海綿鐵與鋁酸鈣粉協(xié)同活性污泥強(qiáng)化除磷效果研究

馬紫怡，許芝，費(fèi)慶志，白茹，李林

(大連交通大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

當(dāng)前分散式間歇性排放的生活污水比較流行的處理方式就是凈化槽等一體化設(shè)備，但是由于分散式生活污水間歇排放、水量變化大等的特殊性，導(dǎo)致一體化設(shè)備的除磷效果不穩(wěn)定，仍需要強(qiáng)化[1].常用的除磷藥劑有鋁鹽、鐵鹽及熟石灰等[2].但常用的除磷藥劑需連續(xù)投加，耗費(fèi)人工，不適用于一體化凈化設(shè)備及農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)，故需要一種合適的強(qiáng)化除磷藥劑，實(shí)現(xiàn)一次性投加除磷藥劑，長時(shí)間的強(qiáng)化除磷.

海綿鐵與鋁酸鈣粉強(qiáng)化除磷是近來提出的新思路.海綿鐵與鋁酸鈣粉除磷都是利用化學(xué)法除磷，其再與活性污泥法結(jié)合同步除磷依據(jù)理論推斷除磷效果會(huì)更佳，且兩種原料價(jià)格較低，其中海綿鐵具有比表面積大、表面能高、電化學(xué)富集能力強(qiáng)以及水解產(chǎn)物絮凝沉降性能優(yōu)等特點(diǎn)[3-6].相關(guān)研究表明，海綿鐵腐蝕產(chǎn)生的 Fe2+和進(jìn)一步氧化生成的 Fe3+以及它們的水化物與水中的磷酸根發(fā)生反應(yīng)生成磷酸鹽沉淀，在沉淀、絮凝、吸附和卷掃等作用下，可以降低污水中的磷[7-8].另一種藥劑鋁酸鈣粉微溶于水，其含有CaO、Al2O3等物質(zhì)，具有較強(qiáng)的活性，在一定pH條件下可以溶出一定量的金屬離子與水中的磷酸根發(fā)生反應(yīng)生成磷酸鹽沉淀從而去除水中的磷.由于兩種藥劑其溶出的速率較慢，投加到系統(tǒng)中起到一定的緩釋作用[9-11].利用其溶解度低的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)緩釋強(qiáng)化除磷效果，通過實(shí)驗(yàn)研究海綿鐵與鋁酸鈣粉分別協(xié)同活性污泥能一次性投加除磷藥劑長期的強(qiáng)化除磷.

1 材料與方法

1.1 材料制備

強(qiáng)化除磷藥劑：實(shí)驗(yàn)所用海綿鐵來自大連某加工廠，主要成分為鐵氧化物，其中金屬鐵含量>90%，體積質(zhì)量為 2.3～2.78 g/cm3，堆積密度為 1.7～1.88 g/cm3，機(jī)械研磨100～200目.實(shí)驗(yàn)選用規(guī)格近似于直徑為2、3 mm的塊狀海綿鐵(這里的海綿鐵塊是由于研磨后的粉末狀海綿鐵曝光于潮濕的空氣中，與空氣中的水分結(jié)合而凝結(jié)在一起形成的海綿鐵塊，結(jié)成塊的海綿鐵是會(huì)在曝氣條件下一點(diǎn)點(diǎn)溶解，會(huì)更緩慢的溶解在系統(tǒng)中，最后成為海綿鐵粉末更能達(dá)到緩釋目的).鋁酸鈣粉采用河南某廠生產(chǎn)的鋁酸鈣粉，主要成分為二鋁酸鈣(CaO·2Al2O3)和一鋁酸鈣(CaO·Al2O3)的混合物，灰白色粉末，微溶于水，200～300目，溶于水后pH值為10左右.

活性污泥：污泥來自大連某污水處理廠污泥濃縮池，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行曝氣培養(yǎng).

實(shí)驗(yàn)用水：大連交通大學(xué)校區(qū)生活污水.實(shí)驗(yàn)水質(zhì)COD在160～200 mg/L之間，氨氮在20～30mg/L、總磷在3～5 mg/L之間，pH在6.8～7.5之間.

1.2 檢測(cè)指標(biāo)及分析方法

檢測(cè)指標(biāo)及方法：pH、COD、總磷.

pH：電極法；COD：重鉻酸鉀法；總磷：鉬銻抗分光光度法.

試劑：重鉻酸鉀、硫酸銀、硫酸、硫酸亞鐵銨、抗壞血酸、鉬酸銨.

儀器：PHS-25型實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)、V-5000紅外分光光度計(jì)、ME204E電子天平、ACO-007電磁式空氣泵.

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

(1)反應(yīng)器制作如圖1,選取漏斗形狀容積為2 L左右的塑料瓶，瓶口朝下置于1 L的燒杯中固定住，朝下的瓶口處裝好曝氣頭.由于鋁酸鈣粉易沉降結(jié)垢，故實(shí)驗(yàn)選用弧形瓶口作為曝氣頭固定位置，以便曝氣充分?jǐn)嚢杈鶆?

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

(2)單因素實(shí)驗(yàn)

通過單因素實(shí)驗(yàn)，確定鋁酸鈣粉的最大投加量與反應(yīng)時(shí)間，由于鋁鈣粉中含有堿性氧化物，將其投入到廢水中會(huì)使體系pH值持續(xù)升高到10左右，并且與活性污泥法相結(jié)合除磷，故需要考慮體系內(nèi)的pH值，當(dāng)pH超過9.0以后會(huì)對(duì)生化過程造成影響，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)使整個(gè)生化過程停止.海綿鐵投加到系統(tǒng)中對(duì)pH影響很小，可以忽略不計(jì)[12]，可以不進(jìn)行最大投加量實(shí)驗(yàn)，直接選取投加海綿鐵25、30、40 g/L.

(3)間歇性進(jìn)水周期循環(huán)實(shí)驗(yàn)

取培養(yǎng)好的活性污泥與1 L生活污水混合，污泥濃度為3 000 mg/L，連接曝氣裝置，曝氣量為3 mg/L，一個(gè)作為空白對(duì)照，其余分別為投加鋁酸鈣粉15、20、25 g/L與海綿鐵塊25、30、40 g/L，海綿鐵粉25 g/L.實(shí)驗(yàn)以5 h為周期，5h后停止曝氣，靜置一小時(shí)，排出上清液，測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)，繼續(xù)加入1 L生活污水連續(xù)循環(huán)，每天兩個(gè)周期，夜間停止曝氣，第二天重復(fù)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)初期每5個(gè)周期測(cè)定出水中的總磷，每10個(gè)周期測(cè)定出水中的COD，后期每2個(gè)周期測(cè)定總磷，每5個(gè)周期測(cè)定COD.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鋁酸鈣粉投加量對(duì)pH影響分析

鋁酸鈣粉投加量對(duì)pH影響單因素實(shí)驗(yàn)：取生活污泥與1L生活污水混合，污泥濃度為3000mg/L，連接曝氣裝置，曝氣量為3mg/L，實(shí)驗(yàn)鋁酸鈣粉投加量分別為5、10、15、20、25、30 g/L，然后分別1、2、3、4、5 h測(cè)定其pH變化如圖2.

圖2 不同投加量下反應(yīng)時(shí)間變化對(duì)pH影響

由圖2分析，鋁酸鈣粉投加量與pH值呈正相關(guān)，隨著反應(yīng)時(shí)間增加pH 值會(huì)有所下降，但一次性投加量過大，pH超過9會(huì)影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)的生化過程，影響污泥活性.

圖2中鋁酸鈣粉投加量為30 g/L時(shí)，經(jīng)過5 h反應(yīng)后pH值仍在9左右，當(dāng)投加量在25 g/L及以下的時(shí)候，經(jīng)過5h的反應(yīng),pH值會(huì)降到8左右，pH在6～9不會(huì)影響生化反應(yīng)，故確定每升生活污水鋁酸鈣粉最大投加量為25 g，實(shí)驗(yàn)投加鋁酸鈣粉不超過25 g/L，pH不會(huì)過高而影響生化反應(yīng).

2.2 投加鋁酸鈣粉周期實(shí)驗(yàn)效果分析

投加鋁酸鈣粉進(jìn)行間歇性進(jìn)水周期循環(huán)實(shí)驗(yàn)，其數(shù)據(jù)如圖3、4.實(shí)驗(yàn)原水指標(biāo)并非每個(gè)周期都測(cè)定，每5個(gè)周期測(cè)定一次.測(cè)定原水指標(biāo)如表1所示.

表1 生活污水原水指標(biāo)

綜合分析表明：鋁酸鈣粉的投加量與強(qiáng)化除磷周期數(shù)成正相關(guān)，實(shí)驗(yàn)周期數(shù)與強(qiáng)化效果呈負(fù)相關(guān)變化.圖3中曲線都是先相對(duì)較平穩(wěn)后上升的趨勢(shì)，圖4中曲線除了空白組，其它呈現(xiàn)下降后平穩(wěn)的趨勢(shì)，分析原因，空白對(duì)照組出水的總磷呈緩慢增加，主要是活性污泥除磷能力下降導(dǎo)致，由于實(shí)驗(yàn)未進(jìn)行排泥故對(duì)除磷效果有影響，而分別投加鋁酸鈣粉結(jié)合活性污泥組的出水磷濃度都是比較平穩(wěn)后增加，后期出水磷濃度增加是由于鋁酸鈣粉緩釋結(jié)束強(qiáng)化效果變?nèi)?

圖3 不同投加量下周期變化對(duì)出水中總磷的影響

圖4 不同投加量下周期變化對(duì)出水中COD的影響

投加鋁酸鈣粉出水COD先高后趨于平穩(wěn)，分析原因是由于投加鋁酸鈣粉到體系中初期會(huì)使pH升高影響污泥活性，而導(dǎo)致出水COD濃度高，經(jīng)過幾個(gè)周期，出水COD趨于穩(wěn)定，根據(jù)COD去除效果穩(wěn)定判斷活性污泥活性穩(wěn)定，表明投加鋁酸鈣粉未對(duì)活性污泥活性產(chǎn)生較大影響.

對(duì)照空白實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)原水，當(dāng)鋁酸鈣粉投加量為15 g/L時(shí)，可以連續(xù)70個(gè)周期間歇性進(jìn)水實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)化除磷，當(dāng)鋁酸鈣粉投加量為20 g/L時(shí)，可以連續(xù)80個(gè)周期間歇性進(jìn)水實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)化除磷，當(dāng)投加量為25 g/L時(shí)，可以連續(xù)88個(gè)周期以上間歇性進(jìn)水實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)化除磷，計(jì)算得出鋁酸鈣粉平均強(qiáng)化除磷能力為0.166 mg/g.

此外，實(shí)驗(yàn)投加鋁酸鈣粉到體系中曝氣，周期實(shí)驗(yàn)停止曝氣后，活性污泥沉降速度較快，由于鋁酸鈣粉的吸附等作用，易于泥水分離，可以縮短沉降時(shí)間.

2.2 投加海綿鐵的周期實(shí)驗(yàn)效果分析

投加海綿鐵進(jìn)行間歇性進(jìn)水周期循環(huán)實(shí)驗(yàn)，其數(shù)據(jù)如圖5、6.

圖5 不同投加量下周期變化對(duì)出水中總磷的影響

圖6 不同投加量下周期變化對(duì)出水中COD的影響

與鋁酸鈣粉相似，海綿鐵的投加量與強(qiáng)化除磷周期數(shù)成正相關(guān)，實(shí)驗(yàn)周期數(shù)與強(qiáng)化效果呈負(fù)相關(guān)變化.分析前期強(qiáng)化除磷效果較好是因?yàn)檫^量的海綿鐵緩慢溶解在體系中，過量的海綿鐵可以使前60個(gè)周期體系中溶解的海綿鐵保持相對(duì)穩(wěn)定，因此前60個(gè)周期強(qiáng)化除磷效果基本不變.但隨著實(shí)驗(yàn)周期的增加，投加的海綿鐵反應(yīng)掉大部分的時(shí)候，強(qiáng)化效果會(huì)減弱.海綿鐵相對(duì)投加量多的后幾十個(gè)周期強(qiáng)化效果較好，但后續(xù)強(qiáng)化效果也減弱[13].

不同投加量下的系統(tǒng)COD值差別不大，不同實(shí)驗(yàn)周期出水中的COD較低，都小于50 mg/L，表明投加海綿鐵未影響活性污泥活性.對(duì)照空白實(shí)驗(yàn)，投加海綿鐵塊與海綿鐵粉都能有效強(qiáng)化除磷，海綿鐵粉投加量為25 g/L時(shí)，能有效強(qiáng)化除磷65個(gè)周期間歇性進(jìn)水實(shí)驗(yàn)，海綿鐵塊投加量為25 g/L時(shí)，能有效強(qiáng)化除磷70個(gè)周期，海綿鐵塊投加量為30g/L時(shí)，能有效強(qiáng)化除磷80個(gè)周期，投加海綿鐵塊為40 g/L時(shí)，能強(qiáng)化除磷92個(gè)周期，海綿鐵粉與海綿鐵塊強(qiáng)化效果差異不是特別大，當(dāng)投加量相同時(shí)，海綿鐵塊能比海綿鐵粉持續(xù)強(qiáng)化除磷5個(gè)周期，計(jì)算得出海綿鐵平均強(qiáng)化除磷能力為0.11 mg/g.

2.3 對(duì)比鋁酸鈣粉與海綿鐵強(qiáng)化除磷效果分析

將93個(gè)周期所測(cè)得出水總磷變化進(jìn)行效果比對(duì)，將鋁酸鈣粉投加量為25 g/L與海綿鐵粉、塊投加量為25 g/L強(qiáng)化效果對(duì)比如下圖7.

圖7 投加不同除磷藥劑出水中總磷的變化

由圖7分析表明：投加海綿鐵與鋁酸鈣粉強(qiáng)化除磷的效果都比較好，兩種藥劑強(qiáng)化效果差別不大，當(dāng)投加量相同時(shí)，鋁酸鈣粉比海綿鐵的強(qiáng)化周期更長一些，鋁酸鈣粉強(qiáng)化除磷88個(gè)周期，而海綿鐵只能強(qiáng)化70個(gè)周期，但投加過量的鋁酸鈣粉會(huì)是體系pH值長時(shí)間超過9，會(huì)對(duì)生化反應(yīng)造成一定影響，故鋁酸鈣粉投加量需要控制在一定范圍內(nèi).有學(xué)者研究表明[14]，當(dāng)鐵鹽成為沉淀，不能被微生物直接利用時(shí)，鐵鹽形成的沉淀就如同給微生物裹上了厚厚的外殼，鐵鹽形成的沉淀外殼會(huì)不斷阻止微生物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的攝取，適量鐵離子可以強(qiáng)化COD的處理效果，過量鐵離子則不利于COD的降解，因此海綿鐵的投加量也不能過多.綜合分析兩種強(qiáng)化除磷藥劑，當(dāng)投加量適當(dāng)時(shí)，都能滿足一次性投加除磷藥劑，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的間歇性排放污水的強(qiáng)化除磷.

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究了海綿鐵與鋁酸鈣粉分別結(jié)合活性污泥間歇性進(jìn)水周期實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化除磷，對(duì)比不加藥劑活性污泥間歇性進(jìn)水曝氣周期實(shí)驗(yàn)情況下的出水，得出以下結(jié)論：

(1)鋁酸鈣粉與活性污泥法協(xié)同強(qiáng)化除磷效果顯著，增強(qiáng)了普通活性污泥法除磷的效果，其投加量為25 g/L時(shí)，可滿足88個(gè)實(shí)驗(yàn)周期間歇性進(jìn)水實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)化除磷，滿足一次性投加除磷藥劑長時(shí)間的強(qiáng)化除磷，鋁酸鈣粉平均強(qiáng)化除磷能力為0.166 mg/g;

(2)海綿鐵與活性污泥法協(xié)同強(qiáng)化除磷效果明顯，當(dāng)海綿鐵塊投加量為40 g/L時(shí)可滿足92個(gè)實(shí)驗(yàn)周期間歇性進(jìn)水實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)化除磷，海綿鐵平均強(qiáng)化除磷能力為0.11 mg/g;

(3)對(duì)比海綿鐵與鋁酸鈣粉協(xié)同活性污泥強(qiáng)化除磷，投加海綿鐵強(qiáng)化除磷對(duì)pH值影響向較?。讳X酸鈣粉的平均強(qiáng)化除磷能力強(qiáng)于海綿鐵的強(qiáng)化除磷能力；投加海綿鐵與鋁酸鈣粉都能較好的增加沉降效果從而縮短沉降時(shí)間，使污泥較快沉降，且經(jīng)過90個(gè)周期后出水總磷在0.5 mg/L以下.

(4)以上兩種強(qiáng)化除磷藥劑加入體系中都有緩釋除磷的效果，在實(shí)際應(yīng)用中，可將海綿鐵與鋁酸鈣粉投加到一體化凈化設(shè)備的好氧曝氣池中，結(jié)合活性污泥同步除磷，可為分散式間歇性排放的生活污水凈化及好氧活性污泥等工藝提供緩釋強(qiáng)化除磷新思路.