屠宰废水是我国食品工业的主要污染源之一，主要含有血污、油脂、碎肉、畜毛、未消化的食物、粪便和尿液等，基本不含过量重金属或其他有毒有害化学物质，可生化性好^〔1〕。屠宰废水具有明显的淡旺季之分^〔2〕，日变化系数可达1.5以上，日内水质差异变化较大。屠宰废水中的总氮（TN）常超过200 mg/L，总磷（TP）超过20 mg/L。现有《屠宰及肉类加工工业水污染物排放标准》（GB 13457—1997）对TN和TP未作要求^〔3〕，但在《屠宰及肉类加工工业水污染物排放标准（征求意见稿）》中，要求新建企业的污水TN、TP分别控制在20、1 mg/L以下。

目前常用的脱氮除磷工艺有氧化沟工艺^〔4〕、A²/O工艺^〔4〕及SBR工艺等。其中氧化沟工艺、A²/O工艺因脱氮除磷的污泥龄存在矛盾，难以同时取得很好的脱氮除磷效果^〔5〕。SBR反应器能抵抗冲击负荷，兼有空间上的完全混合和时间上的理想推流特点，且可进行泥水分离，无需二沉池，适合中小型企业使用^〔6〕，但对废水中高浓度氮磷的去除能力有限。基于Fe³⁺对磷的去除有较好效果^〔6〕，笔者将铁碳床与SBR反应器进行耦合，用于屠宰废水的处理。虽然铁碳床与SBR联用工艺被用于处理多种化工废水，但应用于屠宰废水处理，特别是促进SBR工艺脱氮除磷方面的研究尚不多见。

将铁碳床-SBR耦合工艺与传统SBR工艺处理屠宰废水效果进行比较，发现9 cm厚度铁碳床-SBR耦合工艺的出水水质能达到《屠宰及肉类加工工业水污染物排放标准（征求意见稿）》中氨氮＜8 mg/L、总氮＜20 mg/L、总磷＜1 mg/L的排放要求，可为小型企业的屠宰废水治理提供一定参考。

实验所用屠宰污水取自江苏某屠宰厂水解酸化池出水，COD_Cr为673~1 028 mg/L，BOD₅为383~614 mg/L，氨氮为75~110 mg/L，TN为105~161 mg/L，TP为18.4~25.1 mg/L。污泥取自江苏某屠宰厂传统SBR工艺排放剩余污泥，呈絮状、黄褐色，污泥质量浓度约11 000 mg/L，MLVSS/MLSS约为0.68。铁屑取自江苏某金属加工厂，生铁材质，呈螺旋状，直径5~8 mm，长度10~15 mm，经碱洗洗去表面油污后备用。活性炭颗粒为外购煤质活性炭，经化学法活化，粒径3~5 mm。铁屑与活性炭颗粒按质量比6∶4混合后作为铁碳床填料使用。

实验采用不锈钢制成的反应器（见图 1）。SBR反应区尺寸为15 cm×15 cm×30 cm，容积6.75 L；铁碳床反应区尺寸为15 cm×7.5 cm×20 cm，容积2.25 L。第1组实验采用传统SBR工艺，铁碳床反应区中不填充填料层；第2~6组实验分别在铁碳床内装入3、6、9、12、15 cm床层厚度的铁碳填料，考察填料厚度对废水处理效果的影响。

污泥取回后进行培养和驯化，运行14 d后出水水质相对稳定时开始实验。实验期间SBR工作周期为8 h，如图 1所示，进水阶段0.5 h，厌氧/缺氧反应阶段2.5 h，曝气反应阶段3 h，沉淀阶段1 h，排水阶段0.5 h，静置和排泥阶段0.5 h。其中，在厌氧/缺氧反应和曝气反应阶段持续用循环泵以0.3 L/min进行铁碳床和SBR反应器间废水的内循环，曝气阶段采用微孔曝气头以5 L/min速率鼓入空气。实验设定充水比为0.2，pH维持在6.5~7.8，每小时检测1次；如pH＜6.5，则加入少量石灰浆液。实验温度与室温相同，在15~20 ℃。

COD_Cr以重铬酸钾法（GB 11914—1989）测定。BOD₅以稀释与接种法（HJ 505—2009）测定。NH₄⁺-N以蒸馏中和滴定法（HJ 537—2009）测定。TN以碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法（HJ 636—2012）测定。TP和污泥含磷量以钼酸铵分光光度法（GB11893—1989）测定。Fe/Fe²⁺和污泥含铁量以邻菲啰啉分光光度法（HJ/T 345—2007）测定。

不同床层厚度下耦合工艺对屠宰废水COD、BOD₅、NH₄⁺-N、TN、TP的去除效果如图 2所示。

由图 2可以看出，传统SBR工艺的效果最差，随着铁碳床床层厚度的增加，COD_Cr和BOD₅去除率均呈现先上升后回落的趋势，在床层厚度为9 cm时达到峰值；NH₄⁺-N、TN的去除同样呈先上升后回落的趋势，床层厚度为9、12 cm时去除效果较优；TP去除率则呈单边上行趋势，床层厚度为15 cm时达到峰值。

SBR工艺对COD_Cr和BOD₅的去除依赖于微生物的降解作用及有机物的生物可降解性。铁碳床的微电解反应可促进部分难降解有机物的降解，从而提高其生物利用程度^〔7〕；同时，适量Fe²⁺、Fe³⁺有助于提高活性污泥中微生物的活性和数量^〔8-9〕。因此，第1~4组实验中，随着铁碳床填料厚度的增加，COD_Cr平均去除率由86.3%提高到94.2%，出水COD_Cr平均从115.6 mg/L降至49.3 mg/L。微电解反应产生的Fe²⁺、Fe³⁺有絮凝作用，浓度较高时活性污泥絮体结构过于紧密，比表面积减小，对污染物的传质有阻碍作用；此外，相关研究表明过量Fe³⁺对微生物活性有抑制作用^〔8〕。上述因素可能是第4~6组实验中COD_Cr、BOD₅去除率随铁碳床层厚度增加而下降的原因。

Fe²⁺对氨氮的硝化过程有显著的促进作用，若过量则促进作用有所减弱，但未达到毒性积累而抑制的程度^〔10〕；Fe³⁺对污泥的絮凝则容易造成污染物传质阻力的增加。因此，床层厚度为9 cm时NH₄⁺-N去除率存在峰值（86.6%），此时平均出水NH₄⁺-N为12.0 mg/L；床层厚度为12 cm时NH₄⁺-N去除率为85.4%，略有下降。与传统SBR工艺（出水氨氮平均质量浓度22.9 mg/L、去除率74.4%）相比有较大改善。

反硝化作用需在缺氧/厌氧环境下由反硝化菌群完成，但反硝化菌的世代时间长^〔11〕，在以生物除磷为主的系统中难以发挥最大作用。铁碳床层厚度增加，可减少对生物除磷的要求，延长污泥龄，对反硝化有利。因此，床层厚度为9、12 cm时，TN去除率分别达到84.5%、84.0%。

在传统SBR反应器中，除磷主要利用聚磷菌的好氧吸磷作用，为兼顾反硝化菌较长的污泥龄要求，除磷效果通常相对较差^〔12〕。Fe³⁺可与磷酸盐反应生成沉淀，因此铁碳床的填料厚度越大，对TP的去除效果越好；且化学除磷为主时，系统可尽量满足反硝化菌对污泥龄的要求，实现较好的同步脱氮除磷。由图 2可以发现，传统SBR工艺对TP的平均去除率为81%，出水TP平均为3.88 mg/L；而第3、4、5、6组实验中，出水TP分别降至1.22、0.90、0.73、0.63 mg/L，TP去除效果明显提升。考虑到过量Fe³⁺会导致污泥活性下降，因此实验中选择9 cm或12 cm厚度的铁碳床更为合适。

不同床层厚度下出水及各工艺阶段中总铁质量浓度的变化情况如图 3所示。

由图 3（a）可见，传统SBR工艺出水几乎不含铁；随着铁碳床层厚度的增加，出水中铁的质量浓度逐渐增大，最高可达5 mg/L。如图 3（b）所示，在1个运行周期内，床层厚度不同时污水中的总铁含量变化很大，以厌氧阶段末期最大，曝气阶段末期最小。

实验过程中沉淀和排水阶段不供氧曝气，因此，污泥絮体中的Fe³⁺逐渐还原为溶解度较大的Fe²⁺进入污水，导致沉淀排水阶段铁浓度上升^〔13〕。沉淀和排水阶段内循环停止，铁碳床溶出的Fe²⁺积聚在床层内部，难以扩散，直到进水阶段内循环重新开始运行，大量Fe²⁺流入SBR区域。因此，尽管进水阶段有废水流入，但该阶段铁浓度仍有所上升。厌氧阶段，污泥絮体中的Fe³⁺持续还原为游离Fe²⁺，导致厌氧阶段末期总铁质量浓度达到最大值；好氧曝气阶段，大量Fe²⁺在氧气作用下易被氧化为Fe³⁺而发生沉降，水中总铁浓度迅速降至整个工作周期的最低点。

实验过程中，各反应器排放的剩余污泥量、反应器中污泥浓度、污泥体积系数、污泥龄、干污泥含铁量、干污泥含磷量如图 4所示。

从图 4可以看出，随着铁碳床层厚度的增加，剩余污泥量逐渐减小，污泥体积指数降低，MLSS、污泥龄、干污泥含铁量、干污泥含磷量呈上升趋势。

铁碳床中Fe的溶出可以促进化学除磷，产生的沉淀最终混入污泥中。因此，当铁碳床层厚度增加时，干污泥含铁量、干污泥含磷量均上升；Fe³⁺具有絮凝作用，可使活性污泥变得密实、易沉淀，污泥体积指数减小。传统SBR进行生物除磷时需以排出含磷污泥的方式完成，因此要求较小的污泥龄^〔14〕，有机物矿化作用不完全，比污泥龄大的情形下产生更多剩余污泥。耦合工艺中，除磷主要以Fe³⁺生成不溶物的形式完成，污泥龄得以延长，可维持较高的MLSS，污泥矿化程度提高，这是剩余污泥量减少的主要原因。

与传统SBR工艺相比，采用铁碳床-SBR耦合工艺处理屠宰废水具有明显优势。铁碳床层厚度对废水处理效果影响明显：随床层厚度增加，COD_Cr、BOD₅、NH₄⁺-N、TN先增加后下降，对TP的去除则单调增加。采用9 cm铁碳床时出水水质较优，COD_Cr、BOD₅、氨氮、总氮、总磷的去除率分别为94.2%、96.2%、86.6%、84.5%、95.6%，基本符合《屠宰及肉类加工工业水污染物排放标准（征求意见稿）》中氨氮＜8 mg/L、总氮＜20 mg/L、总磷＜1 mg/L的排放要求；相较于传统SBR工艺，出水COD_Cr、BOD₅、NH₄⁺-N、TN、TP平均下降57.6%、48.1%、52.3%、57.7%、76.8%。

因出水水质存在波动，后续可增加三级强化处理工艺以确保达标排放。铁碳床层厚度较大时，应在后续工艺去除剩余亚铁离子，避免出水返色。