鐵碳-砂濾的深度除磷工藝在農村生活污水處理中的應用
全康環(huán)保:據(jù)統(tǒng)計，2002年―2016年，全國農村生活污水日排放量由320.5萬t增長至202億t，已成為小流域污染的主要來源及影響美麗鄉(xiāng)村建設的重要因素。磷作為導致農村水污染的重要指標，開展去除率的研究變得十分重要。由于農村污水排放具有污水量小、分布廣泛等特點，且管網(wǎng)建設落后，導致分散農村生活污水難于管理。大部分農村生活污水未經(jīng)處理就直接排放到水體中，而污水中氮磷含量一般較高，加之農村河網(wǎng)水系連通性差，易造成水體富營養(yǎng)化。
目前，農村污水處理設備除磷采用化學沉淀法，該方法操作簡單，設備運行處理效果穩(wěn)定。然而,農村污水處理設施一般分布零散且距離維護點較遠，采用化學沉淀法除磷需人為定期添加化學絮凝劑，一般加藥周期<15 d/次。因此，定期加藥維護人工成本較高，給項目點持續(xù)穩(wěn)定達標運行增加了難度。
國內外開展了大量針對城鎮(zhèn)污水處理廠除磷技術及工藝應用研究，但對農村分散生活污水的除磷技術卻關注較少，需開發(fā)適宜性可持續(xù)除磷技術解決此問題。微電解法是一項被廣泛研究與應用的廢水處理技術，近30年來被泛應用于印染、電鍍等行業(yè)進行預處理，在生活污水除磷方面應用較少。杜利軍等通過“均質化―碳化―成型”工藝制備得新型鐵碳微電解填料用于除磷，處理效率達 98%，可實現(xiàn)含磷廢水達標排放，證明工藝處理的的高效性，但受限鐵碳板結鈍化等問題，微電解工藝用于實際工程中仍然較少。
針對傳統(tǒng)化學除磷技術藥品更換頻次高，人工運維頻繁且成本較高的問題，論文擬開發(fā)鐵碳緩釋除磷技術，更換周期≥12月/次，可大大降低設備運維人工成本，實現(xiàn)可持續(xù)運行及穩(wěn)定達標排放。研究選擇鐵碳填料作為緩釋除磷開發(fā)主體，鐵碳填料利用鐵和碳之間1.2 V的電勢差形成無數(shù)微小原電池，對污水進行氧化和沉淀作用，能有效去除污水中的磷。鐵碳填料具有緩釋特性，使其在運行成本及使用周期等方面具有明顯的優(yōu)勢，近年來受到污水處理領域的青睞。在除磷方面，污水經(jīng)鐵碳微電解處理后形成磷酸鐵沉淀，使色度和懸浮物(SS)上升，因此，需匹配后續(xù)處理。
本文將鐵碳微電解技術與砂濾工藝相結合，解決傳統(tǒng)微電解技術在處理生活污水過程中存在的不足，實現(xiàn)高效穩(wěn)定除磷。
研究方法
針對微電解除磷技術實際運行過程中存在的不足，采用理論分析與實踐相結合的方法。通過實驗室小試試驗，確定鐵碳最佳試驗條件、運行方式及補充周期，確保TP能穩(wěn)定達標，并成功運用于實際工程案例中。具體研究思路如下。
(1)確定以微電解技術為核心技術去除TP的方法。
(2)研究現(xiàn)有微電解材質特性，通過經(jīng)濟性成本分析及小試試驗，后置砂濾裝置。開展鐵碳比、鐵碳投加量、水力停留時間、曝氣量4個因素的單因素優(yōu)化試驗，確定鐵碳最佳試驗條件。
(3)將鐵碳-砂濾深度除磷工藝應用于工程實踐中，保證出水穩(wěn)定達標。
02 試驗條件分析
鐵碳通過微小原電池反應產生的鐵離子與width=29,height=16,dpi=110的化學沉淀和Fe(OH)2的混凝作用，將磷從液相轉移至固相中，實現(xiàn)除磷的效果。試驗通過優(yōu)化運行參數(shù)，工藝出水磷指標穩(wěn)定低于0.5 mg/L，達到一級A排放標準，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，且操作簡單、維護量小、能耗低。此時，鐵碳微電解除磷的最佳工藝條件：鐵碳比為3∶1，鐵碳投加量為100 g/L，曝氣量為12 m3/(h?m3)，水力停留時間為4 h。
03 實際數(shù)據(jù)應用
1 工程項目應用
采用鐵碳-砂濾組合進行強化除磷，相比化學法，操作簡單，維護量小，從而為鐵碳-砂濾的深度除磷工藝在農村生活污水中的應用，一級脫氮除磷強化提供解決思路。為分析鐵碳-砂濾除磷工藝實際工程中的除磷效果，將該工藝應用于蘇州市金庭鎮(zhèn)某一農村生活污水處理項目。該項目污水處理系統(tǒng)采用固定床生物膜工藝，為防止鐵碳板結鈍化，裝置通過特殊結構設計，通過機械方法使鐵碳運動，互相摩擦去除氧化膜，避免長時間電解過程中陽極鈍化及鐵碳板結問題。項目區(qū)生活污水水質情況如表1所示。
項目設計進水水量為30 t/d，根據(jù)小試試驗確定，鐵碳反應池設計停留時間為4 h，反應池容積為6 m3，設定曝氣量為12 m3/(h?m3)，鐵碳比為3∶1，鐵碳投加量為100 g/L，石英砂級配為0.5～1.0、1～2、2～4 mm，濾層厚度為45 cm。為保證過濾澄清度，砂濾過濾濾速控制為1.5 m/h，石英砂過濾器反洗頻次1～2次/d，每次反洗時間為15～30 min，保證過濾器持續(xù)穩(wěn)定運行。
2 出水水質情況
項目穩(wěn)定運行一年以上，運行期間內進水水溫為11.2～27.3 ℃。項目點實際出水數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)出水各項指標均較穩(wěn)定，CODCr、BOD5、NH3-N、TP、TN、SS濃度基本可達到一級A標準，其中TP濃度可穩(wěn)定達標于一級B標準，說明鐵碳+砂濾深度除磷工藝具有出色的穩(wěn)定性。
微電解除磷去除效果如下圖所示， 進水 TP 濃度為3.5～7 mg/L，平均濃度為5.64 mg/L。當進水TP濃度為3.5～5 mg/L時，出水TP濃度穩(wěn)定于0.5 mg/L以下，達到一級A標準；當進水TP濃度在5～7 mg/L時，出水TP濃度穩(wěn)定小于1 mg/L，達一級B標準；平均去除率為91.84%～95%。項目試驗結果表明，微電解除磷-砂濾技術可有穩(wěn)定高效的除磷效果，出水TP穩(wěn)定達標。
系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行一年，按月測量鐵碳質量的下降情況。鐵碳質量百分比隨時間的變化。持續(xù)穩(wěn)定運行一年，電解材質持續(xù)釋放，總質量比下降至20%，TP去除率未受影響。當運行至13個月時，TP去除率逐漸下降，表明系統(tǒng)鐵碳添加周期可維持在12～13個月，相比傳統(tǒng)化學加藥方法，維護頻次大大減少，節(jié)省大量的運維成本。
3 經(jīng)濟性分析
目前，大部分農村污水處理均采用化學加藥輔助運行去除TP，投加PAC頻率高，加大了運行維護難度及成本。鐵碳-砂濾工藝初次添加鐵碳滿足一年以上的使用周期，減少運行維護頻次，節(jié)省大量人工成本。對兩種處理方式進行經(jīng)濟性對比分析，分析以獨立項目點，除磷單獨維護工作量計算，其經(jīng)濟性對比如下表所示。
04 結論
通過鐵碳微電解將TP從液相轉移至固相，再經(jīng)砂濾除去，在小試和實際應用中都表現(xiàn)出卓越的除磷能力。在小試階段，確定了鐵碳+砂濾的最佳運行參數(shù)，鐵碳反應池曝氣量為12 m3/(h?m3)，鐵碳比為3∶1，投加量為100 g/L，水力停留時間為4 h，砂濾以0.5～1.0 mm石英砂為濾料，過濾高度為40 cm，使TP為5 mg/L的原水降至0.02 mg/L，去除率達到99.6%。在實際應用階段，將該工藝用于蘇州市金庭鎮(zhèn)某一農村生活污水處理系統(tǒng)中，控制砂濾濾速為1.5 m/h，出水TP穩(wěn)定于0.5 mg/L左右，達到《城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標準》一級B標準，證明該技術的穩(wěn)定可靠性。填料更換周期可達1年，可節(jié)省大量的人工運維成本，普遍適用于分散式生活污水的處理，具有較大的推廣使用價值。