鐵碳-砂濾的深度除磷工藝在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用
全康環(huán)保:據(jù)統(tǒng)計(jì)，2002年―2016年，全國(guó)農(nóng)村生活污水日排放量由320.5萬(wàn)t增長(zhǎng)至202億t，已成為小流域污染的主要來(lái)源及影響美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的重要因素。磷作為導(dǎo)致農(nóng)村水污染的重要指標(biāo)，開(kāi)展去除率的研究變得十分重要。由于農(nóng)村污水排放具有污水量小、分布廣泛等特點(diǎn)，且管網(wǎng)建設(shè)落后，導(dǎo)致分散農(nóng)村生活污水難于管理。大部分農(nóng)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(nóng)村河網(wǎng)水系連通性差，易造成水體富營(yíng)養(yǎng)化。
目前，農(nóng)村污水處理設(shè)備除磷采用化學(xué)沉淀法，該方法操作簡(jiǎn)單，設(shè)備運(yùn)行處理效果穩(wěn)定。然而,農(nóng)村污水處理設(shè)施一般分布零散且距離維護(hù)點(diǎn)較遠(yuǎn)，采用化學(xué)沉淀法除磷需人為定期添加化學(xué)絮凝劑，一般加藥周期<15 d/次。因此，定期加藥維護(hù)人工成本較高，給項(xiàng)目點(diǎn)持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行增加了難度。
國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量針對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠除磷技術(shù)及工藝應(yīng)用研究，但對(duì)農(nóng)村分散生活污水的除磷技術(shù)卻關(guān)注較少，需開(kāi)發(fā)適宜性可持續(xù)除磷技術(shù)解決此問(wèn)題。微電解法是一項(xiàng)被廣泛研究與應(yīng)用的廢水處理技術(shù)，近30年來(lái)被泛應(yīng)用于印染、電鍍等行業(yè)進(jìn)行預(yù)處理，在生活污水除磷方面應(yīng)用較少。杜利軍等通過(guò)“均質(zhì)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(dá) 98%，可實(shí)現(xiàn)含磷廢水達(dá)標(biāo)排放，證明工藝處理的的高效性，但受限鐵碳板結(jié)鈍化等問(wèn)題，微電解工藝用于實(shí)際工程中仍然較少。
針對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)除磷技術(shù)藥品更換頻次高，人工運(yùn)維頻繁且成本較高的問(wèn)題，論文擬開(kāi)發(fā)鐵碳緩釋除磷技術(shù)，更換周期≥12月/次，可大大降低設(shè)備運(yùn)維人工成本，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)運(yùn)行及穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。研究選擇鐵碳填料作為緩釋除磷開(kāi)發(fā)主體，鐵碳填料利用鐵和碳之間1.2 V的電勢(shì)差形成無(wú)數(shù)微小原電池，對(duì)污水進(jìn)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(yùn)行成本及使用周期等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到污水處理領(lǐng)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(shù)與砂濾工藝相結(jié)合，解決傳統(tǒng)微電解技術(shù)在處理生活污水過(guò)程中存在的不足，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定除磷。
研究方法
針對(duì)微電解除磷技術(shù)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在的不足，采用理論分析與實(shí)踐相結(jié)合的方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室小試試驗(yàn)，確定鐵碳最佳試驗(yàn)條件、運(yùn)行方式及補(bǔ)充周期，確保TP能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，并成功運(yùn)用于實(shí)際工程案例中。具體研究思路如下。
(1)確定以微電解技術(shù)為核心技術(shù)去除TP的方法。
(2)研究現(xiàn)有微電解材質(zhì)特性，通過(guò)經(jīng)濟(jì)性成本分析及小試試驗(yàn)，后置砂濾裝置。開(kāi)展鐵碳比、鐵碳投加量、水力停留時(shí)間、曝氣量4個(gè)因素的單因素優(yōu)化試驗(yàn)，確定鐵碳最佳試驗(yàn)條件。
(3)將鐵碳-砂濾深度除磷工藝應(yīng)用于工程實(shí)踐中，保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
02 試驗(yàn)條件分析
鐵碳通過(guò)微小原電池反應(yīng)產(chǎn)生的鐵離子與width=29,height=16,dpi=110的化學(xué)沉淀和Fe(OH)2的混凝作用，將磷從液相轉(zhuǎn)移至固相中，實(shí)現(xiàn)除磷的效果。試驗(yàn)通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，工藝出水磷指標(biāo)穩(wěn)定低于0.5 mg/L，達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且操作簡(jiǎn)單、維護(hù)量小、能耗低。此時(shí)，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(shí)間為4 h。
03 實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用
1 工程項(xiàng)目應(yīng)用
采用鐵碳-砂濾組合進(jìn)行強(qiáng)化除磷，相比化學(xué)法，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)量小，從而為鐵碳-砂濾的深度除磷工藝在農(nóng)村生活污水中的應(yīng)用，一級(jí)脫氮除磷強(qiáng)化提供解決思路。為分析鐵碳-砂濾除磷工藝實(shí)際工程中的除磷效果，將該工藝應(yīng)用于蘇州市金庭鎮(zhèn)某一農(nóng)村生活污水處理項(xiàng)目。該項(xiàng)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(jié)鈍化，裝置通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)機(jī)械方法使鐵碳運(yùn)動(dòng)，互相摩擦去除氧化膜，避免長(zhǎng)時(shí)間電解過(guò)程中陽(yáng)極鈍化及鐵碳板結(jié)問(wèn)題。項(xiàng)目區(qū)生活污水水質(zhì)情況如表1所示。
項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)水水量為30 t/d，根據(jù)小試試驗(yàn)確定，鐵碳反應(yīng)池設(shè)計(jì)停留時(shí)間為4 h，反應(yīng)池容積為6 m3，設(shè)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(jí)配為0.5～1.0、1～2、2～4 mm，濾層厚度為45 cm。為保證過(guò)濾澄清度，砂濾過(guò)濾濾速控制為1.5 m/h，石英砂過(guò)濾器反洗頻次1～2次/d，每次反洗時(shí)間為15～30 min，保證過(guò)濾器持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
2 出水水質(zhì)情況
項(xiàng)目穩(wěn)定運(yùn)行一年以上，運(yùn)行期間內(nèi)進(jìn)水水溫為11.2～27.3 ℃。項(xiàng)目點(diǎn)實(shí)際出水?dāng)?shù)據(jù)表明，系統(tǒng)出水各項(xiàng)指標(biāo)均較穩(wěn)定，CODCr、BOD5、NH3-N、TP、TN、SS濃度基本可達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，其中TP濃度可穩(wěn)定達(dá)標(biāo)于一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)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(jìn)水 TP 濃度為3.5～7 mg/L，平均濃度為5.64 mg/L。當(dāng)進(jìn)水TP濃度為3.5～5 mg/L時(shí)，出水TP濃度穩(wěn)定于0.5 mg/L以下，達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)進(jìn)水TP濃度在5～7 mg/L時(shí)，出水TP濃度穩(wěn)定小于1 mg/L，達(dá)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)；平均去除率為91.84%～95%。項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果表明，微電解除磷-砂濾技術(shù)可有穩(wěn)定高效的除磷效果，出水TP穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行一年，按月測(cè)量鐵碳質(zhì)量的下降情況。鐵碳質(zhì)量百分比隨時(shí)間的變化。持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行一年，電解材質(zhì)持續(xù)釋放，總質(zhì)量比下降至20%，TP去除率未受影響。當(dāng)運(yùn)行至13個(gè)月時(shí)，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(gè)月，相比傳統(tǒng)化學(xué)加藥方法，維護(hù)頻次大大減少，節(jié)省大量的運(yùn)維成本。
3 經(jīng)濟(jì)性分析
目前，大部分農(nóng)村污水處理均采用化學(xué)加藥輔助運(yùn)行去除TP，投加PAC頻率高，加大了運(yùn)行維護(hù)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(yùn)行維護(hù)頻次，節(jié)省大量人工成本。對(duì)兩種處理方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，分析以獨(dú)立項(xiàng)目點(diǎn)，除磷單獨(dú)維護(hù)工作量計(jì)算，其經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如下表所示。
04 結(jié)論
通過(guò)鐵碳微電解將TP從液相轉(zhuǎn)移至固相，再經(jīng)砂濾除去，在小試和實(shí)際應(yīng)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(yùn)行參數(shù)，鐵碳反應(yīng)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(shí)間為4 h，砂濾以0.5～1.0 mm石英砂為濾料，過(guò)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(dá)到99.6%。在實(shí)際應(yīng)用階段，將該工藝用于蘇州市金庭鎮(zhèn)某一農(nóng)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(dá)到《城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，證明該技術(shù)的穩(wěn)定可靠性。填料更換周期可達(dá)1年，可節(jié)省大量的人工運(yùn)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(jià)值。