大型工業(yè)園區(qū)污水處理廠深度處理中試研究

張禾，薛罡，劉振鴻，曾超，蔣夢(mèng)然

（東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

摘要：鑒于某工業(yè)園區(qū)污水處理廠需要提標(biāo)改造，采用多金屬焦/生物一體化催化還原工藝對(duì)二沉池出水進(jìn)行深度處理中試，考察了其對(duì)COD、NH₃-N等指標(biāo)的去除效果。結(jié)果表明，在二沉池出水COD為110~180mg/L、氨氮為8~10mg/L的條件下，經(jīng)該工藝處理后，出水COD<60mg/L、氨氮<5mg/L，出水水質(zhì)可達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002)的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

某工業(yè)園區(qū)污水處理廠于2006年9月正式建成并通水運(yùn)行，處理規(guī)模為30×10⁴ m³/d,主要接納該地區(qū)東部印染廢水以及部分生活污水，其中印染廢水占80%以上。污水廠采用改良型AB生化法工藝，出水水質(zhì)執(zhí)行《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996），其中COD指標(biāo)執(zhí)行《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4287—92)。

為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的要求，2015年該污水處理廠的所有指標(biāo)將按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002)的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。因此，對(duì)二沉池出水進(jìn)行深度處理已經(jīng)迫在眉睫。為了確保出水水質(zhì)，主要是COD指標(biāo)能達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)的要求，采用多金屬焦/生物一體化催化還原工藝對(duì)二沉池出水進(jìn)行了深度處理中試，重點(diǎn)考察了其對(duì)COD和氨氮的去除效果。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，由相同的三級(jí)裝置組成，材質(zhì)為灰色PVC。單級(jí)裝置先由兩個(gè)接觸反應(yīng)器串聯(lián)，內(nèi)懸掛填料框，在填料框中分別放入多金屬焦填料和生物填料，懸掛高度分別為150、700 mm，兩種填料的填充厚度均為150 mm,其中多金屬焦為多種不同含量的金屬（鐵、銅、鈷、鎳等）與碳制成的復(fù)合填料，生物填料是二級(jí)生物處理設(shè)備中的污泥；接觸反應(yīng)器出水進(jìn)入加藥混合槽，而后經(jīng)過出流槽進(jìn)入豎流混凝沉淀池，沉淀出水經(jīng)出水槽流入下一級(jí)。全套裝置依靠重力流運(yùn)行，通過小試和中試前期調(diào)試確定各級(jí)的投藥方式以及投藥量，接觸反應(yīng)器底部連接1臺(tái)氣泵進(jìn)行曝氣，曝氣量為20 L/min。單個(gè)接觸反應(yīng)器的尺寸為400 mm×400 mm×1300 mm，有效容積為128 L；加藥混合槽的尺寸為80 mm×80 mm×300 mm，出流槽的尺寸為400 mm×60 mm×50 mm；混凝沉淀池的尺寸為400 mm×400 mm×1300 mm，有效容積為136.8 L；出水槽的尺寸為80 mm×240 mm×300 mm。

圖1 多金屬焦/生物一體化催化還原中試裝置

首先，二沉池出水進(jìn)入生物接觸反應(yīng)器，在pH值為中性（或接近中性）的條件下，利用充氧環(huán)境和微生物環(huán)境加快多金屬的腐蝕速率，使其一部分以離子形式析出，形成多級(jí)微電解。另外，多金屬焦中的鐵離子釋放出來與微生物形成生物鐵。此時(shí)，曝氣生物接觸氧化反應(yīng)器中有微電解催化還原作用、生物鐵作用以及微生物與多金屬焦協(xié)同作用，使難降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化為易降解小分子有機(jī)物和無機(jī)物，提高水質(zhì)絮凝能力。同時(shí)在曝氣生物接觸氧化反應(yīng)器進(jìn)水處加入粉末活性炭，利用其高效的吸附作用與多金屬焦作用、微生物作用相結(jié)合，進(jìn)一步為提高可生化性、降低COD濃度提供有利條件。在加藥混合槽中投加混凝劑和助凝劑，隨后進(jìn)入混凝沉淀池，利用微曝氣進(jìn)行混合絮凝、豎流沉淀池進(jìn)行沉淀，進(jìn)一步降低色度、COD和氨氮濃度，提高出水水質(zhì)。如此重復(fù)三級(jí)，增強(qiáng)處理效果。

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)及分析方法

中試進(jìn)水為該污水廠的二沉池出水，其COD濃度為110~180 mg/L，氨氮濃度為8~10 mg/L，pH值為7~8。其中，COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，pH值采用pH計(jì)測(cè)定。

2 系統(tǒng)的啟動(dòng)

中試系統(tǒng)于4月啟動(dòng)，二沉池出水溫度約為16 ℃，至5月份，水溫升至21 ℃左右。啟動(dòng)初期，系統(tǒng)進(jìn)水量保持在40 L/h；粉末活性炭在一、二級(jí)裝置的投加量均為100 mg/L，三級(jí)不投放；絮凝劑硫酸鋁在各級(jí)的投加量均為250 mg/L，助凝劑氫氧化鈣在各級(jí)的投加量均為70 mg/L；同時(shí)進(jìn)行曝氣，以確保填料中的碳吸附飽和以及各類金屬焦保持穩(wěn)定的腐蝕放電速率，DO濃度保持在8~9 mg/L。運(yùn)行1周后，在進(jìn)水COD為136 mg/L的條件下，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)出水COD分別降為116、72、60 mg/L，出水pH值在8~9范圍內(nèi)。之后連續(xù)測(cè)定幾天，發(fā)現(xiàn)出水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定；取出填料包觀察，發(fā)現(xiàn)金屬焦已開始均勻腐蝕，水中的金屬氧化物濃度也開始降低到穩(wěn)定狀態(tài)。啟動(dòng)歷時(shí)10 d，系統(tǒng)對(duì)COD的去除率達(dá)到51%左右，至此系統(tǒng)正式進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。

3 結(jié)果與討論

3.1 對(duì)COD的去除效果

中試裝置在進(jìn)水量分別為35、40 L/h的條件下，各級(jí)進(jìn)、出水COD濃度變化見圖2。

圖2 對(duì)COD的去除效果

從圖2可以看出，該工藝對(duì)COD的去除率較高，雖然進(jìn)水COD濃度波動(dòng)較大（110~168 mg/L），但是出水水質(zhì)相對(duì)比較穩(wěn)定。當(dāng)進(jìn)水流量為35 L/h時(shí)，出水COD基本穩(wěn)定在50~60 mg/L；當(dāng)進(jìn)水流量為40 L/h時(shí)，出水COD濃度則略高于60 mg/L，這說明較高的水力負(fù)荷影響了出水水質(zhì)。

當(dāng)進(jìn)水流量為35 L/h時(shí)，單級(jí)接觸反應(yīng)時(shí)間為7.3 h。在此工況下系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，對(duì)COD的去除率基本在63%左右。之所以取得如此穩(wěn)定的效果，分析原因如下：①微電解作用。鐵碳微電解反應(yīng)過程包括原電池反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、電化學(xué)吸附富集、物理吸附、絮凝吸附和鐵離子沉淀。在這個(gè)體系中，各金屬與碳形成無數(shù)個(gè)微小的原電池。在反應(yīng)中，鐵氧化釋放電子，形成微電流并產(chǎn)生H⁺，大分子以及環(huán)狀分子有機(jī)物被降解為小分子有機(jī)物，另外有一些有機(jī)物和無機(jī)物被還原。當(dāng)水中有氧化劑或充足的氧時(shí)，Fe²⁺轉(zhuǎn)化為Fe³⁺，伴隨著絮凝吸附作用，進(jìn)一步去除有機(jī)物。②生物鐵作用。Fe是微生物生長的必要元素，是生物氧化酶系中細(xì)胞色素的重要組成部分，在生物氧化中通過Fe→Fe²⁺→Fe³⁺氧化還原反應(yīng)起著電子傳遞作用，促進(jìn)反應(yīng)器中異養(yǎng)菌和鐵氧化自養(yǎng)菌的生長，以此促進(jìn)生物鐵的作用，從而強(qiáng)化處理效果。③溶解氧加快金屬腐蝕速率，同時(shí)微生物利用溶解氧在pH值為中性（或接近中性）的條件下進(jìn)行代謝作用，充分利用鐵促進(jìn)鐵離子的釋放。同時(shí)，去除金屬表面的極化作用，為反應(yīng)的高效進(jìn)行提供保障。

3.2 對(duì)氨氮的去除效果

系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效果見圖3�？梢钥闯觯�中試裝置對(duì)氨氮的去除率較高，出水氨氮穩(wěn)定在5 mg/L以下。這說明在多金屬焦微電解作用下，硝化菌在反應(yīng)器中得到了很好的生長繁殖，在多金屬焦和生物耦合的共同作用下，氨氮得到了很好的降解。

圖3 對(duì)NH₃-N的去除效果

4 結(jié)論

① 采用多金屬焦/生物一體化催化還原工藝深度處理該工業(yè)園區(qū)污水處理廠二沉池出水時(shí)，為了保證出水水質(zhì)能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002)的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)水負(fù)荷應(yīng)小于35 L/h，此時(shí)單級(jí)水力停留時(shí)間為7.3 h，出水COD可以穩(wěn)定在50~60 mg/L之間。

② 多金屬焦/生物一體化催化還原工藝?yán)�用曝氣使反�?yīng)在pH值為中性（或接近中性）的條件下產(chǎn)生鐵碳、鐵銅等多級(jí)微電解作用，生物鐵作用以及生物促進(jìn)微電解作用，破壞難降解有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)其對(duì)二沉池出水進(jìn)行氧化還原，提高出水水質(zhì)，有很好的應(yīng)用前景。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第5期“技術(shù)總結(jié)”欄目）

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