北斗智库环保管家网讯：再生水深度脱氮除磷是实现污水资源化利用的有效途径[1, 2]，然而目前在深度处理的过程中仍存在一些问题： 在脱氮方面，由于污水厂尾水自身存在碳源不足的问题，常需额外投加碳源，增加了成本的同时也容易产生二次污染。 为解决这些问题，在反硝化过程中往往结合自养反硝化等进行脱氮[3, 4]. 硫自养反硝化因其具有工艺简单，无需外加碳源以及价格低廉等优点在低碳氮比污水处理中得到了广泛应用并取得了较好的效果[5~10]，但以单质硫等作为硫源的硫自养反硝化不具有除磷功能。

 

　　在除磷方面，依靠传统的生物除磷往往很难实现水质的达标，因此需要结合化学法强化除磷效果，海绵铁因其高效的除磷效果能力被国内外研究人员所关注[11~15]. 匡颖等[16]研究认为，海绵铁腐蚀产生的Fe2+和进一步氧化生成的Fe3+以及它们的水化物，在沉淀、 絮凝、 吸附和卷扫等作用下，可以使出水中的磷大幅度降低。

 

　　此外，国内外许多学者发现铁对水中硝酸盐的去除也具有一定效果，但是存在水力停留时间较长、 氨氮积累较严重等问题[11, 14~20]; 另外由于利用铁基质进行的自养反硝化过程需要一定的适宜环境，如中性的pH等，当环境发生变化时，此时反硝化的效果将大受到影响[21~26].

 

　　综上，硫和海绵铁在二级水深度脱氮除磷方面的应用具有良好前景，将二者混合应用不仅能够提升系统的脱氮能力，也将使系统除磷效果大大得到增强。 目前两者混合应用的相关研究还较少，吴中琴[27]、 苏晓磊等[28]将单质硫和铁刨花组合成填料床对模拟二级出水进行深度脱氮除磷，发现该工艺具有良好的脱氮除磷效果。 然而这些研究只是针对反应器的组合方式、 硫自养的脱氧功能及滤速对工艺脱氮除磷性能的影响等方面进行了探讨； 对于填料中硫铁比对同步脱氮除磷产生的影响等方面却未作探究。 本研究针对污水处理厂尾水深度脱氮除磷及其水质特点，通过实验室静态实验，探讨了单质硫和海绵铁的体积比对反硝化脱氮除磷效果的影响，分析了系统脱氮除磷动力学过程，以期为城市污水处理厂尾水深度脱氮除磷提供技术参考。

 

　　1 材料与方法

 

　　1.1 实验方法

 

　　1.1.1 实验分组

 

　　实验用到粒径均为3-5 mm的硫磺，海绵铁、 陶粒这3种单一填料，以及不同硫铁体积比混合而成的复合填料，见表 1. 以陶粒作为空白对照，即只加入等体积的陶粒（见表 1中⑤号）。

 

　　1.1.2 静态反硝化脱氮同步除磷实验

 

　　反硝化脱氮除磷实验运行装置采用6只2 L烧杯作为反应器，接种污泥来自北京某污水处理厂回流污泥，实验用水采用人工配水模拟污水厂尾水，即在自来水中加入一定量的CH3COONa、 KNO3和KH2PO4，该水质特征为： pH=7.0-7.5，ρ（NO3--N） =30 mg ·L-1，ρ（COD）=45 mg ·L-1，TP=3.0mg ·L-1，COD ∶TN=1.5.

 

　　向各个装置内加入200 mL富集培养的活性污泥，再加实验配水至刻线。 实验采用序批方式运行，水力停留时间（HRT）为24 h. 实验装置置于60 r ·min-1的摇床内振荡，以确保物料的均匀； 出水方式采用虹吸式出水，每次换水1.2 L. 测定进出水的pH、 COD、 ρ（NO3--N） 、 ρ（SO42-）、 TN、 TP和总铁。

 

　　本实验分为3个部分。 第一部分考察填料种类对脱氮除磷效果的影响，第二部分以不同硫铁比的复合填料为研究对象，考察复合填料中硫铁比对脱氮除磷效果的影响，第三部分对复合填料系统内脱氮除磷动力学进行了分析。

 

　　1.2 分析方法与仪器

 

　　实验中的pH采用上海三信PHS-3C型pH计测定； NO2--N、 NO3--N、 NH4+-N和SO42-采用瑞士万通Metrohm861离子色谱仪测定； TN采用德国耶拿jena multi N/C3000 型TOC/TN分析仪测定； COD采用北京连华科技COD快速测定仪测定； TP和总铁均采用岛津UVmini-1240紫外可见分光光度计测定，其中TP采用钼酸铵分光光度法测定，总铁采用邻菲罗啉分光光度法测定。

 

　　2 结果与讨论

 

　　2.1 填料种类对脱氮除磷效果的影响

 

　　2.1.1 对TN去除率的影响

 

　　对单独硫磺、 单独海绵铁以及两者混合填料的脱氮效果进行分析，以单独陶粒填料作为对照。 填料种类对总氮去除率影响如图 1所示。 其中，“硫磺+海绵铁”为②③④组实验均值，其余几组实验数据则分别来自于①、 ⑤、 ⑥组单组实验值。

 

　　“硫磺+海绵铁”组总氮去除能力最高，总氮去除率维持在55%-71%; “硫磺”组去除能力略低于复合填料组，总氮去除率维持在61%上下； “海绵铁”组脱氮能力低于前两组，总氮去除率在43%附近波动； “空白”组脱氮能力最差，总氮去除率仅在30%左右，最高达到44%，明显低于其它几组。 由此可见，不同填料种类的脱氮情况存在着较为明显的差异。 就单一种类填料脱氮效果而言，硫磺明显优于海绵铁； 而当硫磺和海绵铁混合成为复合填料时，总氮的去除效果得到进一步提升。

 

　　图 2所示为不同种类填料的出水pH对比情况。 从中可以看出，“硫磺”组的出水pH最低，“硫磺+海绵铁”组出水pH高于“硫磺”组，出水pH维持在7.38左右； 而“海绵铁”组和“空白”组出水pH均高于其它两组，且“空白”组略高于“海绵铁”组。 可见，硫磺的加入在一定程度上降低了系统的出水pH. 硫自养反硝化可在低碳氮比的条件下以还原态硫为电子供体还原水中的硝酸盐，Batchlor等[7]研究认为单质硫作为电子供体时可以取得良好的反硝化效果，并通过建立的化学计量关系式表明该过程是一个产酸过程，该过程中对碱度的消耗会对反硝化效果产生影响，需要对系统pH进行调节[10].

 

　　图 2 不同种类填料出水pH对比

 

　　同时相关研究表明，海绵铁腐蚀过程会产氢从而促进氢自养微生物的反硝化过程[21, 22]; 此外，海绵铁腐蚀产生的Fe2+可为部分利用铁基质进行反硝化的微生物提供电子供体，且少量的铁离子也会促进微生物的生长代谢，从而促进体系的自养反硝化[26, 29].

 

　　因此，当硫与海绵铁填料混合后，硫自养反硝化的产酸过程既可以加速海绵铁的腐蚀，也平衡了系统的碱度，从而使系统反硝化脱氮的效果大大提升。 故此，与单一种类填料相比，硫铁复合填料能够提升总氮的去除率。

 

　　2.1.2 对TP去除率的影响

 

　　图 3所示为不同填料种类对总磷去除效果的对比。 从中可以看出，就单一种类填料除磷效果而言，海绵铁显著优于硫磺； 单质硫与空白组的除磷率相差不多，仅在10%左右； 而当硫磺与海绵铁混合成复合填料时，除磷效果大大提升，除磷率达到了70%-80%.

 

　　图 3 填料种类对总磷去除率的影响

 

　　徐丰果等[30]认为水中的Fe2+和Fe3+会与磷酸盐反应生成难溶盐，其间伴随着强烈水解和各种聚合反应的发生，生成多种多核羟基络合物。 这些含铁的羟基络合物通过压缩双电层、 电中和、 吸附架桥及絮体的网捕作用使胶体凝聚、 沉淀而将磷去除。 在本研究中，硫磺的反硝化过程会加速海绵铁腐蚀产生Fe2+，从而使系统的除磷效率得到大大提升。

 

　　综上，硫铁复合填料的脱氮和除磷效率均显著高于单一组分填料，出水总氮、 总磷达到稳定后，反应器内的总氮去除率达到60%以上，除磷率可达80%. 分析主要原因是硫自养反硝化的产酸作用加速了海绵铁的腐蚀，这一过程既丰富了脱氮过程所需的电子供体，又为化学除磷提供了反应物质。

 

　　2.2 复合填料中硫铁比对脱氮除磷效果的影响

 

　　选取硫铁比分别为2 ∶1、 1 ∶1和1 ∶2（②号、 ③号和④号）的复合填料进行脱氮除磷效果对比实验。

 

　　2.2.1 对TN去除率的影响

 

　　图 4所示为不同硫铁比的脱氮效果对比。 从中可以看出，各组实验的脱氮效果随运行时间稳步上升； 其中，硫铁比为2 ∶1和1 ∶1的反应器脱氮效果相差不大，相比于硫铁比为1 ∶2的烧杯有着明显的优势。 图中可见，当硫和铁的体积比大于等于1 ∶1时，硝态氮的去除率逐步稳定于73%左右； 而当硫铁比为1 ∶2时，总氮去除率在55%-63%的范围内波动。 有研究表明[5, 6],单质硫作为电子供体有较高的利用效率，当系统内碳源相对不足时，脱氮作用需要单质硫的自养反硝化作用弥补。 因此硫磺所占比例的增加有利于增强系统反硝化脱氮能力。

 

　　图 4 不同硫铁比脱氮效果对比

 

　　2.2.2 对TP去除率的影响

 

　　图 5为不同硫铁比反应器的除磷效果及出水总铁增量Δρ（Fe）对比。 从中可以看出，硫铁比为2 ∶1、 1 ∶1的除磷效果和总铁增量均明显高于硫铁比为1 ∶2的反应器，此时二者的除磷效果均达到90%以上； 当硫铁比小于1 ∶1时，除磷效果仅在40%-50%. 同时可见，除磷效果与出水总铁的增量存在一定正相关性。 这也证明了在本研究中较好的除磷效率依赖于海绵铁腐蚀所产生的化学除磷作用。

 

　　图 5 不同硫铁比除磷效果及出水总铁增量对比