新型鐵鹽脫氮除磷技術的研究.pdf

1、在全國實施“控源減排”后，廢水有機污染得到有效治理，氮磷污染上升為主要環(huán)境問題，針對廢水低C∶N∶P的限制，亟需開發(fā)自養(yǎng)脫氮除磷技術。以二價鐵為電子供體、以硝酸鹽為電子受體的硝酸鹽型厭氧鐵氧化(NAFO)是環(huán)境領域和微生物領域的重大發(fā)現(xiàn)。它不僅能將硝酸鹽轉化成氮氣，提供一種廢水生物自養(yǎng)脫氮技術，而且能將二價鐵轉化成三價鐵，提供更為經濟高效的化學除磷沉淀劑。有鑒于此，本文分別研發(fā)了厭氧鐵氧化脫氮技術和強化鐵鹽除磷技術，考察了兩種技術的運行

2、性能和過程特征，并以厭氧鐵氧化為紐帶，探索了新型鐵鹽脫氮除磷復合技術，主要結論如下:
　　1)研發(fā)厭氧鐵氧化脫氮工藝，探明了運行性能和控制條件。
　　厭氧鐵氧化脫氮工藝可成功應用于廢水脫氮。經過長期運行，厭氧鐵氧化脫氮系統(tǒng)的硝氮容積負荷和容積去除率分別穩(wěn)定于0.161±0.008 kg-N/(m3·d)和0.076±0.006 kg-N/(m3·d)，達到了文獻報道水平。溫度、出水pH、硝酸鹽濃度和有機物等環(huán)境條件對厭氧鐵氧

3、化脫氮工藝具有不同的影響。適宜溫度為30.15℃，適宜pH高于6.0，適宜進水硝氮濃度低于130 mg/L，有機物的短期沖擊對反應系統(tǒng)沒有顯著影響。反應系統(tǒng)的出水pH和硝酸鹽去除率之間有較好的相關性，可考慮用作脫氮性能的指示參數(shù)。
　　2)觀測厭氧鐵氧化脫氮污泥的形貌、密度、元素組成、微生物群落等性狀，探明了污泥特性和菌群組成。
　　厭氧鐵氧化脫氮污泥具有良好的沉降性能。在穩(wěn)態(tài)運行的厭氧鐵氧化脫氮反應器中，污泥表面積平均粒徑

4、和體積平均粒徑、濕密度、沉降速度較接種污泥均顯著增大，分別達到1468.98±64.53μm和2389.00±131.52μm、1580±80 kg/m3、390.07±161.31 m/h。厭氧鐵氧化脫氮污泥具有獨特的形貌。在穩(wěn)態(tài)運行的厭氧鐵氧化脫氮反應器中，污泥表觀上呈團聚體和特征性黃色;微觀上細胞表面粗糙度增大。厭氧鐵氧化脫氮污泥具有較高的鐵素含量。在穩(wěn)態(tài)運行的厭氧鐵氧化脫氮反應器中，污泥Fe元素含量高達51.73％(m/m)，主

5、要以赤鐵礦、磁鐵礦和氧化鐵等形式存在。厭氧鐵氧化脫氮污泥菌群變化顯著。厭氧鐵氧化馴化后，污泥中物種多樣性提高，優(yōu)勢菌群主要分布于變形菌門的α-Proteobacteria、β-Proteobacteria和γ-Proteobacteria，厚壁菌門的Clostridia和放線菌門的Thermoleophilia和Actinobacteria。
　　3)試驗操作條件對傳統(tǒng)鐵鹽除磷工藝的影響，探明了傳統(tǒng)工藝的適宜條件和運行性能，并揭示

6、了過程特征。
　　“優(yōu)先/聯(lián)合”優(yōu)化控制模式適用于亞鐵鹽除磷工藝。各工藝條件對廢水除磷效率的貢獻大小排序為:Fe(Ⅱ)/P＞pH＞FMS;工藝條件之間的復合效應為負效應，其大小排序為:Fe(Ⅱ)/P-FMS＞pH-FMS＞Fe(Ⅱ)/P-pH，操作中應當抑制復合作用產生的負效應。對于濃度為100 mg/L的含磷廢水，通過模型分析所確定的優(yōu)化操作參數(shù)為:Fe(Ⅱ)/P為3.32，pH值為7.49，F(xiàn)MS為182 r/min。傳統(tǒng)鐵鹽

7、除磷工藝中需要投加過量藥劑使廢水磷達標排放，隨著出水磷濃度降低，去除單位磷酸鹽的藥劑投加量增加。對于濃度為100 mg/L的含磷廢水，出水磷濃度達標所需的鐵鹽投加量為4.12-5.83 kg-Fe(Ⅱ)/kg-P。傳統(tǒng)鐵鹽除磷過程屬于偏衡反應。要維持較低的出水磷濃度，需要在液相留存較高的亞鐵鹽濃度;水解反應形成Fe(OH)2與Fe3(PO4)2產生競爭，降低了沉淀劑的有效性;兩者都是導致傳統(tǒng)鐵鹽除磷工藝中藥劑投加量過大的重要原因。

8、>　　4)研發(fā)強化鐵鹽除磷工藝，探明了運行性能，揭示了過程特征。
　　強化鐵鹽除磷工藝具有高效性和經濟性，適用于低、中、高濃度含磷廢水處理。在穩(wěn)態(tài)工況下，容積去除速率最高為2.86±0.04 kg-P/(m3·d)(2.60-2.76kg-Fe(Ⅱ)/kg-P)，磷去除率達到97％以上，沉淀劑有效利用率高達97％以上，單位處理成本為$0.632-0.673/kg-P，優(yōu)于同類研究。強化鐵鹽除磷工藝可加速混凝除磷反應。通過在反應器設

9、置內構件限制跨域返混,可在反應區(qū)Ⅰ形成局域高反應物濃度，加速除磷反應;通過反應區(qū)Ⅱ反應產物的內循環(huán)，可維持反應區(qū)Ⅰ的局域高反應物濃度，有利于后續(xù)絮凝沉淀和過濾分離除磷。強化鐵鹽除磷工藝可強化絮凝沉淀分離過程。通過在反應器內形成“絮凝物濾器”，可促進新生磷酸亞鐵鹽沉淀，強化絮凝沉淀和過濾分離過程，提高廢水除磷效率和亞鐵鹽有效利用率。強化鐵鹽除磷工藝可強化沉淀物中磷資源的回收利用。在強化工藝“絮凝物濾器”沉淀物中，磷含量最高達30.44％（

10、以P2O5計），具有回收利用價值。
　　5)試驗厭氧鐵氧化污泥和出水的除磷性能，探討了新型鐵鹽脫氮除磷復合工藝的裝置和組建。
　　厭氧鐵氧化脫氮工藝污泥可用于廢水除磷。其容積去除速率為1.48kg-P/(m3·d)(18.46 mg-P/g-VS)，優(yōu)于文獻報道的同類研究結果，并達到了化學除磷工藝水平。厭氧鐵氧化脫氮工藝出水可用于廢水除磷。出水中同時存在亞鐵鹽和高鐵鹽是其經濟高效性的重要致因，其除磷效能為3.42 kg-Fe