磁微滤膜法高效脱氮除磷技术的试验研究

王余 王琦 方国锋 孙震 赵云松

摘 要：通过对磁微滤膜法高效脱氮除磷技术的试验研究，对比研究了工艺流程1“微磁絮凝反应系统-磁微滤分离系统-Bio-O好氧池”与工艺流程2“Bio-O好氧池-微磁絮凝反应系统-磁微滤分离系统”的脱氮除磷效果。考察生化工艺（Bio-O好氧池）的除磷能力，以及对物化工艺（磁微滤）加药量的影响。结果表明，磁微滤分离系统对总磷去除率平均为94%，Bio-O好氧池对氨氮的去除率＞90%，硝化负荷最高可达0.33 kgNH3-N/m3/d。工艺流程2中，生化工艺在前，Bio-O的生物除磷作用不仅减少了后段磁微滤工艺的加药量，药剂投加量上可节约40%，还有利于提高磁微滤膜法整体工艺的稳定性，系统抗冲击负荷更高。综合考虑，工艺流程2更适用于污水脱氮除磷，在减少物化加药量的同时，可保证出水总磷及悬浮物稳定达标。

关键词：脱氮除磷；磁微滤；硝化负荷；试验

中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1673-9655（2023）01-0-06

0 引言

近年来，随着国家对城镇污水处理工作的高度重视，对污染物的排放标准要求越来越严格，在总磷、氨氮排放标准上，众多污水处理项目对出水的要求已由《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A（0.5 mg/L、5 mg/L）提升至《地表水环境质量标准》Ⅳ类（0.3 mg/L、1.5 mg/L）[1]。我国城市污水普遍存在有机物含量偏低，而氮、磷含量相对较高的现象，导致传统生物脱氮除磷效果不稳定。生物脱氮除磷方法主要利用活性污泥不断经过厌氧区磷释放和好氧区磷吸收，以及好氧硝化和缺氧反硝化段达到同步脱氮除磷效果，主要包括A2/O工艺、UCT工艺、改良Bardenpho工艺以及SBR工艺等[2]。随着环境水体水质的富营养化不断加剧，传统的活性污泥法在除磷方面效果有限。例如A2O工艺中，污泥在厌氧、缺氧、好氧环境中交替运行，由于污泥泥龄矛盾问题，以及回流污泥中夹带的溶解氧和硝酸态氧的影响，造成系统在一定程度上牺牲除磷效率，导致除磷效果不稳定，出水不达标等问题[3]。

采用生物除磷已不能满足目前对出水总磷的需求，常以化学除磷作为生物除磷的补充，实现污水深度除磷和氨氮稳定达标排放的目的[4]。化学除磷主要采用混凝沉淀法除磷，基本原理是通过向污水中投加化学药剂，例如铝盐和铁盐，均可与污水中的磷反应生成不溶性的磷酸盐，再通过固液分离将磷从污水中除去[5]。活性污泥法与混凝沉淀法相结合可在一定程度上保证脱氮除磷效果，但该组合工艺占地面积大，停留时间长，混凝沉淀负荷低，工艺运行复杂，药剂成本高。

生物膜法是一种高效的生物处理方法，微生物附着生长在填料表面上形成生物膜，污水与生物膜接触后，污染物被微生物吸收转化，污水得到净化[6]。在好氧环境下，向生物膜上的微生物提供充足的溶解氧和丰富的有机物，在微生物的作用下，有机物被降解，氨氮被氧化去除[7]。磁混凝作为具有高效分离和净化效果的化学除磷方法，在污水深度除磷中逐渐被广泛关注。通过在传统混凝反应中添加磁性介质，利用磁粉密度大的特性，高效快速地沉淀絮凝团，实现固液分离，将总磷、悬浮物质去除，从而达到污水处理的目的[8，9]。

磁性介质的添加，可有效增加混凝沉淀的速度，缩短工艺停留时间，且固液分离更彻底，保证出水总磷和悬浮物有效去除。在运行成本方面，传统混凝沉淀虽无需投加磁性介质，但由于混凝沉淀效果有限，容易受到进水水质、水量波动的影响，絮体较松散，导致出水水质不稳定。在实际运行过程中，为保证出水水质达标，一般需加大混凝药剂（PAC）投加量，不仅增加了药剂成本，也增加了污泥产量。而磁性介质可通过专业设备将磁粉从污泥中分离回收，从而达到磁粉的循环利用和更加环保节能[10，11]。

本文提出的磁微滤膜法脱氮除磷工艺，是将磁混凝工艺与生物膜工艺高效结合的一种脱氮除磷工艺。其中磁微滤属于磁混凝工艺，其原理是在污水中投加磁性介质，在混凝剂的作用下，与污水中的污染物结合形成磁性絮团，含有磁性絮团的污水流经磁微滤主机时，通过高强度磁场环对磁性絮团的吸附实现污染物的分离和水体净化。生物膜工艺为Bio-O好氧池，采用三维膜介质生物填料做载体，通过特殊设计的配水系统使污水进入反应池，随着系统的运行，微生物附着在填料表面形成生物膜，污水與生物膜接触后，污染物被吸收转化，以及填料的截留过滤作用，使得污水得到净化。磁微滤膜法在实际应用中，也会涉及加药量及处理效果等问题，本文针对磁微滤膜法这种组合工艺，对比研究了两种工艺流程的污染去除效果、加药量等因素，考察生物膜工艺（Bio-O）前置的生物除磷能力以及对后端磁微滤混凝加药量的影响，为磁微滤膜法高效脱氮除磷技术在工程应用中提供借鉴和参考，为节约污水处理成本降低系统运行能耗提供新思路。

1 试验方案

1. 1 试验进出水水质

本试验点位于合肥市肥东县芦柴河污水处理站点，涉及进水水源为芦柴河周边生活污水，从河道箱涵排口处设置提升，进入磁微滤膜法高效脱氮除磷系统。设计进水量为2000 m3/d，进水水质中的污染物主要包含氨氮、总磷、化学需氧量，污染物进水浓度分别为：化学需氧量≤150 mg/L、总磷≤3 mg/L、氨氮≤25 mg/L。

站点出水水质指标要求达到或优于《GB 3838-2002 地表水环境质量标准》Ⅳ类水要求，即氨氮<1.5 mg/L、总磷<0.3 mg/L、化学需氧量<30 mg/L。

1. 2 试验工艺流程

为实现该水源脱氮除磷的要求，选择磁微滤生物膜法工艺流程，进行了2组不同工艺流程的对比研究，以系统科学地开展工艺适应性研究，试验工艺流程如图1、图2所示。

工艺流程1：污水经过提升系统先进入磁微滤系统，通过加药系统在微磁絮凝反应系统中完成混凝反应，在磁微滤分离系统中完成固液分离，实现总磷和非溶性有机物的去除，由此完成物化处理阶段。随后进入生化处理阶段（Bio-O好氧池），通过鼓风机曝气，实现在好氧环境下，去除氨氮以及有机物，最后出水达标排放。

工艺流程2：污水经过提升系统先进入Bio-O好氧池，通过鼓风机曝气，实现在好氧环境下，去除氨氮、有机物以及一部分总磷，由此完成生化处理阶段。随后进入物化处理阶段，通过加药系统在微磁絮凝反应系统中完成混凝反应，在磁微滤分离系统中完成固液分离，实现剩余部分的总磷和非溶性有机物的去除，最后出水达标排放。

1. 3 試验装置及运行参数

本次试验研究运行时间段为2021年6月—12月，各工艺单元的规格及运行参数如下：

提升系统：设计流量为83 m3/h，提升系统配有格栅，截留污水中粗大漂浮物和悬浮物。

Bio-O好氧池：采用三维膜介质生物填料为载体，填料内附着生长的生物膜，在好氧环境下，污水与生物膜接触后，污染物被微生物吸收转化，以及填料的物理截留过滤作用，使得污水得到净化。设计停留时间为1.5～2 h，单个箱体规格为L 3.2 m×W 3.2 m×H 5.5 m。

微磁絮凝反应系统：选取聚合氯化铝（PAC）作为混凝剂，选取聚丙烯酰胺（PAM）作为絮凝剂，选取325目磁粉辅助混凝。设计PAC投加量为30～50 mg/L，磁粉补充投加量为1～1.5 mg/L，PAM投加量为2 mg/L。

1. 4 分析指标及检测方法

（1）根据进水水量的波动，控制Bio-O好氧池的水力停留时间为1.5～2 h。针对工艺流程1，检测磁微滤进出水总磷指标并记录计算加药量，Bio-O好氧池进出水氨氮指标。针对工艺流程2，检测Bio-O进出水总磷、氨氮指标，检测磁微滤进出水总磷指标并记录计算加药量。

（2）主要分析指标为总磷和氨氮，总磷采用钼酸铵分光光度法（GB 11893-89）检测，氨氮采用纳氏试剂分光光度法（HJ 535-2009）检测。

2 结果分析

2. 1 不同工艺流程对总磷的去除效果试验研究

2. 1. 1 工艺流程1

工艺流程1中采用磁微滤工艺段在前、Bio-O好氧池在后的处理方式，针对总磷污染指标的去除效果如图4。磁微滤进水总磷浓度在1.05～3.11 mg/L，平均为2.07 mg/L。磁微滤出水总磷在0.028～0.26 mg/L，平均为0.10 mg/L，可达到出水要求。工艺流程1中的微磁絮凝反应系统内，通过聚合氯化铝（PAC）混凝剂的作用，铝离子与磷酸盐快速结合形成低溶解度、极细小晶状体的磷酸铝化合物，同时铝离子水解生成氢氧化铝沉淀，悬浮态的总磷和可溶态的正磷酸盐在混凝作用下凝聚，悬浮胶体脱稳，通过磁微滤分离系统实现固液分离来达到除磷的目的。同时混凝剂水解后所产生的多核络合物对于废水中的悬浮胶体微粒等悬浮物同样具有很强的吸附、架桥、交联等作用，配合絮凝剂后形成密实的矾花，固液分离后达到混凝除磷目标[12，13]。工艺流程1中磁微滤工艺具有较好的除磷效果，总磷去除率平均为94%，最高可达98%。磁微滤工艺在前端可将悬浮态的总磷和可溶态的正磷酸盐一起去除，大大减少进入Bio-O好氧池的总磷及悬浮物，此时，Bio-O好氧池主要针对氨氮及有机物进行去除。

2. 1. 2 工艺流程2

工艺流程2中采用Bio-O好氧池在前，磁微滤工艺段在后的处理方式，针对Bio-O好氧池的进出水总磷进行检测，如图5所示。Bio-O好氧池进水总磷浓度在0.58～2.77 mg/L，平均为1.71 mg/L。Bio-O好氧池出水总磷在0.51～1.68 mg/L，平均为1.02 mg/L。工艺流程2中的Bio-O好氧池采用三维膜介质填料为载体，该填料比表面积大、孔隙丰富，污水经过填料时，悬浮物被填料拦截，实现一定的过滤作用，悬浮态的总磷实现去除；此外，好氧池内发生硝化反应，微生物会吸收磷，从而实现部分总磷的去除。Bio-O好氧池对总磷的去除与进水总磷浓度以及填料过滤效果有关，该试验中当进水总磷浓度较高时，进水悬浮物也偏多。当污水经过Bio-O好氧池时，大部分悬浮态的总磷截留在填料内，使出水总磷浓度降低。图5中总磷去除率波动较大，主要随着进水总磷浓度的变化而变化，总磷去除率最高为68%，此时进水总磷基本＞2 mg/L，总磷去除率平均为48%。当进水总磷浓度为1.5～2 mg/L，总磷去除率平均为37%。当进水总磷浓度＜1.5 mg/L，总磷去除率平均为28%。当进水总磷浓度＜1 mg/L时，Bio-O好氧池的过滤作用对总磷的去除效果不显著，总磷去除率仅为16%。随后进入物化工艺段，浓度较低的总磷可降低磁微滤工艺段中混凝剂的投加量。经统计，工艺流程1中磁微滤工艺的混凝剂投加量约为35～45 mg/L，根据进水总磷浓度变化，适当调整加药量，保证出水总磷稳定＜0.3 mg/L。工艺流程2中Bio-O好氧池可减少16%～68%的悬浮态总磷，磁微滤工艺段的混凝剂投加量仅为20～25 mg/L，相比于工艺流程1，在药剂投加量上可节省约40%。Bio-O的生物除磷作用不仅减少了后段磁微滤工艺的加药量，还有利于提高磁微滤膜法整体工艺的稳定性，系统抗冲击负荷更高。

2. 2 不同工艺流程对氨氮去除效果试验研究

磁微滤膜法对氨氮的去除效果主要取决于Bio-O好氧池的硝化负荷，三维膜介质填料内附着的生物膜在好氧环境下通过硝化作用实现污水中氨氮的去除。工艺流程1中，Bio-O好氧池位于磁微滤工艺段之后，磁微滤出水进入Bio-O好氧池，进出水氨氮如图6。工艺流程1运行期间，进水氨氮在12.1～37.3 mg/L，平均为26.01 mg/L，出水氨氮稳定达标，平均出水氨氮为0.48 mg/L，去除率基本＞90%，硝化负荷最高可达0.33 kgNH3-N/m3/d。磁微滤工艺段对于悬浮物的去除，可降低一小部分有机氮，但整体去除率偏低，可使进入Bio-O好氧池的悬浮物大大减少，有效减少好氧池内填料的堵塞情况，减少反洗周期，降低能耗。

工艺流程2中污水经过提升、格栅进入Bio-O好氧池，污水先经过硝化作用去除氨氮，同时经过填料截留过滤作用去除一部分有机氮，Bio-O好氧池在前，可有效利用污水中的有机物，在生物膜生长繁殖过程中，实现一部分有机物的降解[13]，进出水氨氮变化如圖7所示。相较于总磷指标，不同工艺流程对氨氮的影响较小。工艺流程2运行期间，进水氨氮为12.7～32.9 mg/L，平均为22.2 mg/L，出水氨氮稳定达标，去除率基本＞90%，硝化负荷最高可达0.32 kgNH3-N/m3/d。Bio-O好氧池对悬浮物的截留能力有限，在工艺流程1中，在好氧池未及时反洗排泥的情况下，易造成出水悬浮物超标，甚至影响出水总磷指标。而工艺流程2中，磁微滤工艺段置于Bio-O好氧池后端，有效保证悬浮物指标达标，且能够避免工艺流程1中因加药量过大，影响进入好氧池污水的pH和碱度。硝化反应需消耗碱度，好氧池在碱度不足的情况下，会影响硝化反应进行，从而影响出水氨氮指标。

3 结论

磁微滤膜法采用物化工艺段（磁微滤）和生化工艺段（Bio-O好氧池）组合，可实现脱氮除磷的要求，工艺流程1“微磁絮凝反应系统-磁微滤分离系统-Bio-O好氧池”与工艺流程2“Bio-O好氧池-微磁絮凝反应系统-磁微滤分离系统”对比研究结果表明，两个工艺流程对污染物的去除效果均较好，但工艺流程2在加药量方面更具优势，针对总磷的去除，工艺流程2在混凝剂加药量方面最高可节约40%。Bio-O好氧池具有一定的除磷能力，最高为68%，但Bio-O好氧池的除磷能力与进水水质的变化以及进水悬浮物含量有关，进水总磷浓度越高，生化除磷能力越显著，进水总磷浓度较低时，总磷去除率约16%。不同工艺流程对氨氮的去除效果接近，硝化负荷最高可达0.33 kgNH3-N/m3/d。Bio-O前置工艺可有效提高系统耐冲击负荷，系统运行更稳定高效，后端磁微滤工艺进一步保证出水总磷和悬浮物指标达标。工艺流程1“微磁絮凝反应系统-磁微滤分离系统-Bio-O好氧池”与工艺流程2“Bio-O好氧池-微磁絮凝反应系统-磁微滤分离系统”在脱氮除磷方面需考虑应用场景，采用工艺流程1需考虑进水碱度及pH对后段Bio-O好氧池硝化反应的影响以及最终出水生化跑泥的问题，采用工艺流程2需考虑进入Bio-O前悬浮物对系统填料的影响，可增加格栅避免生化池悬浮物过多。

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