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，蔣夢然

（東華大學環(huán)境科學與工程學院，上海 201620）

摘要：鑒于某工業(yè)園區(qū)污水處理廠需要提標改造，采用多金屬焦/生物一體化催化還原工藝對二沉池出水進行深度處理中試，考察了其對COD、NH₃-N等指標的去除效果。結果表明，在二沉池出水COD為110~180mg/L、氨氮為8~10mg/L的條件下，經該工藝處理后，出水COD<60mg/L、氨氮<5mg/L，出水水質可達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002)的一級B標準。

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，出水水質執(zhí)行《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996），其中COD指標執(zhí)行《紡織染整工業(yè)水污染物排放標準》（GB 4287—92)。

為了響應國家節(jié)能減排的要求，2015年該污水處理廠的所有指標將按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002)的一級B標準執(zhí)行。因此，對二沉池出水進行深度處理已經迫在眉睫。為了確保出水水質，主要是COD指標能達到新標準的要求，采用多金屬焦/生物一體化催化還原工藝對二沉池出水進行了深度處理中試，重點考察了其對COD和氨氮的去除效果。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，由相同的三級裝置組成，材質為灰色PVC。單級裝置先由兩個接觸反應器串聯(lián)，內懸掛填料框，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）與碳制成的復合填料，生物填料是二級生物處理設備中的污泥；接觸反應器出水進入加藥混合槽，而后經過出流槽進入豎流混凝沉淀池，沉淀出水經出水槽流入下一級。全套裝置依靠重力流運行，通過小試和中試前期調試確定各級的投藥方式以及投藥量，接觸反應器底部連接1臺氣泵進行曝氣，曝氣量為20 L/min。單個接觸反應器的尺寸為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，二沉池出水進入生物接觸反應器，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，曝氣生物接觸氧化反應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，使難降解有機物轉化為易降解小分子有機物和無機物，提高水質絮凝能力。同時在曝氣生物接觸氧化反應器進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、微生物作用相結合，進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，隨后進入混凝沉淀池，利用微曝氣進行混合絮凝、豎流沉淀池進行沉淀，進一步降低色度、COD和氨氮濃度，提高出水水質。如此重復三級，增強處理效果。

1.2 試驗水質及分析方法

中試進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采用重鉻酸鉀法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定，pH值采用pH計測定。

2 系統(tǒng)的啟動

中試系統(tǒng)于4月啟動，二沉池出水溫度約為16 ℃，至5月份，水溫升至21 ℃左右。啟動初期，系統(tǒng)進水量保持在40 L/h；粉末活性炭在一、二級裝置的投加量均為100 mg/L，三級不投放；絮凝劑硫酸鋁在各級的投加量均為250 mg/L，助凝劑氫氧化鈣在各級的投加量均為70 mg/L；同時進行曝氣，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。運行1周后，在進水COD為136 mg/L的條件下，一級、二級、三級出水COD分別降為116、72、60 mg/L，出水pH值在8~9范圍內。之后連續(xù)測定幾天，發(fā)現出水水質相對穩(wěn)定；取出填料包觀察，發(fā)現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)。啟動歷時10 d，系統(tǒng)對COD的去除率達到51%左右，至此系統(tǒng)正式進入穩(wěn)定運行階段。

3 結果與討論

3.1 對COD的去除效果

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

圖2 對COD的去除效果

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

當進水流量為35 L/h時，單級接觸反應時間為7.3 h。在此工況下系統(tǒng)對COD的去除效果達到了預期目標，對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。鐵碳微電解反應過程包括原電池反應、氧化還原反應、電化學吸附富集、物理吸附、絮凝吸附和鐵離子沉淀。在這個體系中，各金屬與碳形成無數個微小的原電池。在反應中，鐵氧化釋放電子，形成微電流并產生H⁺，大分子以及環(huán)狀分子有機物被降解為小分子有機物，另外有一些有機物和無機物被還原。當水中有氧化劑或充足的氧時，Fe²⁺轉化為Fe³⁺，伴隨著絮凝吸附作用，進一步去除有機物。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⁺氧化還原反應起著電子傳遞作用，促進反應器中異養(yǎng)菌和鐵氧化自養(yǎng)菌的生長，以此促進生物鐵的作用，從而強化處理效果。③溶解氧加快金屬腐蝕速率，同時微生物利用溶解氧在pH值為中性（或接近中性）的條件下進行代謝作用，充分利用鐵促進鐵離子的釋放。同時，去除金屬表面的極化作用，為反應的高效進行提供保障。

3.2 對氨氮的去除效果

系統(tǒng)對氨氮的去除效果見圖3。可以看出，中試裝置對氨氮的去除率較高，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NH₃-N的去除效果

4 結論

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，為了保證出水水質能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002)的一級B標準，進水負荷應小于35 L/h，此時單級水力停留時間為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利用曝氣使反應在pH值為中性（或接近中性）的條件下產生鐵碳、鐵銅等多級微電解作用，生物鐵作用以及生物促進微電解作用，破壞難降解有機物的結構，促進其對二沉池出水進行氧化還原，提高出水水質，有很好的應用前景。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第5期“技術總結”欄目）

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