聚合氯化铁强化生物絮凝一级处理工艺

金冠宇，李宇昇，李卫华*

（1.安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥230601；2.中国科学技术大学 化学与材料科学学院，安徽 合肥 230026）

化学生物絮凝强化一级处理工艺即投加一定量的絮凝剂强化生物絮凝达到对水体的净化效果[1]。污水进入高负荷活性污泥池，经曝气与活性污泥和絮凝剂充分混合，增强污水中的胶体、颗粒物和有机物等与活性污泥的结合，生成大的絮凝体，并在二沉池中泥水分离完成去除[2]。化学强化生物絮凝可以去除污水中大部分悬浮固体与TP（total phosphorus），并且可以一定程度地去除COD（chemical oxygen demand）与 BOD5[3]。且处理成本较低，对于快速发展的城市污水处理有很好的实用性[4]。化学生物强化一级处理对比化学絮凝可以使絮凝剂投加量减小，进而减少污泥产量，对比生物絮凝可以有效减少曝气量，提高系统的抗冲击处理能力。综合来看，它的去除能力和效率都要优于其余二者[5]。然而，强化生物絮凝过程需要考虑絮凝剂的投加成本及其对微生物活性的影响，也需要综合考虑其对后续工艺所需水质的影响。

用于强化生物混凝的药剂较多，包括聚合氯化铁、聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合硫酸铝等[6]。而其中聚合氯化铁可以溶于水形成多种铁络合离子[7]并通过电性中和吸附架桥的作用[8]破坏胶体的稳定并碰撞形成沉淀。聚铁对水体中的酸碱度影响小、腐蚀性相对较弱，而且价格低、保护环境、絮凝效果好、速度快，因此是一种较理想的混凝剂[9]。

本实验首先在实验室进行化学强化一级处理的批次实验，计算出投加不同浓度聚合氯化铁对污水中COD和TP的处理效果，选择合适的聚铁投加量，然后用污水厂的中试装置进行生物强化一级处理与化学生物强化一级处理实验，比较投加聚合氯化铁前后装置对污水中COD、TP的去除效果。

1 实验材料和方法

1.1 化学强化一级处理批次实验

采用批次实验探究不同浓度聚合氯化铁对生活污水的处理效果。通过测定污水中浊度、COD和TP的去除效果，确定聚铁的最佳投加量。取合肥市经开区污水厂经过格栅后的生活污水用于本次实验，分别取1000 mL污水倒入六个烧杯中，将烧杯置于六联搅拌器上，先以250 r/min预搅拌30 s，接着向其中加入聚合氯化铁贮备液，使得烧杯中的聚铁浓度分别为 5、10、15、30、45、60 mg/L，然后以200 r/min搅拌40 s，150 r/min搅拌1 min，70 r/min继续搅拌10 min，最后静沉30 min[10]，取上清液进行浊度、COD与TP的测定，同时测定Zeta电位。

1.2 中试实验

1.2.1 中试装置强化一级处理概况

该中试装置位于合肥市经开区污水处理厂一期沉砂池附近，废水经过格栅后由提升泵以0.8 m3/h的流量抽入初沉池，沉淀的上清液流入高负荷活性污泥池，经曝气与活性污泥和聚铁絮凝剂充分混合，控制HRT=1 h，同时调节风机频率控制DO在1.0 mg/L左右，处理后的污水流入二沉池中沉淀完成泥水分离，底部污泥一部分系统并回收利用[11]，另一部分经回流泵回流到高负荷活性污泥池中补充污泥，回流泵流量控制在1.9 m3/h，每天定时测定高负荷活性污泥池中污泥与回流污泥MLSS，并计算排泥量使高负荷活性污泥池中MLSS保持在1.6～2.0 g/L。二沉池上清液流入后续MBR池进行短程硝化-厌氧氨氧化反应。

中试项目水质控制指标以后接短程硝化-厌氧氨氧化为目标。在第一部分即聚铁强化生物絮凝中，污水通过潜污泵流入高负荷活性污泥池中，在聚合氯化铁的絮凝作用下，污水中的胶体、颗粒物和有机物等迅速和活性污泥结合在一起，生成大的絮凝体，并在二沉池中通过泥水分离完成去除。后续短程硝化-厌氧氨氧化工艺中，为了满足装置中硝化细菌和自养菌的生长条件，COD的合理去除为关键指标[12]。

1.2.2 实验方法

中试实验分为两阶段，分别是生物强化一级处理和聚铁强化生物一级处理。保证装置正常运行，在生物强化一级处理阶段，每天定时取进水、出水(二沉池上清液)对COD和TP进行测定。然后将聚合氯化铁按照15、30 mg/L的浓度投加到现场中试装置中。投加方式为配置浓缩液经蠕动泵投加，称取4 854 g聚合氯化铁溶解于70 L水中，搅拌溶解后，用蠕动泵送入加药池中进行反应，控制蠕动泵流量为7 mL/min，则现场投加聚铁浓度为15 mg/L;控制蠕动泵流量为14 mL/min，则现场投加聚铁浓度为30 mg/L。加药阶段同样每天定时取进水和二沉池上清液对COD和TP进行测定。

1.3 测试方法

试验中的污水指标测试方法[13]，所用试剂均为分析纯，Zeta电位通过Zeta电位仪测定。

1.4 实验设备

实验中用到的仪器设备有：电热恒温干燥箱DHG-9101·3，混凝试验搅拌器 MY3000-6G，便携式溶氧仪HQ30D，COD消解仪GL-16，紫外可见分光光度计T6新世纪，蠕动泵BT100-2J，马弗炉SHB-22，Zeta 电位仪 Zetasizer-ZS90，傅里叶红外光谱仪Nicolet 6700。

2 结果与讨论

2.1 最佳聚合氯化铁投加量的测定

污水中聚铁浓度分别为 5、10、15、30、45、60 mg/L时，上清液中COD、TP浓度和浊度变化情况如图1。

图1 批次实验中聚合氯化铁对生活污水的处理效果。(a)COD；(b)TP；(c)浊度

聚铁投加的浓度在0～45 mg/L之间时，污水中COD的去除率随着投加聚铁浓度的提高而提高，主要是通过絮凝去除污水中胶体和颗粒有机物[14]。但是当聚铁浓度达到45 mg/L时，COD的去除率达到最高即58.1%，继续投加反而使得去除率降低，这是因为铁离子比例增大，絮体表面的吸附位点被铁离子占据,不利于形成絮凝体[15]。同时TP的去除率接近直线上升，在铁盐浓度达到45 mg/L时去除率达到最高值98.7%，继续投加去除率没有变化。梁海峰[16]等得出结论：沉淀的物质的量在m[Fe]∶m[P]=5.2(质量比)时达到最大，也即此时除磷效果最好。从图1（c）中可以看出，聚合氯化铁对浊度的影响表现为先快速下降，到达30 mg/L阶段之后再缓慢下降，在30 mg/L阶段对浊度的去除率已经达到77.8%，剩余浊度为8.24 NTU。

微粒分散体系的稳定性可以通过Zeta电位的数值来反应或预测，Zeta电位绝对值越低，代表粒子间静电斥力越小，溶液物理稳定性越小，越容易混凝，反之，Zeta电位绝对值越高则越不利于絮体的形成[17]。对不同浓度铁盐投加量下上清液中的Zeta电位进行测定，结果如图2。可以看出，原水的Zeta电位值是-18 mV，污水中Zeta电位的绝对值随着聚铁投加浓度的升高而下降，这说明溶液逐渐不稳定，有利于絮凝。

图2 上清液Zeta电位

考虑把絮凝剂投加量应用到现场中试装置中，由于中试装置第一阶段采用聚合氯化铁强化生物絮凝工艺，活性污泥本身对COD和TP有一定的去除效果，因此对比实验室的絮凝剂投入量研究所需絮凝剂投加量会有一定程度的减少。而且中试实验一级强化处理部分是为后续短程硝化-厌氧氨氧化工艺提供水质保证，需要保留一定量的碳源，对COD的去除率不能过高，同时考虑加药成本以及剩余污泥产量，因此选择15 mg/L和30 mg/L浓度的聚铁投加到现场中试装置中，尝试不同浓度聚铁强化生物絮凝的效果。

2.2 生物强化一级处理效果

不投加絮凝剂正常运行中试装置的情况下，每天定时取进水出水进行测定，结果如图3所示。由于实验用水取自污水厂实际进水，因此进水水质是实时变化的。在不投加铁盐絮凝剂仅仅依靠生物絮凝的情况下，现场进水的COD浓度由160～340 mg/L之间下降到 90～190 mg/L之间，COD去除率在37%～55%之间，维持在43%附近。进水的TP浓度由1.9～3.0 mg/L之间下降到0.9～1.9 mg/L之间，TP去除率在37%～54%之间，维持在44%附近，仅通过活性污泥吸附去除颗粒态磷以及极少部分的磷酸根[18]，本装置中单纯依靠生物吸附去除有机物和磷效果有限。

图3 中试装置生物絮凝阶段对生活污水的处理效果。（a）COD；（b）TP

2.3 化学-生物强化一级处理效果

首先测试在聚合氯化铁投加量为15 mg/L时，中试装置的TP及COD的去除效果。结果如图4。

当投加15 mg/L聚铁强化生物絮凝时，污水中COD浓度由160～280 mg/L之间下降到50～120 mg/L之间，COD去除率在56%～76%之间，维持在60%附近。TP浓度由1.7～3.1 mg/L之间下降到0.4～1.2 mg/L之间，TP去除率在52%～73%之间，维持在66%附近。投加15 mg/L聚铁强化生物絮凝对比原来使得有机物和磷的去除效果有一定提高，COD的去除率提高了16%，TP去除率提高了22%，但并未达到短程硝化-厌氧氨氧化的启动标准，且距离磷排放达标仍有距离。

图4 中试装置15 mg/L聚铁强化生物絮凝阶段对生活污水的处理效果。（a）COD；（b）TP

因此继续测试了30 mg/L的聚合氯化铁对中试反应器去除效果的影响。加药池中聚铁浓度保持在30 mg/L时，对原水中TP及COD的去除效果如图5。

当投加30 mg/L聚铁强化生物絮凝时，污水中COD浓度由160～340 mg/L之间下降到50～80 mg/L之间，COD去除率在61%～77%之间，维持在70%附近，对比生物絮凝使得COD的去除率提高了27%，出水COD浓度降低了80 mg/L，COD大部分被去除，有利于下一阶段短程硝化-厌氧氨氧化的运行[19]。污水中TP浓度由1.1～2.9 mg/L之间下降到0.1～0.5mg/L之间，TP去除率在79%～92%之间，维持在83%附近。投加30 mg/L聚铁对比生物絮凝使得TP的去除率提高了39%，同时出水的TP值均在0.5 mg/L以下，说明投加30 mg/L聚铁对TP的去除效果很好，为TP的达标排放提供了前提条件。

图5 中试装置30 mg/L聚铁强化生物絮凝阶段对生活污水的处理效果。（a）COD；（b）TP

2.4 污泥红外光谱分析

为了研究投加聚合氯化铁对污泥性质的影响，尤其是对能够直接影响混凝效果的表面官能团的影响，分别取污泥絮凝、15 mg/L聚铁和30 mg/L聚铁阶段的污泥进行中红外光谱测试，结果如图6。

对红外光谱进行分析可以看出，在2 923 cm-1处存在饱和C-H伸缩振动吸收，在1 385 cm-1处存在C-H弯曲振动，在1 035 cm-1处存在C-O伸缩振动[20]，在3 425 cm-1处存在分子间氢键O-H伸缩振动，在1035 cm-1处存在C-O伸缩振动。在1 650 cm-1和1 539 cm-1处为蛋白，在470 cm-1处为多糖。三种污泥的红外光谱基本没有变化，主要是污泥中的有机物对红外光谱产生影响，投加聚铁虽然强化了絮凝效果，但红外光谱没有变化。由此表明混凝剂投加协同生物强化絮凝的机理更有可能是聚合氯化铁本身对污染物的吸附和絮凝作用，其对污泥絮体的作用可能主要是吸附和架桥作用，而对污泥絮体表面的官能团则影响较小。

图6 三种污泥的中红外光谱表征

3 小结

在实验室进行的批次实验和在污水厂进行的中试实验表明投加聚合氯化铁对于生活污水中的TP和COD有较好的去除效果，但过多的投加聚铁反而会使出水的COD浓度升高。投加30 mg/L聚合氯化铁可以使中试装置在水质波动的情况下对COD的去除率达到70%，对TP的去除率达到83%，出水的TP浓度保持在0.5 mg/L以下，为磷的达标排放以及后续的短程硝化-厌氧氨氧化的顺利运行提供了前提条件。聚合氯化铁主要是通过吸附架桥作用对废水中污染物产生吸附絮凝作用，而对污泥絮体表面的官能团则影响较小。