富鐵填料強化A/O—曝氣生物濾池工藝的脫氮除磷效果*

嚴子春 史登峰 Nosakhare Iseghayan

(蘭州交通大學環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070)

富鐵填料強化A/O—曝氣生物濾池工藝的脫氮除磷效果*

嚴子春 史登峰 Nosakhare Iseghayan

(蘭州交通大學環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070)

對比研究了富鐵填料對A/O—曝氣生物濾池(BAF)工藝的脫氮除磷強化效果。結果表明，與無富鐵填料的A/O—BAF工藝相比，富鐵填料強化A/O—BAF工藝對TN的去除率可提高15.2～19.0百分點，對TP的去除率可提高55.2～57.2百分點，但對COD的影響不大。通過對微生物種群的分析發現，富鐵填料的使用能明顯促進噬纖維菌科(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。此外，富鐵填料釋放的Fe2+可充當反硝化反應的電子供體，直接去除硝酸鹽氮，還能除氧保證反硝化反應條件。錳砂還能促進化學沉淀除磷。

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，在生活污水及工業廢水處理等方面都有重要應用[1-2]，但其脫氮效能受各種條件影響而并不穩定[3]，除磷效果更差[4]。A/O—BAF具有耐沖擊負荷能力高、無污泥膨脹、占地面積小、能耗低和處理效果好等優點，可同步穩定去除有機物并穩定生物脫氮[5-6]。富鐵填料表面積較大、價格低廉，既對硝化作用有一定的促進作用[7]，又可提高除磷效果[8-9]。本研究將富鐵填料應用到A/O—BAF工藝中，用于強化A/O—BAF工藝的同時脫氮除磷效果。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

富鐵填料強化A/O—BAF工藝的試驗裝置如圖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。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化A/O—BAF工藝相同。

1.2 試驗材料

(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，主要化學成分SiO2、Fe2O3、A12O3、CaO、MgO的質量分數分別為64.22%、6.00%、15.82%、5.39%、2.85%。

1—進水桶；2—蠕動泵；3—空氣壓縮機；4—氣體轉子流量計；5—厭氧濾柱；6—好氧濾柱；7—富鐵填料濾柱；8—濾料區；9—承托層；10—回流管；11—出水桶；12—反沖洗管圖1 富鐵填料強化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，主要化學成分SiO2、A12O3、FeO、MgO、CaO、K2O、TiO2和Na2O的質量分數分別為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，總鐵質量分數約96.50%，單質鐵質量分數≥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(質量分數為20%～45%)，SiO2和總鐵的質量分數分別約20%。

1.3 試驗用水及測定方法

試驗用水為蘭州交通大學校園生活污水，歷史水質指標見表1。

表1 試驗用水水質指標

COD采用HACH DRB200消解器消解，HACH DR5000分光光度計測定；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，經試驗用水馴化后，兩套A/O—BAF工藝初始階段均以較小水力負荷0.25 m3/(m2·h)運行，22 d后水力負荷增大至0.50 m3/(m2·h)，掛膜啟動歷時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，作為富鐵填料強化A/O—BAF工藝。

2 結果與討論

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工藝和富鐵填料強化A/O—BAF工藝的出水COD均較低，完全達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準，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時分別達到了54.8%、58.6%，分別提高了15.2、19.0百分點，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%，而富鐵填料強化A/O—BAF工藝，濾料1和濾料2時分別達到84.8%、86.8%，分別提高了55.2、57.2百分點。

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強化工藝指使用濾料1的富鐵填料強化A/O—BAF工藝；濾料2強化工藝指使用濾料2的富鐵填料強化A/O—BAF工藝。

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

結果發現，富鐵填料強化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%)大于富鐵填料強化A/O—BAF工藝(0.5%)。Methyloversatilis可同化含碳有機物，而疣微菌科可代謝產生葡萄糖、谷氨酸等化合物。由此可見，富鐵填料的使用對于降解有機物方面，都有可能促進降解有機物和生成有機物的微生物生長，這也是富鐵填料強化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%；而富鐵填料強化A/O—BAF工藝中增加至2.0%、2.3%、6.4%，且出現了假單孢菌屬(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，假單孢菌屬為異養硝化—好氧反硝化菌，同時還屬于聚磷菌。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化。可見，富鐵填料可明顯促進硝化和反硝化作用，提高A/O—BAF工藝的脫氮效果，除磷效果也大大增強。

2.2 富鐵填料強化脫氮除磷的機理分析

2.2.1 對TN的影響

富鐵填料強化A/O—BAF工藝對TN的去除率遠遠大于A/O—BAF工藝，可能原因是：(1)富鐵填料促進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+可充當反硝化反應的電子供體[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，與水中的溶解氧發生氧化反應生成Fe3O4，達到除氧的效果，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境。

(1)

2.2.2 對TP的影響

富鐵填料強化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+，有利于發生化學沉淀除磷反應。從反應現象來看，一段時間后濾料2表面有黃褐色泥層形成，是為堿式磷酸鐵絡合物沉淀[14]。可見，化學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，其在富鐵填料強化A/O—BAF工藝中出現也有利于對TP的去除。

3 結 論

富鐵填料可以顯著強化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，TP去除率可提高55.2～57.2百分點，但對COD的影響不大。原因是富鐵填料促進了噬纖維菌科、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。另外，富鐵填料釋放的Fe2+可充當反硝化反應的電子供體，直接去除硝酸鹽氮，還能除氧保證反硝化反應條件。錳砂還能促進化學沉淀除磷。

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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

嚴子春，男，1970年生，博士，教授，主要從事水處理理論與技術研究。

*國家自然科學基金資助項目(No.51568034)；國家重點研發計劃項目(No.2016YFC0400703)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.11.005

2017-02-18)