鐵碳內電解與人工濕地耦合工藝試驗研究

摘 要：文章研究了鐵內電解技術與人工濕地生態處理法耦合工藝的除污效能。研究發現在控制溶解氧濃度的條件下，加入鐵屑的填料柱對氨氮的去除效果要好于不加鐵屑（約高出9%），且去除效果有穩定趨勢。在曝氣狀態下溶解氧濃度較高時，加入鐵屑與不加鐵屑的去除效果相差不大，出水氨氮的濃度降至1mg/L以下。此時起作用的主要是微生物，鐵碳內電解幾乎不能再提高處理效率。在厭氧狀態下，加入鐵屑的填料柱對污染物的去除效果略微好于不加鐵屑，但兩者去除率都不高，維持在50%至60%。這些結果表明鐵碳內電解效應需要較嚴格的控制運行條件，以在經濟性和去除效果之間實現平衡。

關鍵詞：鐵碳內電解；人工濕地；脫氮

1 研究背景

1.1 我國水環境現狀

由于社會經濟的發展，地球資源被大量開發利用，人類生活水平得到了很大的改善和提高。但伴隨著人類的經濟活動，大量有害于人類和其它生物的工農業廢水和生活污水未經充分處理而直接排入水體使之受到嚴重污染，從而制約著人類社會的進一步發展。因此，水環境的保護己成為當今世界面臨的主要任務之一。

我國是一個水資源缺乏的國家：一方面，人均占有水資源只有世界平均水平的1/4，且水資源在地區分布極不均勻，水供需矛盾十分突出；另一方面，水質污染和水資源浪費現象亦十分嚴重，大部分工業廢水和生活污水未經任何處理直接排入江、河、湖泊，使水質受到嚴重污染，甚至完全喪失利用的價值，加重了水資源的短缺。環保部于2011年6月4日發布的《2010中國環境狀況公報》顯示，全國地表水污染較重，長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河和遼河等七大水系總體為輕度污染，其中海河為重度污染，長江、珠江總體水質良好。湖泊（水庫）富營養化問題依然突出，在監測營養狀態的26個湖泊（水庫）中，富營養化狀態的湖泊（水庫）占42.3%。

1.2 人工濕地的研究背景

目前，我國絕大部分的城市污水均采用傳統的污水處理工藝，對控制大城市的水環境污染起到了關鍵作用；但與此同時，針對我國廣大小城鎮和農村地區大力開發具有高效、簡易、低耗的污水處理技術顯得尤為迫切。人工濕地污水處理技術正是順應這一要求而發展起來的。人工濕地作為典型的人工生態處理技術，在我國小城鎮和廣大農村地區的污水處理中，充分顯示出其投資省、能耗低、管理操作方便等優勢，具有很好的適用價值和應用前景。

但在近年的研究和工程實踐中，人工濕地技術的缺陷也逐漸顯現出來：①占地面積大；②氮磷通常不能達標排放，去除效能不穩定；③處理效能受季節的影響較大，冬季處理效能降低；④堵塞問題尚未得到徹底的解決。

1.3 鐵碳內電解與生物法耦合工藝的研究背景

鐵碳還原法是目前國內外研究最多、最為成熟的化學還原工藝。鐵碳內電解工藝與生化處理工藝相結合則在提高廢水可生化性，改善廢水水質，減輕后續處理負荷以及提高處理效果方面有明顯的優勢。利用鐵碳內電解法處理工業廢水，因其具有“以廢治廢”、效果好、投資省、適用面較廣和運行成本低等優點而廣泛受到重視。在高濃度有機廢水的處理中，幾種典型的內電解復合工藝有：內電解-生物接觸氧化工藝組合，內電解-厭氧消化-生物接觸氧化，內電解-SBR組合工藝等。

2 課題的研究內容及目的

本課題的研究目的是：針對人工濕地在脫氮效能方面的不穩定性進行改進，考慮將鐵碳內電解法與人工濕地生態處理工藝進行耦合，通過控制溶解氧和水力負荷實現短程反硝化，以期達到較高且較穩定的脫氮效能。

本課題的研究內容是：在不曝氣、完全曝氣和間歇曝氣三種條件下，對比研究普通人工濕地和耦合人工濕地COD和氨氮的去除能力。

3 課題的研究方法

3.1 試驗裝置與填料

本試驗的裝置圖如圖1所示。

填料柱是本裝置的核心部分，分別放置不同組合的填料。★本試驗擬模擬垂直潛流人工濕地。兩個填料柱編號為P1、P2。填料組合如下表2所示。

3.2 評價指標與分析方法

本試驗的目的是檢驗人工濕地新型微電解填料的污染物去除能力和脫氮除磷能力，因此評價指標主要應反映進出水的污染程度和氮磷含量。故本試驗選用COD及氨氮為評價指標。同時考慮到所選填料為堿性填料，可能對出水PH有所影響，故也測定PH值。由于本試驗采用了鐵粉和碳粉作為微電解填料，可溶出鐵的二價離子，因此如果實驗室條件允許，可測定一次進水和幾次出水的鐵二價離子濃度。為對比兩個柱子的供養狀況，測定進出水的溶解氧。由于本試驗選用的爐渣對P具有很強的吸附性能，使得P的去除率較高，因此本試驗不再對比兩個填料柱的P去除效果。

COD的測定方法為重鉻酸鉀快速消解滴定法，氨氮的測定方法為納氏試劑分光光度法（選用722型紫外可見分光光度計），DO、PH均用快速測定儀器測定，DO測定儀器為Thermo Orion 850A+測定儀，PH為PH-3C型測定儀。

4 試驗結果討論與分析

4.1 不曝氣階段

人工濕地中氧的來源主要包括：進水中攜帶的溶解氧、水面更新溶解氧、植物光合作用產氧以及植物根系對氧的傳遞和釋放。在工程實踐中可能會對進入人工濕地的水進行跌水曝氣等預處理，以維持進水一定的溶解氧濃度，因此在第一階段不設置人工曝氣，其COD和氨氮指標變化如圖2所示。

由以上兩圖可以看出：出水COD維持在50mg/L到80mg/L之間，且一號柱總體上要優于二號柱；出水氨氮較高，不能達標排放，一號柱略微優于二號柱。

在試驗過程中，不曝氣的第二天開始，柱子上表面開始略微發臭，第三天開始水質發黑發臭，有黃色泡沫漂浮，且出水也略微發臭，出水乳膠管外觀上看開始變黑。這表明柱子已經處于厭氧狀態，厭氧菌開始滋生，并且產生了一些惡臭氣體。厭氧條件嚴重抑制了有機物的降解，尤其是生物脫氮過程的的硝化作用，導致出水氨氮維持在較高水平。

3.2 完全曝氣階段

在本試驗中并沒有栽種植物，且由于填料柱的超高約20cm，水面更新溶解氧受到一定限制；這使得兩個柱子幾乎無法復氧。在第二階段，我們先對柱子進行兩天曝氣，使好氧微生物種群得以恢復，然后繼續全天曝氣，并開始測定出水指標。如圖3所示。

在曝氣狀態下，兩個柱子頂部水的溶解氧濃度都達到了10mg/L以上，出水溶解氧也在2到3mg/L，COD和氨氮的去除率明顯升高，一號柱的出水COD已經低于20mg/L。另外，氨氮的去除顯示出二號柱要好于一號柱，這可能是由于在溶解氧過高時，鑄鐵表面的電化學反應加速，導致鐵離子濃度升高，抑制了反硝化菌的反硝化作用；也有可能是一號柱對污染物的去除比二號柱要延遲一些，二者在后來幾天的氨氮去除差距逐漸減小，最終出水氨氮都非常小。

5 主要研究結論

第一；在曝氣狀態下溶解氧濃度維持在10mg/L以上時，加入鐵屑與不加鐵屑的去除效果相差不大，此時起作用的主要是微生物，鐵碳內電解幾乎不能再提高處理效率。

第二；在控制溶解氧濃度為6-10mg/L時，加入鐵屑的填料柱對氨氮的去除效果要好于不加鐵屑，且去除效果有穩定趨勢。

第三；在缺氧狀態下，加入鐵屑的填料柱對污染物的去除效果略微好于不加鐵屑，但兩者去除率都不高。這表明鐵碳內電解效應發揮了一定作用，但對污染物的去除主體依舊是微生物群體。

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