研究進(jìn)展---鐵鹽在城市水系統(tǒng)中的綜合使用
鐵鹽作為一種常見(jiàn)的化學(xué)絮凝劑被廣泛應(yīng)用于城市水系統(tǒng)各個(gè)單元中，以實(shí)現(xiàn)污染物去除等多種目的。目前針對(duì)鐵鹽絮凝劑在城市水系統(tǒng)中的應(yīng)用及研究主要集中于優(yōu)化投加點(diǎn)處目標(biāo)污染物去除效率，并同時(shí)減少化學(xué)投加量。但其研究范圍僅局限在孤立的單元中，并未綜合考慮投加的絮凝劑對(duì)下游單元及整個(gè)系統(tǒng)造成的影響。近五年來(lái)，昆士蘭大學(xué)水管理高等研究中心 (AWMC) Zhiguo Yuan 團(tuán)隊(duì)針對(duì)鐵鹽在城市水系統(tǒng)中的使用進(jìn)行了大量系統(tǒng)性研究，通過(guò)追蹤鐵鹽在城市水系統(tǒng)遷移中給下游單元帶來(lái)的影響和二次效益，首次提出鐵鹽在城市水系統(tǒng)中的綜合使用策略，從而在實(shí)現(xiàn)多種管理效益的同時(shí)極大地減少化學(xué)試劑的使用量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn)，向下水管道中投加鐵鹽或富含鐵的飲用水污泥均能實(shí)現(xiàn)控制下水道腐蝕和異味，污水處理廠除磷，以及去除厭氧消化沼氣中的硫化氫（H2S）的目的。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)厭氧消化污泥中的鐵主要以藍(lán)鐵石的形式存在，并能對(duì)其進(jìn)行回收和再利用。鐵鹽的綜合使用策略能夠極大地節(jié)省污水管理的運(yùn)營(yíng)成本。該策略在兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)（分別為十三萬(wàn)噸和五萬(wàn)噸日進(jìn)水量）的試用為水務(wù)公司節(jié)省約150萬(wàn)澳元/年。該研究的發(fā)現(xiàn)表明在未來(lái)的研究和管理中應(yīng)更多地從系統(tǒng)尺度上對(duì)城市水系統(tǒng)中化學(xué)藥劑的使用進(jìn)行綜合考慮。
研究簡(jiǎn)圖
背景簡(jiǎn)介2014年昆士蘭大學(xué)Zhiguo Yuan 團(tuán)隊(duì)在《Science》期刊上發(fā)表文章（見(jiàn)參考文獻(xiàn)1）指出飲用水廠使用的主要絮凝劑硫酸鋁間接地成為下水管道中硫化物的主要來(lái)源，而由硫化物誘發(fā)的混凝土腐蝕被認(rèn)為是下水道腐蝕的主要原因。這一發(fā)現(xiàn)表明給水系統(tǒng)和污水系統(tǒng)之間具有顯著的聯(lián)系，基于單一系統(tǒng)采用的管理策略可能會(huì)對(duì)城市水系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施中的其他組成部分造成負(fù)面影響，因此未來(lái)應(yīng)從系統(tǒng)尺度對(duì)城市水系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理。
圖1：飲用水廠中硫酸鋁絮凝劑投加量對(duì)下水道腐蝕治理費(fèi)用的影響
鐵鹽尤其是氯化鐵（FeCl3）作為一種主要的絮凝劑被投加在城市水系統(tǒng)中的不同單元，可分別用于飲用水處理、下水管道腐蝕和異味管理、污水廠除磷、厭氧消化沼氣中去除H2S。投加在上游單元中的鐵鹽會(huì)在城市水系統(tǒng)中隨著污水或污泥向下游遷移，從而對(duì)下游過(guò)程造成影響?；阼F的化學(xué)過(guò)程十分復(fù)雜和多樣，而城市水系統(tǒng)不同單元具備不同的氧化還原條件，因此在應(yīng)用鐵鹽絮凝劑時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到其在城市水系統(tǒng)中的遷移效應(yīng)。本研究旨在提出一種鐵鹽的綜合性使用策略，通過(guò)用FeCl3取代硫酸鋁絮凝劑，來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)下水道腐蝕和異味管理，污水廠化學(xué)除磷，以及去除厭氧消化沼氣中的H2S。投加鐵鹽對(duì)下水道及下游污水系統(tǒng)單元的影響
(1)實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器系統(tǒng)和污水廠介紹
實(shí)驗(yàn)室搭建了兩套模擬城市水系統(tǒng)的反應(yīng)器系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組），進(jìn)水為實(shí)際生活污水，運(yùn)行階段超過(guò)三年。每個(gè)系統(tǒng)均包含兩個(gè)下水道反應(yīng)器，初級(jí)沉淀池，序批式反應(yīng)器(SBR)，污泥濃縮池，和污泥厭氧消化反應(yīng)器(AD)。實(shí)驗(yàn)組中包含一個(gè)鐵鹽投加單元，在第一階段的運(yùn)行中直接向反應(yīng)器系統(tǒng)連續(xù)投加10 mgFe/L的FeCl3；在第二階段的運(yùn)行中，含鐵的飲用水污泥取代FeCl3以10mgFe/L的濃度被連續(xù)投加到實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)中。
圖2：實(shí)驗(yàn)室模擬城市水系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器系統(tǒng)圖，包含鐵鹽投加單元。對(duì)照反應(yīng)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器系統(tǒng)一致，但不含鐵鹽投加單元。數(shù)字代表手動(dòng)取樣點(diǎn)，用于采集污水和污泥進(jìn)行分析
現(xiàn)場(chǎng)鐵鹽投加試驗(yàn)在澳大利亞昆士蘭州的兩個(gè)污水處理廠進(jìn)行，服務(wù)人口分別為90萬(wàn)和25萬(wàn)人，日進(jìn)水量分別為十三萬(wàn)噸和五萬(wàn)噸。(2)研究主要成果和結(jié)論
實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均表明在下水道中投加鐵鹽可以降低下水道污水的溶解態(tài)硫化物濃度，提升下游污水處理過(guò)程中磷的去除，降低沼氣中的H2S濃度。鐵鹽的投加并未對(duì)生物脫氮和污泥厭氧消化生成的沼氣量產(chǎn)生影響。同時(shí)，厭氧消化污泥的脫水性能得到了顯著提升(實(shí)驗(yàn)室研究提升了17.7 ± 1.0%)。投加鐵鹽后活性污泥的沉降性和脫水性能都得到了提升。另外，投加的鐵鹽在下水道污水中形成硫化亞鐵顆粒（FeS），能夠快速吸附某些有機(jī)微污染物，從而顯著降低下游污水處理廠進(jìn)水中溶解態(tài)微污染物負(fù)荷。
研究詳情可參考團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《Water Research》，《Environmental Science& Technology》，《Chemical EngineeringJournal》的研究論文，見(jiàn)參考文獻(xiàn)2-6。
投加含鐵飲用水污泥對(duì)下水道及下游污水系統(tǒng)單元的影響
(1)實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器系統(tǒng)和中試下水管道實(shí)驗(yàn)介紹
實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器系統(tǒng)見(jiàn)圖2. 實(shí)驗(yàn)中投加的含鐵（FeCl3）飲用水污泥來(lái)源于悉尼飲用水廠的濃縮污泥。中試試驗(yàn)在兩個(gè)直徑為100毫米，長(zhǎng)度為300米的加壓排水管道（圖3）中進(jìn)行，該試驗(yàn)分別測(cè)試了投加含鐵和含鋁污泥對(duì)下水道污水中硫化物和磷的去除效果影響。
圖3: 中試用排水管道
(2)研究主要成果和結(jié)論實(shí)驗(yàn)室研究表明在下水道中投加含鐵污泥可以降低下水道污水中硫化物濃度，提升下游污水處理過(guò)程中磷的去除，以及降低厭氧消化污泥中的硫化物濃度。同時(shí)，活性污泥的沉降性能及厭氧消化污泥的脫水性能均得到提升。另外，研究表明，初級(jí)沉淀池會(huì)降低含鐵飲用水污泥投加后對(duì)下游過(guò)程帶來(lái)的效益，但可以通過(guò)更改系統(tǒng)配置來(lái)降低甚至消除初級(jí)沉淀池的影響。
中試研究表明投加含鐵污泥可以有效去除下水道污水中的硫化物，但對(duì)于磷的去除作用有限。而投加含鋁污泥則可以有效去除磷但不能去除硫化物。
研究詳情可參考團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《Water Research》，《ChemicalEngineering Journal》的研究論文，見(jiàn)參考文獻(xiàn)7-9，11。
下水道投加的鐵在下游污水廠消化污泥中的回收和回用
(1)厭氧消化污泥中鐵的回收及回收鐵去除硫化物實(shí)驗(yàn)
采用兩步法從厭氧消化污泥中回收投加的鐵。第一步利用磁選法將藍(lán)鐵石從污泥中分離，第二步在堿性條件下（pH=13）將藍(lán)鐵石分離為富鐵固體物和富磷的液相部分。富鐵固體物被進(jìn)一步用于去除污水中硫化物的實(shí)驗(yàn)研究。
(2)研究主要成果和結(jié)論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明下水道投加的鐵（以鐵鹽或含鐵飲用水污泥形式）能夠從下游污水廠消化污泥中以藍(lán)鐵石的形式被回收。含鐵飲用水污泥中92±2%的鐵存在于消化污泥的藍(lán)鐵石中，該比例與投加FeCl3類似。在投加鐵鹽和含鐵飲用水污泥后得到的消化污泥中藍(lán)鐵石回收率分別為11±0.2% 和 15.3±0.08%，藍(lán)鐵石的純度分別為70±5% 和49±3%。藍(lán)鐵石中幾乎全部的鐵均以水合氧化鐵的形式被分離出來(lái)?；厥盏乃涎趸F能夠被直接用于去除下水道中硫化物。該結(jié)果表明在飲用水處理中產(chǎn)生的廢棄物可以被轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的資源，可據(jù)此為給水和污水設(shè)施設(shè)計(jì)出一個(gè)閉環(huán)的鐵鹽絮凝劑的管理策略。
研究詳情可參考團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《Water Research》的研究論文，見(jiàn)參考文獻(xiàn)12。
總結(jié)及展望
本研究提出了一種新的鐵鹽在城市水系統(tǒng)中的綜合使用策略，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室，中試和現(xiàn)場(chǎng)研究驗(yàn)證了其有效性。用FeCl3取代硫酸鋁作為飲用水處理的主要絮凝劑，并將含鐵飲用水污泥投加在下水道中，或在沒(méi)有含鐵飲用水污泥來(lái)源時(shí)直接投加FeCl3均可同時(shí)實(shí)現(xiàn)下水道腐蝕和異味管理，污水廠除磷，以及去除厭氧消化沼氣中的H2S。采用本研究提出的鐵鹽綜合使用策略能夠顯著降低城市水系統(tǒng)中化學(xué)試劑的使用量，為城市水基礎(chǔ)設(shè)施和社會(huì)公眾帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。目前該研究發(fā)現(xiàn)已影響了眾多其他水務(wù)機(jī)構(gòu)在化學(xué)試劑使用上的管理決策。同時(shí)，這項(xiàng)研究也指出了在未來(lái)城市水管理過(guò)程中提供水服務(wù)的不同機(jī)構(gòu)之間的合作機(jī)會(huì)，通過(guò)加強(qiáng)合作來(lái)構(gòu)建綜合性的城市水管理策略，從而實(shí)現(xiàn)效益的共享，并且在提升環(huán)境可持續(xù)性的同時(shí)降低服務(wù)成本。
研究團(tuán)隊(duì)合影
本文作者：李怡婧 昆士蘭大學(xué)水管理高等研究中心博士研究生研究?jī)?nèi)容原文鏈接
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