鉴于某工业园区污水处理厂需要提标改造，采用多金属焦/生物一体化催化还原工艺对二沉池出水进行深度处理中试，考察了其对COD、NH3-N等指标的去除效果。结果表明，在二沉池出水COD为110~180mg/L、氨氮为8~10mg/L的条件下，经该工艺处理后，出水COD<60mg/L、氨氮<5mg/L，出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)的一级B标准。
某工业园区污水处理厂于2006年9月正式建成并通水运行，处理规模为30×104m3/d,主要接纳该地区东部印染废水以及部分生活污水，其中印染废水占80%以上。污水厂采用改良型AB生化法工艺，出水水质执行《污水综合排放标准》(GB8978—1996)，其中COD指标执行《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB4287—92)。
为了响应国家节能减排的要求，2015年该污水处理厂的所有指标将按《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)的一级B标准执行。因此，对二沉池出水进行深度处理已经迫在眉睫。为了确保出水水质，主要是COD指标能达到新标准的要求，采用多金属焦/生物一体化催化还原工艺对二沉池出水进行了深度处理中试，重点考察了其对COD和氨氮的去除效果。
1、试验材料与方法
1.1试验装置
试验装置如图1所示，由相同的三级装置组成，材质为灰色PVC。单级装置先由两个接触反应器串联，内悬挂填料框，在填料框中分别放入多金属焦填料和生物填料，悬挂高度分别为150、700mm，两种填料的填充厚度均为150mm,其中多金属焦为多种不同含量的金属(铁、铜、钴、镍等)与碳制成的复合填料，生物填料是二级生物处理设备中的污泥;接触反应器出水进入加药混合槽，而后经过出流槽进入竖流混凝沉淀池，沉淀出水经出水槽流入下一级。
全套装置依靠重力流运行，通过小试和中试前期调试确定各级的投药方式以及投药量，接触反应器底部连接1台气泵进行曝气，曝气量为20L/min。单个接触反应器的尺寸为400mm×400mm×1300mm，有效容积为128L;加药混合槽的尺寸为80mm×80mm×300mm，出流槽的尺寸为400mm×60mm×50mm;混凝沉淀池的尺寸为400mm×400mm×1300mm，有效容积为136.8L;出水槽的尺寸为80mm×240mm×300mm。
首先，二沉池出水进入生物接触反应器，在pH值为中性(或接近中性)的条件下，利用充氧环境和微生物环境加快多金属的腐蚀速率，使其一部分以离子形式析出，形成多级微电解。另外，多金属焦中的铁离子释放出来与微生物形成生物铁。此时，曝气生物接触氧化反应器中有微电解催化还原作用、生物铁作用以及微生物与多金属焦协同作用，使难降解有机物转化为易降解小分子有机物和无机物，提高水质絮凝能力。
同时在曝气生物接触氧化反应器进水处加入粉末活性炭，利用其高效的吸附作用与多金属焦作用、微生物作用相结合，进一步为提高可生化性、降低COD浓度提供有利条件。在加药混合槽中投加混凝剂和助凝剂，随后进入混凝沉淀池，利用微曝气进行混合絮凝、竖流沉淀池进行沉淀，进一步降低色度、COD和氨氮浓度，提高出水水质。如此重复三级，增强处理效果。
1.2、试验水质及分析方法
中试进水为该污水厂的二沉池出水，其COD浓度为110~180mg/L，氨氮浓度为8~10mg/L，pH值为7~8。其中，COD采用重铬酸钾法测定，氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定，pH值采用pH计测定。
2、系统的启动
中试系统于4月启动，二沉池出水温度约为16℃，至5月份，水温升至21℃左右。启动初期，系统进水量保持在40L/h;粉末活性炭在一、二级装置的投加量均为100mg/L，三级不投放;絮凝剂硫酸铝在各级的投加量均为250mg/L，助凝剂氢氧化钙在各级的投加量均为70mg/L;同时进行曝气，以确保填料中的碳吸附饱和以及各类金属焦保持稳定的腐蚀放电速率，DO浓度保持在8~9mg/L。运行1周后，在进水COD为136mg/L的条件下，一级、二级、三级出水COD分别降为116、72、60mg/L，出水pH值在8~9范围内。之后连续测定几天，发现出水水质相对稳定;取出填料包观察，发现金属焦已开始均匀腐蚀，水中的金属氧化物浓度也开始降低到稳定状态。启动历时10d，系统对COD的去除率达到51%左右，至此系统正式进入稳定运行阶段。
3、结果与讨论
3.1对COD的去除效果
中试装置在进水量分别为35、40L/h的条件下，各级进、出水COD浓度变化见图2。
从图2可以看出，该工艺对COD的去除率较高，虽然进水COD浓度波动较大(110~168mg/L)，但是出水水质相对比较稳定。当进水流量为35L/h时，出水COD基本稳定在50~60mg/L;当进水流量为40L/h时，出水COD浓度则略高于60mg/L，这说明较高的水力负荷影响了出水水质。
当进水流量为35L/h时，单级接触反应时间为7.3h。在此工况下系统对COD的去除效果达到了预期目标，对COD的去除率基本在63%左右。之所以取得如此稳定的效果，分析原因如下：
①微电解作用。铁碳微电解反应过程包括原电池反应、氧化还原反应、电化学吸附富集、物理吸附、絮凝吸附和铁离子沉淀。在这个体系中，各金属与碳形成无数个微小的原电池。在反应中，铁氧化释放电子，形成微电流并产生H+，大分子以及环状分子有机物被降解为小分子有机物，另外有一些有机物和无机物被还原。当水中有氧化剂或充足的氧时，Fe2+转化为Fe3+，伴随着絮凝吸附作用，进一步去除有机物。
②生物铁作用。Fe是微生物生长的必要元素，是生物氧化酶系中细胞色素的重要组成部分，在生物氧化中通过Fe→Fe2+→Fe3+氧化还原反应起着电子传递作用，促进反应器中异养菌和铁氧化自养菌的生长，以此促进生物铁的作用，从而强化处理效果。
③溶解氧加快金属腐蚀速率，同时微生物利用溶解氧在pH值为中性(或接近中性)的条件下进行代谢作用，充分利用铁促进铁离子的释放。同时，去除金属表面的极化作用，为反应的高效进行提供保障。
3.2、对氨氮的去除效果
系统对氨氮的去除效果见图3。可以看出，中试装置对氨氮的去除率较高，出水氨氮稳定在5mg/L以下。这说明在多金属焦微电解作用下，硝化菌在反应器中得到了很好的生长繁殖，在多金属焦和生物耦合的共同作用下，氨氮得到了很好的降解。
4、结论
①采用多金属焦/生物一体化催化还原工艺深度处理该工业园区污水处理厂二沉池出水时，为了保证出水水质能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)的一级B标准，进水负荷应小于35L/h，此时单级水力停留时间为7.3h，出水COD可以稳定在50~60mg/L之间。
②多金属焦/生物一体化催化还原工艺利用曝气使反应在pH值为中性(或接近中性)的条件下产生铁碳、铁铜等多级微电解作用，生物铁作用以及生物促进微电解作用，破坏难降解有机物的结构，促进其对二沉池出水进行氧化还原，提高出水水质，有很好的应用前景。
(东华大学环境科学与工程学院：张禾，薛罡，刘振鸿，曾超，蒋梦然)
原标题：大型工业园区污水处理厂深度处理中试研究
