铁碳-砂滤的深度除磷工艺在农村生活污水处理中的应用
慧聪水工业网据统计，2002年—2016年，全国农村生活污水日排放量由320.5万t增长至202亿t，已成为小流域污染的主要来源及影响美丽乡村建设的重要因素。磷作为导致农村水污染的重要指标，开展去除率的研究变得十分重要。由于农村污水排放具有污水量小、分布广泛等特点，且管网建设落后，导致分散农村生活污水难于管理。大部分农村生活污水未经处理就直接排放到水体中，而污水中氮磷含量一般较高，加之农村河网水系连通性差，易造成水体富营养化。
目前，农村污水处理设备除磷采用化学沉淀法，该方法操作简单，设备运行处理效果稳定。然而,农村污水处理设施一般分布零散且距离维护点较远，采用化学沉淀法除磷需人为定期添加化学絮凝剂，一般加药周期<15d/次。因此，定期加药维护人工成本较高，给项目点持续稳定达标运行增加了难度。
国内外开展了大量针对城镇污水处理厂除磷技术及工艺应用研究，但对农村分散生活污水的除磷技术却关注较少，需开发适宜性可持续除磷技术解决此问题。微电解法是一项被广泛研究与应用的废水处理技术，近30年来被泛应用于印染、电镀等行业进行预处理，在生活污水除磷方面应用较少。杜利军等通过“均质化—碳化—成型”工艺制备得新型铁碳微电解填料用于除磷，处理效率达98%，可实现含磷废水达标排放，证明工艺处理的的高效性，但受限铁碳板结钝化等问题，微电解工艺用于实际工程中仍然较少。
针对传统化学除磷技术药品更换频次高，人工运维频繁且成本较高的问题，论文拟开发铁碳缓释除磷技术，更换周期≥12月/次，可大大降低设备运维人工成本，实现可持续运行及稳定达标排放。研究选择铁碳填料作为缓释除磷开发主体，铁碳填料利用铁和碳之间1.2V的电势差形成无数微小原电池，对污水进行氧化和沉淀作用，能有效去除污水中的磷。铁碳填料具有缓释特性，使其在运行成本及使用周期等方面具有明显的优势，近年来受到污水处理领域的青睐。在除磷方面，污水经铁碳微电解处理后形成磷酸铁沉淀，使色度和悬浮物(SS)上升，因此，需匹配后续处理。
本文将铁碳微电解技术与砂滤工艺相结合，解决传统微电解技术在处理生活污水过程中存在的不足，实现高效稳定除磷。
研究方法
针对微电解除磷技术实际运行过程中存在的不足，采用理论分析与实践相结合的方法。通过实验室小试试验，确定铁碳最佳试验条件、运行方式及补充周期，确保TP能稳定达标，并成功运用于实际工程案例中。具体研究思路如下。
(1)确定以微电解技术为核心技术去除TP的方法。
(2)研究现有微电解材质特性，通过经济性成本分析及小试试验，后置砂滤装置。开展铁碳比、铁碳投加量、水力停留时间、曝气量4个因素的单因素优化试验，确定铁碳最佳试验条件。
(3)将铁碳-砂滤深度除磷工艺应用于工程实践中，保证出水稳定达标。
02试验条件分析
铁碳通过微小原电池反应产生的铁离子与width=29,height=16,dpi=110的化学沉淀和Fe(OH)2的混凝作用，将磷从液相转移至固相中，实现除磷的效果。试验通过优化运行参数，工艺出水磷指标稳定低于0.5mg/L，达到一级A排放标准，系统运行稳定，且操作简单、维护量小、能耗低。此时，铁碳微电解除磷的最佳工艺条件：铁碳比为3∶1，铁碳投加量为100g/L，曝气量为12m3/(h·m3)，水力停留时间为4h。
03实际数据应用
1工程项目应用
采用铁碳-砂滤组合进行强化除磷，相比化学法，操作简单，维护量小，从而为铁碳-砂滤的深度除磷工艺在农村生活污水中的应用，一级脱氮除磷强化提供解决思路。为分析铁碳-砂滤除磷工艺实际工程中的除磷效果，将该工艺应用于苏州市金庭镇某一农村生活污水处理项目。该项目污水处理系统采用固定床生物膜工艺，为防止铁碳板结钝化，装置通过特殊结构设计，通过机械方法使铁碳运动，互相摩擦去除氧化膜，避免长时间电解过程中阳极钝化及铁碳板结问题。项目区生活污水水质情况如表1所示。
项目设计进水水量为30t/d，根据小试试验确定，铁碳反应池设计停留时间为4h，反应池容积为6m3，设定曝气量为12m3/(h·m3)，铁碳比为3∶1，铁碳投加量为100g/L，石英砂级配为0.5～1.0、1～2、2～4mm，滤层厚度为45cm。为保证过滤澄清度，砂滤过滤滤速控制为1.5m/h，石英砂过滤器反洗频次1～2次/d，每次反洗时间为15～30min，保证过滤器持续稳定运行。
2出水水质情况
项目稳定运行一年以上，运行期间内进水水温为11.2～27.3℃。项目点实际出水数据表明，系统出水各项指标均较稳定，CODCr、BOD5、NH3-N、TP、TN、SS浓度基本可达到一级A标准，其中TP浓度可稳定达标于一级B标准，说明铁碳+砂滤深度除磷工艺具有出色的稳定性。
微电解除磷去除效果如下图所示，进水TP浓度为3.5～7mg/L，平均浓度为5.64mg/L。当进水TP浓度为3.5～5mg/L时，出水TP浓度稳定于0.5mg/L以下，达到一级A标准；当进水TP浓度在5～7mg/L时，出水TP浓度稳定小于1mg/L，达一级B标准；平均去除率为91.84%～95%。项目试验结果表明，微电解除磷-砂滤技术可有稳定高效的除磷效果，出水TP稳定达标。
系统连续稳定运行一年，按月测量铁碳质量的下降情况。铁碳质量百分比随时间的变化。持续稳定运行一年，电解材质持续释放，总质量比下降至20%，TP去除率未受影响。当运行至13个月时，TP去除率逐渐下降，表明系统铁碳添加周期可维持在12～13个月，相比传统化学加药方法，维护频次大大减少，节省大量的运维成本。
3经济性分析
目前，大部分农村污水处理均采用化学加药辅助运行去除TP，投加PAC频率高，加大了运行维护难度及成本。铁碳-砂滤工艺初次添加铁碳满足一年以上的使用周期，减少运行维护频次，节省大量人工成本。对两种处理方式进行经济性对比分析，分析以独立项目点，除磷单独维护工作量计算，其经济性对比如下表所示。
04结论
通过铁碳微电解将TP从液相转移至固相，再经砂滤除去，在小试和实际应用中都表现出卓越的除磷能力。在小试阶段，确定了铁碳+砂滤的最佳运行参数，铁碳反应池曝气量为12m3/(h·m3)，铁碳比为3∶1，投加量为100g/L，水力停留时间为4h，砂滤以0.5～1.0mm石英砂为滤料，过滤高度为40cm，使TP为5mg/L的原水降至0.02mg/L，去除率达到99.6%。在实际应用阶段，将该工艺用于苏州市金庭镇某一农村生活污水处理系统中，控制砂滤滤速为1.5m/h，出水TP稳定于0.5mg/L左右，达到《城镇污水厂污染物排放标准》一级B标准，证明该技术的稳定可靠性。填料更换周期可达1年，可节省大量的人工运维成本，普遍适用于分散式生活污水的处理，具有较大的推广使用价值。
