硫-硫鐵復合床深度脫氮除磷

蘇曉磊，劉雪潔，梁 鵬，黃 霞

（清華大學環境學院，北京 100084）

氮和磷是造成水體富營養化的重要原因，城市污水處理廠二級出水［1］并不能滿足地表水Ⅳ類水質標準［2］；而且，有些地區污水處理廠執行更加嚴格的氮磷排放標準，如北京、無錫等地［3］，所以必須對常規城市污水處理廠二級出水進行深度脫氮除磷。

由于二級出水中有機物含量較低，不足以滿足異養反硝化所需碳源，需要外加碳源，從而出現成本高以及二次污染的問題［4-5］。硫自養反硝化工藝因具有設備簡單、無需外加碳源以及價格低廉等優點而被廣泛關注［6-10］，但以單質硫作為硫源時硫自養反硝化需要消耗堿度，且不具有除磷功能。吳中琴等［11］開發的硫鐵耦合工藝將單質硫和單質鐵組成填料床，不但可以消耗硫自養反硝化產生的H+，而且具有良好的脫氮除磷效果；硫鐵耦合工藝最大的問題就是填料床的板結，鐵屑與氧氣接觸形成鐵銹而造成填料堵塞，嚴重影響處理效果。因此，去除氧氣可以有效地改善板結造成的填料堵塞現象。傳統的除氧方法包括熱力法、解吸法、化學法、電化學法、生物法等［13］。相對其它方法，生物法具有價格低廉和生物操作容易的優點。此外，不同填料填充方式也可能起到延緩堵塞的效果。

本研究在認識硫鐵耦合填料床堵塞機制的基礎上，通過利用硫自養反硝化填料床去除進水中的溶解氧，延緩鐵生銹板結，結合耦合填料填充方式來延緩填料堵塞，結合適時反沖，進一步降低硫鐵填料床堵塞，確保其長期穩定脫氮除磷效果，為該技術進入工程實用化掃清障礙。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置

連續試驗采用反應器裝置如圖1所示，其中反應器-S有效高度為 60 cm，內徑為10 cm，底部設5 cm卵石層，填充層填料為硫磺顆粒，粒徑為2～4 mm，填充高度為25 cm，孔隙率為30%左右；在距離法蘭10、20和35 cm處設置取樣口，在進水處和填料頂端處設置測壓口；頂部設有出氣口。反應器-A和反應器-B有效高度均為100 cm，內徑為10 cm，底部設有5 cm卵石層，填料層填料均為硫磺顆粒和鐵刨花，填充的硫鐵質量比為3∶1，體積比為12∶1。反應器-A是硫磺顆粒和鐵刨花完全混合填裝，填充高度為45 cm，孔隙率在57%左右；反應器-B中鐵刨花填充在4個內徑為7.8 cm的塑料球里面，再與硫磺顆粒進行混合，填充高度為40 cm，孔隙率在52%左右。反應器-A和反應器-B在距離法蘭10、20、30、50和70 cm處設置取樣口，在進水處、10和50 cm（距離法蘭）處設置測壓口；頂部設有出氣口。反應器采用上流式進水；其中反應器-A和反應器-B的進水來自反應器-S 20 cm（距離法蘭）處。反應器-A和反應器-B并聯，與反應器-S串聯；反應器材料均為有機玻璃。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagramof experimental setup

1.2 試驗材料

模擬城市污水廠二級出水；NO3-N：20 mg/L（反應器啟動階段為30 mg/L），由 NaNO3配制；TP：0.5 mg/L，由 K2HPO4配制；NH+4-N：2.5 mg/L，由NH4HCO3配制；Mg2+：0.2 mg/L，由 MgCl2配制。

1.3 試驗安排

試驗分為兩部分，第一部分主要研究反應器-S的脫氧性能，考察不同濾速條件下脫氧效果，同時考察脫氮性能及pH值的變化。第二部分主要考察硫自養-硫鐵耦合填料床脫氮除磷性能，比較不同填充方式、不同濾速的脫氮除磷效果，通過壓力變化表征硫鐵耦合填料床填料堵塞情況。

1.4 反應器啟動

反應器-S接種；北京市北小河再生水廠缺氧池污泥，取上清液進行循環接種，進水流量為360 mL/min；循環接種10 d后，取消循環，進行正常的進出水接種，進水流量為36 mL/min；監測進出水濃度。

反應器-A和反應器-B接種；將接種完成反應器-S的出水通過蠕動泵打入到反應器-A和反應器-B里，用成熟的生物膜對反應器-A和反應器-B進行接種。

1.5 分析項目及方法

各指標的分析方法如表1所示。

表1 分析項目及分析方法Table 1 Analysis items and methods

2 結果與討論

2.1 反應器-S脫氧及脫氮效果

反應器-S在不同濾速（0.55、0.75、0.86、1.07和1.37 m/h）的條件下運行，監測進出水 DO濃度和濃度變化；結果如圖2所示。

圖2 反應器-S不同濾速DO和濃度隨填料高度的變化Fig.2 DO and concen trations changed with differen t heights of reactor-S

在不同的濾速條件下，反應器-S對DO有較好的去除效果，隨著填料高度的增加，DO濃度逐漸下降，在填料高度為25 cm處，DO濃度均低于0.4 mg/L，最低濃度達到0.29 mg/L，去除率均在90%以上。當濾速低于1.37 m/h時，在填料高度為15 cm時DO濃度均在1.0 mg/L以下，此時DO的去除率均在80%以上。

DO的去除主要源于反應器中脫氮硫桿菌的存在；在有O2存在的條件下，菌株可以有效利用單質硫作為底物，通過氧化作用獲取能量，從而去除O2；發生的反應主要有［14］：

由于O2是鐵銹生成的必要因素，所以去除大部分O2可以延緩鐵的生銹，進而延緩填料的板結。

在厭氧條件下，脫氮硫桿菌可以利用還原態的硫作為電子供體，以硝酸鹽作為電子受體，通過氧化還原作用獲取能量，發生的主要反應如下［6］。

由于在填料高度為15 cm處DO濃度已經低于1.0 mg/L，且為保證反應器-A和反應器-B進水有一定濃度的所以反應器-S的出水選在填料高度為15 cm處。

2.2 反應器-A和反應器-B脫氮效果

改變進水流量，使反應器-A和反應器-B濾速分別為1.2、0.9、0.7和0.4 m/h。不同濾速脫氮效果如圖3所示。

圖3 反應器-A和反應器-B不同濾速濃度隨高度變化Fig.3 concen trations changed with d ifferent heights of the reactors

由圖3可知，反應器-A和反應器-B具有良好的脫氮效果。當濾速為1.2 m/h時，進水濃度要較其他濾速條件高，這是因為反應器-A和反應器-B的進水來自反應器-S填料高度15 cm處的出水，在此濾速的條件下，水力停留時間較小，僅有一小部分的被反應器-S內的微生物消耗。該濾速條件下，反應器-A出水濃度在8.5 mg/L左右，要遠遠高于其他濾速條件下的出水濃度，原因是此時濾速過高，且進水濃度又較其他濾速的濃度高，所以出水濃度較高。反應器-B出水濃度在6 mg/L左右，同樣高于其他濾速條件下的出水濃度，原因如前。在其他濾速條件下，無論是反應器-A還是反應器-B，出水濃度均在2.5 mg/L以下，反應器-A最低出水濃度為 1.93 mg/L，反應器-B最低濃度為0.34 mg/L。

反應器-S、反應器-A和反應器-B最大脫氮負荷如表2所示。

表2 反應器-S、反應器-A和反應器-B最大脫氮負荷Tab le 2 The maximal denitrification rates of the reactors

由表2可知，3個反應器均具有非常高的脫氮負荷，尤其是反應器-S，最大脫氮負荷達2 000 mg/（L·d），反應器-A和反應器-B要稍差一些，一方面是由于進水濃度較低，硫自養反硝化屬于1/2級反應，與濃度相關，濃度越低，反應越不易進行；另一方面是由于反應器-A和反應器-B的進水流量是反應器-S的1/2，二者水力停留時間是反應器-S的2倍，所以去除負荷要較反應器-S小。反應器-B最大脫氮負荷要大于反應器-A處理效果要較反應器-A好。

2.3 反應器-A和反應器-B除磷效果

改變進水流量，使反應器-A和反應器-B濾速分別為1.2、0.9、0.7和0.4 m/h。不同濾速除磷效果如圖4所示。

圖4 反應器-A和反應器-B不同濾速TP濃度隨高度變化Fig.4 TP in effluent changed with differen t heights of the reactors

由圖4可知，反應器-A與反應器-B的除磷效果良好，在出水高度為30 cm處出水TP濃度低于0.2 mg/L，50 cm處出水TP濃度均低于0.13 mg/L，最低出水TP濃度為0.06 mg/L。另外，不同濾速條件下TP處理效果相差不是很大，即使在濾速為1.2 m/h時，出水TP濃度依然在一個非常低的水平。

2.4 壓力的變化

在濾速為0.4 m/h的條件下長期運行反應器-A和反應器-B，其壓力變化如圖5所示。

圖5 長期運行壓力變化Fig.5 Pressu re changed with the time

在運行的前50 d內，反應器-A和反應器-B的壓力變化均不大，填料內部并沒有堵塞情況發生。在隨后的運行中，反應器-B壓力幾乎保持不變，而反應器-A的壓力逐漸增大，遠遠高于反應器-B的壓力，說明反應器-A內部填料出現了板結，填料內部阻力變大，不利于反應的進行。在100 d左右的運行時間內，反應器-B壓力幾乎沒有變化，說明“脫氧+改變填充方式”的方法可以有效的延緩填料內部阻塞，從而使反應器正常運轉工作。

在反應器運行100 d左右進行第1次反沖洗；第1次反沖洗后，反應器-A內部壓力直接降低至10 kPa以下，與反應器-B壓力相當。在第1次反沖洗后的50 d進行第2次反沖洗，反沖洗后2個反應器壓力均下降到10 kPa以下。這說明反沖洗可以有效地解決填料的板結問題。

3 結論

1）硫自養填料床具有良好的脫氧效果，在濾速分別為 0.55、0.75、0.86、1.07 和 1.37 m/h 時，填料高度為25 cm處出水DO濃度均低于0.4 mg/L，最低DO濃度達0.29 mg/L，去除率均在90%以上；在填料高度為15 cm處，除濾速1.37 m/h外，其他濾速條件下DO濃度均低于1 mg/L，去除率在80%以上。

2）硫自養-硫鐵耦合工藝具有良好的脫氮除磷效果，不同濾速不同填充方式出水TP均低于0.2 mg/L；在較低濾速條件下，出水濃度低于2.5 mg/L，最低出水濃度為0.34 mg/L。

3）經過長期運行，完全混合的填料床經過50 d后才漸漸開始出現堵塞，說明脫氧對填料的堵塞有一定的抑制作用；而帶有填料球的填料床在100 d的運行時間內未發生堵塞，表明“生物脫氧+改變填充方式”的方法可以有效延緩填料堵塞。當有板結發生時，反沖洗可以有效地解決板結問題。

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［2］國家環境保護總局，國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 3838-2002中華人民共和國國家標準---地表水環境質量標準［S］.北京：中國環境出版社，2002

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