鐵鹽同步除磷在農村生活污水處理中的應用研究

湯潔，黃金虹，方超，陳穎，董明超，王云龍，羅安程

(1.誠邦設計集團有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021；3.浙江大學 環境與資源學院，浙江 杭州 310058)

近年來，隨著對農村人居環境改善和基礎設施建設的日益重視，農村生活污水的收集、治理力度不斷加大，因地制宜的污水分散式處理模式在農村地區得到了廣泛應用[1-2]。以一體化膜生物反應器(MBR)為主體工藝的一體化污水處理設備，因其處理效果好、抗沖擊能力強、占地面積小、出水水質穩定，成為分散式農村生活污水處理的主要技術之一[3]。我國農村生活污水具有日變化系數大、氮磷含量高等特點，我國農村生活污染對流域中磷的貢獻率達8%[4-5]。脫氮除磷是農村生活污水處理的主要目標，但生物法除磷效果有限，出水總磷(TP)達標存在一定的難度。通過投加除磷藥劑，在生物除磷的基礎上采用化學的方法輔助除磷，為解決這一問題提供了有效途徑[6]。但由于除磷藥劑投加量、投加位置等諸多因素都會影響除磷效果[7]，化學除磷的運行參數需要進一步優化。同時，除磷藥劑的加入可能會對活性污泥性能產生影響，對MBR膜污染的利弊也需要進一步分析[8-10]。

本研究依托一套以MBR為主體工藝的一體化污水處理設備對實際生活污水進行處理，通過投加聚合硫酸鐵(PFS)作為除磷藥劑，進行半年以上的化學同步除磷試驗，優化了PFS投加量和投加位置，對除磷效果、活性污泥性能及膜污染情況進行了跟蹤監測與評價，可為一體化MBR污水處理設備在農村生活污水處理中穩定同步脫氮除磷提供依據。

1 材料與方法

1.1 裝置

采用一套處理工藝為A+MBR的一體化污水處理設備，設計規模30 m3·d-1(圖1)。設備殼體采用玻璃鋼材質，直徑2 m，長4.5 m。正常運行時，污水自進水口進入缺氧池，池內填充鮑爾環填料以強化反硝化，池底設穿孔曝氣管進行間歇攪拌以防止污泥沉于底部；之后污水自流進入MBR池，污水中有機污染物在好氧微生物的作用下得到充分降解，NH3-N得到硝化；MBR池膜區內放置PVDF中空纖維膜組件，在抽吸泵的作用下處理后凈水被抽出排放，微生物被完全截留在池內繼續發揮降解作用；MBR池末端設氣提回流裝置，將硝化液回流至缺氧池，實現反硝化脫氮。同時，裝置采用PLC控制系統實現自動運行，且可通過觸摸屏控制面板修改運行參數。

圖1 MBR一體化污水處理設備的結構

1.2 污水

為某園區生活污水，通過管道收集且經格柵和調節池預處理后由泵提升進入實驗裝置。

1.3 處理設計

采用PFS作為除磷藥劑，鐵有效含量21%。將PFS配制成一定濃度的溶液后，由計量泵進行自動、連續加藥，同時，定期校核計量泵流量。

實驗裝置連續運行6個月，期間對除磷藥劑的投加量和投加位置進行了優化研究，同時考查了鐵鹽投加對活性污泥性能、pH和膜污染的影響。裝置運行期間，水溫為20～30 ℃，污泥濃度(MLSS)控制在5 000～6 000 mg·L-1。實驗各階段進水水質及藥劑投加情況如表1所示。

表1 各階段進水水質及藥劑投加情況

1.4 分析方法

COD采用型號為COD-2000的COD在線分析儀測定，NH3-N采用型號為NH3-N-2000的氨氮在線分析儀測定，TP采用型號為TPN-2000的總磷在線分析儀測定，MLSS采用濾紙稱量法測定，pH采用便攜式pH計測定，溫度采用水銀溫度計測定。

2 結果與分析

2.1 藥劑投加對出水污染物濃度的影響

2.1.1 PFS投加量的影響

實驗裝置啟動并穩定運行20 d后，開始向MBR池好氧區投加除磷藥劑，PFS投加量按40～50、50～60和60～70 mg·L-1依次增加，測定出水COD、NH3-N和TP濃度的結果如圖2所示。

圖2 PFS投加量對出水水質的影響

圖2可知，未投加PFS時，裝置出水COD和NH3-N平均濃度分別為31和2.49 mg·L-1，能夠穩定達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中一級A標準；但出水TP濃度在1.5～3.0 mg·L-1，遠高于一級A標準的要求(0.5 mg·L-1)。投加PFS后，出水TP濃度明顯下降，且隨著PFS投加量增加，TP去除率增大。當PFS投加量為50～60 mg·L-1時，出水TP平均濃度降至0.477 mg·L-1，滿足達標要求，每1 t水藥劑費用約為0.08元。在加藥各階段初始時期對NH3-N的去除產生了不利的影響，這主要是由于化學藥劑對敏感的硝化菌產生了抑制作用，但隨著加藥進行，微生物逐漸得到馴化，抗藥性增強，NH3-N去除效果逐漸恢復[11]。相比于TP和NH3-N，投加PFS對COD去除效果的影響幾乎可以忽略。

2.1.2 PFS投加位置的影響

在實驗第V和第VI階段，分別將PFS投加位置改為缺氧池和硝化液回流管，PFS投加量均為50～60 mg·L-1，同時與第III階段出水TP濃度進行對比，結果如圖3所示。由圖3可知，加藥位置對TP的去除效果影響明顯，去除效率從高到低依次為回流管、好氧區和缺氧池，與GUO等[12]的實驗結果一致。投加位置為回流管和好氧區時，出水TP平均濃度分別為0.253和0.474 mg·L-1，能夠滿足一級A標準的要求。但從藥劑利用效率來看，PFS最佳投加位置為回流管處。從理論上分析，將PFS投加在回流管，可使藥劑和回流硝化液在管內流動過程中達到更好的混合效果，從而提高了藥劑利用效率和TP的去除效果。

圖3 PFS投加位置對TP去除的影響

2.1.3 長期連續運行的效果

在實驗第VII階段，穩定運行裝置2個月，期間連續投加PFS于回流管，投加量為50～60 mg·L-1，測定出水水質，結果如圖4所示。經過前幾個階段的加藥馴化，裝置內微生物對PFS有了較好的適應性，對水中各類污染物質也有了相對穩定的去除效果。出水COD、NH3-N和TP濃度均能穩定達到一級A標準，平均濃度分別為25、2.34和0.240 mg·L-1。結果表明，PFS對微生物的不利影響可以通過馴化逐漸減弱直至消失，化學同步除磷在MBR一體化污水處理設備的長期連續運行中，出水主要水質指標可以穩定達標。

圖4 長期連續運行出水水質情況

2.2 藥劑投加對運行參數的影響

2.2.1 對pH的影響

在運行第I～IV階段，考查PFS的投加及用量對出水pH值的影響，結果如圖5所示。投加PFS后出水pH值出現下降趨勢，且隨著投加量的增大，pH值降低更加明顯。未加藥時，出水pH值接近中性，平均為6.93；投加40～50、50～60、60～70 mg·L-1PFS后，出水pH平均值分別降至6.66、6.32和5.81。由此可知，當PFS投加量大于60 mg·L-1時，出水pH值低于6，已無法滿足一級A標準的要求。因此，采用PFS進行化學除磷時，藥劑投加量宜控制在60 mg·L-1以內。

圖5 PFS投加對出水pH的影響

2.2.2 對污泥沉降性能的影響

向活性污泥中適量投加除磷藥劑可以增強其沉降性能[13-14]。本實驗對PFS投加前后裝置內活性污泥沉降比(SV30)進行多次測定，結果如圖6所示。PFS的投加對實驗裝置SV30影響較大，藥劑投加前SV30保持在90%以上，多次測定的平均值高達96%；而投加PFS后SV30降至42%～77%，平均值為56%，活性污泥沉降性能明顯改善。

圖6 PFS投加前后SV30變化情況

2.2.3 對膜污染的影響

圖7所示為實驗裝置連續運行6個月過程中跨膜壓差的變化曲線，期間未對膜組件進行任何化學藥劑清洗。從圖7中可知，隨著運行天數增加，跨膜壓差從初始的13 kPa最終上升至24 kPa，整體呈現逐漸升高的趨勢。具體來看，跨膜壓差的變化過程可以分為3個階段。裝置運行的前1.5個月為第1階段，跨膜壓差較為穩定，基本保持在13 kPa左右，膜未受到明顯污染；裝置運行1.5～4.5個月期間為第2階段，跨膜壓差升至15 kPa左右，但仍相對穩定，膜污染較輕微；裝置運行的最后1.5個月為第3階段，此階段跨膜壓差出現急劇上升的趨勢，表明膜受到了較為嚴重的污染，亟需進行化學藥劑清洗。實驗期間，裝置跨膜壓差的增長可以總結為相對平穩運行后出現突變上升，其膜污染過程基本符合常規規律。有研究[15]提出，選用鐵鹽進行MBR化學同步除磷時，投加聚合氯化鐵(PFC)將加重膜污染，但實驗裝置在連續投加PFS后仍能穩定運行4個月，表明PFS對膜污染影響不大。

圖7 實驗期間MBR一體化設備的膜污染過程

3 小結

農村生活污水磷含量高，TP去除困難，是農村生活污水處理的一大難點。通過在MBR一體化污水處理設備中投加PFS，進行鐵鹽同步除磷，可以有效降低出水TP濃度。PFS最佳投加量為50～60 mg·L-1，最佳投加位置為回流管處。采用PFS進行化學除磷時，出水pH值隨著加藥量的增加而逐漸降低，PFS投加量不宜超過60 mg·L-1。實驗裝置在連續投加PFS后，在未對膜進行任何化學藥劑清洗的情況下，仍能長期穩定運行，跨膜壓差增長過程基本符合常規規律，表明PFS對膜污染影響不大。而投加PFS后裝置內SV30從90%以上下降至42%～77%，活性污泥沉降性能得到明顯改善。