生長，使得硝化、反硝化和除磷作用得以加強(qiáng)。另外，富鐵填料釋放的Fe2+可充當(dāng)反硝化反應(yīng)的電子供體，直接去除硝酸鹽氮，還能除氧保證反硝化反應(yīng)條件。錳砂還能促進(jìn)化學(xué)沉淀除磷。

[1] 陳永志,彭永臻,王建華,等.A2/O—曝氣生物濾池工藝處理低C/N比生活污水脫氮除磷[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(10):1957-1963.

[2] LU X J,YANG B,CHEN J H,et al.Treatment of wastewater containing azo dye reactive brilliant red X-3B using sequential ozonation and upflow biological aerated filter process[J].Journal of Hazardous Materials,2009,161(1):241-245.

[3] 陳廣銀,陳洪斌,何群彪,等.CEPT—曝氣生物濾池低溫下處理模擬灰水的應(yīng)用研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2009,3(6):1007-1010.

[4] WANG H J,DONG W Y,TING L,et al.Enhanced synergistic denitrification and chemical precipitation in a modified BAF process by using Fe2+[J].Bioresource Technology,2014,151:258-264.

[5] NOSAKHARE I.The removal of nitrogen and phosphorus from wastewater using enhanced A/O-BAF system[D].Lanzhou:Lanzhou Jiaotong University,2016.

[6] 武福平,劉光,白晶晶,等.A/O一體式BAF處理生活污水性能實(shí)驗(yàn)研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,35(1):1-5.

[7] 王秀蘅,任南琪,王愛杰,等.鐵錳離子對硝化反應(yīng)的影響效應(yīng)研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,35(1):122-125.

[8] 嚴(yán)子春,龍騰銳,何強(qiáng).城市污水曝氣過濾式化學(xué)除磷試驗(yàn)研究[J].中國給水排水,2006,22(3):86-88.

[9] 嚴(yán)子春,程攀.多孔富鐵組合填料化學(xué)除磷的化學(xué)動力學(xué)分析[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2016,10(9):4668-4672.

[10] 國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[11] 周子寒,彭紹亮,伯曉晨,等.基于高通量測序技術(shù)的微生物檢測數(shù)據(jù)分析方法[J].生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展,2017,44(1):58-69.

[12] WANG Z,WANG H W,MA L M.Iron shavings supported biological denitrification in sequencing batch reactor[J].Desalination and Water Treatment,2012,49(1/2/3):95-105.

[13] 高孟春,李冰,梁方圓,等.海綿鐵/錳砂混合填料預(yù)處理模擬印染廢水的研究[J].工業(yè)水處理,2010,30(9):32-34.

[14] 嚴(yán)子春,何強(qiáng),龍騰銳.多孔富鐵填料曝氣過濾除磷機(jī)理研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2010,4(6):1305-1308.

Enhancedeffectofiron-richmediaonnitrogenandphosphorusremovalbyA/O-BAFprocess

YANZichun,SHIDengfeng,NosakhareIseghayan.

(SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,LanzhouGansu730070)

Iron-rich media was applied in A/O-BAF process. The effects of iron-rich media was studied to enhance nitrogen and phosphorus removal. Results showed that compared with A/O-BAF process without iron-rich media,iron-rich media enhanced A/O-BAF process promoted TN and TP removal rate by 15.2-19.0 and 55.2-57.2 percentages,respectively,but little effect on COD. The attempts were made to study the microbial population. Results showed that iron-rich media helped boosting Cytophagaceae,Xanthomonadaceae,NitrospiraandPseudomonas,so as to enhance nitrification,denitrification and dephosphorylation. Moreover,Fe2+and deoxidization by iron-rich media could also help denitrification. Manganese greensand could remove phosphorus by another way of chemical precipitation.

sewage treatment; nitrogen and phosphorus removal; A/O; BAF; iron-rich media

嚴(yán)子春，男，1970年生，博士，教授，主要從事水處理理論與技術(shù)研究。

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51568034)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(No.2016YFC0400703)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.11.005

2017-02-18)