海綿鐵除磷在污水處理中的應用效果及機理研究

平玉煥

（中工工程機械成套有限公司 北京 100070）

磷是造成水體富營養化的關鍵原因［1-3］，水體富營養化不僅會致使藻類瘋長［4-6］，而且會使水體含氧量急劇下降，嚴重影響水環境生態平衡。據調查，生活污水中總磷含量一般在3 mg/L～6 mg/L。進入21 世紀以來，隨著人們生活水平的不斷提高和生活用水量不斷增大，生活污水未經處理或未經有效處理直接排入水體已然成為水環境富磷的主要原因，所以在對生活污水處理過程中，有效除磷尤為重要。

化學藥劑除磷效果雖好，但是成本投入大、工藝程序復雜且會生成磷酸鹽沉淀需要繼續過濾去除，還可能造成大范圍藥品污染［7-9］；微生物法除磷對環境要求較高、厭氧—好氧條件難以控制［10-11］，并且會生成大量含磷污泥［12］。

近些年，一些學者發現在污水處理系統中添加海綿鐵可有效降低出水中總磷含量并開展了一些實際應用，但對于海綿鐵在系統中除磷的時效性及除磷機理研究較少。本實驗在傳統污水處理系統（人工快速滲濾系統）內加入特殊除磷介質海綿鐵，利用對系統進出水中總磷濃度的測定和對海綿鐵使用前后的特征鑒定，確定海綿鐵除磷效果和機理，為傳統污水處理系統高效除磷提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

（1）實驗裝置。實驗搭建人工快速滲濾實驗柱和空白對比柱。2 個實驗柱總高度均為170 cm，其中：填充高度150 cm，填料由上而下依次為布水層、非飽水層、毛細阻斷層、飽水層和承托層；非飽水層和飽水層填充高度均為60 cm，布水層、毛細阻斷層和承托層填充高度均為10 cm。

實驗柱在非飽水層最下端設置取樣口，命名為1C，沿程向下每隔20 cm 設置取樣口，分別命名為2C、3C、4C；空白對比柱以同樣的位置設置1C’、2C’、3C’和4C’。實驗柱和空白對比柱系統出水口均設置在承托層中部，通過U 型設計與飽水層頂端高度一致，保證飽水層始終處于厭氧環境。

（2）實驗填料。實驗柱和空白對比柱主要填料為粒徑0.5 mm～1.0 mm 的天然河砂和沸石（河砂和沸石體積比為4∶1），攪拌均勻后裝填。實驗柱在飽水層添加占飽水層體積分數為7%的海綿鐵，海綿鐵抗壓強度高、不粉化、不板結，比表面積大。

（3）進水水質。本實驗采用實驗室配水模擬生活污水，進水COD、氨氮、硝酸鹽氮和總氮的平均濃度分別為321.43 mg/L、36.57 mg/L、1.12 mg/L 和43.96 mg/L，總磷濃度范圍2 mg/L～10 mg/L，平均濃度5.74 mg/L。

1.2 實驗方法

（1）柱實驗。實驗在室溫條件下運行，水力負荷為1 m/L，水力負荷周期為6 h，采用干濕交替的運行方式，濕干比為1∶5。測定實驗柱和空白對比柱在一個水力負荷周期內進水及各出水口出水中總磷濃度；測定系統長期運行過程中實驗柱進出水總磷濃度；調整運行參數，測定實驗柱進出水總磷濃度。

（2）海綿鐵分析。采用掃描電鏡（SEM）和X 射線能譜儀（EDS）分析海綿鐵表面形態和無機元素組成，比較實驗前后海綿鐵的變化。

（3）測定方法。總磷：鉬酸銨分光光度法（GB11893—89）。

2 結果與討論

2.1 海綿鐵除磷效果分析

為探究海綿鐵在污水處理系統中對總磷的去除效果，系統穩定運行后，在一個水力負荷周期內通過對實驗柱和空白對比柱各取樣口和最終出水口分層取水，測定分層出水效果。4 次測定結果見圖1。

由圖1 可知，1C 和1C’出水水質較進水變化小，經非飽水層處理后，總磷累積去除率不高于14%。說明非飽水層填料對總磷的吸附及反應沉淀能力差，同時存在于非飽水層的微生物對總磷的同化吸收及聚磷菌對磷的過量積累效果也非常有限［12］。

圖1 總磷進出水濃度對比

由圖1 可知，2C、3C 和4C 出水較1C 出水中總磷濃度顯著降低，總磷去除效果良好且快速，2C’、3C’和4C’出水較1C’出水中總磷濃度變化不明顯。說明實驗柱飽水層發揮了良好的除磷作用，而空白對比柱飽水層除磷作用非常有限。

綜上所述，總磷的去除主要發生在實驗柱飽水層，實驗柱飽水層因添加特殊填料——海綿鐵，使系統對總磷的累計去除率可快速達到98%以上。

2.2 海綿鐵除磷時效性分析

為研究海綿鐵對總磷去除效果的時效性，對實驗柱進行了為期8 個月的連續運行和測定，在運行過程中對總磷的進出水濃度及去除率進行統計，結果如圖2。

圖2 總磷去除效果

由圖2 可知，系統連續運行中對總磷的平均累計去除率為99.31%，出水中總磷濃度始終滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅳ類標準，出水效果良好且穩定；總磷去除率沒有因為系統的持續運行而有所下降。說明實驗柱內填充的海綿鐵經系統長期運行仍含有大量除磷有效成分，足以長期且連續去除進水中的總磷。

綜上所述，海綿鐵不僅能快速去除生活污水中總磷，且具有較好的時效性和穩定性；長期運行過程中進水總磷濃度差異較大，但出水中總磷濃度始終穩定低于0.07 mg/L，說明添加海綿鐵的污水處理系統對總磷的抗沖擊負荷能力強。

2.3 水力負荷改變對海綿鐵除磷效果的影響

水力負荷是單位面積填料每天可以處理的污水水量。提高水力負荷會提高系統處理效率。本實驗在其他運行工況不變的前提下提高水力負荷，研究水力負荷對系統除磷效果的影響。

在水力負荷分別為1.0 m/d、1.5 m/d 和2.0 m/d，平均進水濃度分別為3.56 mg/L、3.98 mg/L 和3.42 mg/L 的條件下，分別經過8 個水力負荷周期實驗測定系統出水中總磷濃度，測定結果見圖3。

圖3 水力負荷對除磷效果的影響

由圖3 可知，3 種水力負荷條件下總磷出水濃度穩定且均小于0.06 mg/L，說明一定水力負荷范圍內系統中海綿鐵的除磷效果不受水力負荷變化的影響，該實驗條件下系統總磷出水濃度穩定良好。

綜上所述，海綿鐵在污水處理系統中的應用不會成為限制系統水力負荷提高的因素。

2.4 海綿鐵除磷機理分析

由柱實驗可知，系統主要依靠添加海綿鐵達到除磷效果，對實驗前后海綿鐵進行掃描電鏡（SEM），見圖4。

由圖4 可知，實驗前海綿鐵表面較光滑，實驗后表面明顯有簇狀物生成，說明有化學反應在海綿鐵表面發生。為進一步研究實驗前后海綿鐵表面發生的反應，采用X 射線能譜分析儀（EDS）對實驗前后海綿鐵的無機元素組成和含量進行分析，即對海綿鐵進行EDS 測定，結果見圖5。

圖4 實驗前后海綿鐵的SEM

圖5 實驗前后海綿鐵的EDS

由圖5 可知，實驗前海綿鐵的主要無機元素為O、Fe、Si、Mg、Ca 和As，其中Fe 和O 的原子百分數分別為60.86%和29.84%，說明海綿鐵主要以鐵的氧化物形式存在；實驗結束后海綿鐵所含無機元素主要為O、Fe、Si、Ca、P 等，其中Fe 和O的原子百分數分別為69.45%和15.93%。Fe 和O 仍為運行結束后海綿鐵的主要無機元素，說明經過長時間運行后海綿鐵仍存在較大量的有效成分——鐵的氧化物。另外，實驗后P 元素的出現說明系統進水中的P 與海綿鐵發生了物理化學反應。

生活污水中的磷主要以正磷酸鹽、聚合磷酸鹽形式存在［13］，聚合磷酸鹽在水中會自動轉化為正磷酸鹽，所以進入系統中的磷主要以正磷酸鹽形式存在［14-15］。

海綿鐵主要以鐵的氧化物存在，還含有少量其他元素（Si、Mg 和Ca）的氧化物且其結構疏松多孔。一方面由于其疏松多孔結構使其對磷有一定的吸附效果；另一方面海綿鐵中的Fe、Mg 和Ca 等活性物質，在適宜條件下生成的Fe2+、Fe3+、Mg2+和Ca2+與磷酸根離子反應生成不溶于水的沉淀，從而達到除磷的效果；同時鐵離子和亞鐵離子在堿性條件下會產生絮凝作用，生成的絮凝物會強化吸附效果同時裹挾更多的磷酸鹽產生絮凝，生成的沉淀或絮凝物聚集在海綿鐵表面，形成實驗結束后海綿鐵掃描電鏡圖中的簇狀結構。

3 結論

（1）在污水處理系統中添加除磷填料——海綿鐵，可高效快速去除污水中的總磷，去除率高達98%以上。

（2）海綿鐵除磷效果具有一定時效性與穩定性，可穩定除磷的時效不低于12 個月，且對進水量和總磷進水濃度有良好的抗沖擊負荷能力。

（3）一定變化范圍內（水力負荷1.0 m/d～2.0 m/d），水力負荷不影響海綿鐵除磷效果。

（4）海綿鐵除磷機理：①物理化學吸附除磷；②一定條件下海綿鐵中的陽離子與磷酸根離子之間發生化學沉淀反應除磷；③鐵離子和亞鐵離子在適宜條件下的絮凝作用去除系統中的總磷。