2015年11月生態(tài)環(huán)境部公布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見(jiàn)稿）中新增了特別排放標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)指標(biāo)，因其主要指標(biāo)參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中的Ⅳ類水質(zhì)指標(biāo)，故稱為準(zhǔn)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。隨后，北京、天津、廣東、江蘇、浙江等地區(qū)陸續(xù)開(kāi)展了提標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類水的相關(guān)工作。2018年6月中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見(jiàn)》以及2019年5月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部、發(fā)展和改革委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布的《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案（2019—2021年）》，明確提出了加快補(bǔ)齊城鎮(zhèn)污水收集和處理設(shè)施短板，這對(duì)污水處理提出了更高的要求。我國(guó)現(xiàn)有的城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質(zhì)可達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的僅占3.8%，為此亟需開(kāi)發(fā)適用于當(dāng)前污水處理廠提質(zhì)增效的工藝，以提升水資源利用率、改善河道水生態(tài)、緩解水資源短缺、維系健康水循環(huán)。
目前，常用的城市污水提質(zhì)增效處理以“混凝+沉淀+過(guò)濾”作為主流工藝，這一傳統(tǒng)工藝對(duì)顆粒態(tài)污染物的去除效果較好，但對(duì)于溶解性有機(jī)物的去除效果有限。相比傳統(tǒng)的化學(xué)混凝，電絮凝處理技術(shù)對(duì)一些溶解性有機(jī)物的去除效果更好，且無(wú)需投加化學(xué)藥劑，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、反應(yīng)迅速、產(chǎn)泥量少、無(wú)環(huán)境副作用等諸多優(yōu)點(diǎn)，在污水處理中有著廣泛的應(yīng)用。為此，筆者基于課題組提出的臭氧混凝互促增效機(jī)制，將電絮凝與臭氧氧化進(jìn)行耦合來(lái)強(qiáng)化去除有機(jī)物，構(gòu)建了電凝聚臭氧化耦合工藝（E-HOC）中試系統(tǒng)。該工藝在一個(gè)處理流程中可完成氧化、凝聚、氣浮、沉淀、脫色、除嗅、滅菌等多種功能，設(shè)備緊湊、裝置簡(jiǎn)單、成本低廉。筆者探究了E-HOC工藝對(duì)污水廠新型一體化污水處理裝置出水的處理特性，明確了工藝的關(guān)鍵影響參數(shù)和最佳運(yùn)行條件，以期為城市污水廠深度處理和提標(biāo)改造提供參考。
1、材料與方法
1.1 中試裝置
E-HOC中試裝置如圖1所示。反應(yīng)柱高為2.1m、外徑為1m，材質(zhì)為有機(jī)玻璃，主要由上部電誘導(dǎo)區(qū)、中部臭氧氧化區(qū)、下部沉淀區(qū)構(gòu)成。原水由原水箱進(jìn)入電誘導(dǎo)區(qū)，流經(jīng)臭氧氧化區(qū)，再進(jìn)入沉淀區(qū)，沉淀出水進(jìn)入兩級(jí)砂濾系統(tǒng)，浮渣由頂部排出，反應(yīng)器底部進(jìn)行排泥。
1.2 試驗(yàn)進(jìn)水
試驗(yàn)進(jìn)水為課題組在西安某污水廠開(kāi)發(fā)的新型一體化污水處理裝置出水，該裝置由厭氧池、缺氧池、好氧池、預(yù)缺氧池、污泥濃縮池、兩側(cè)兼氧池和二沉池組合而成，主體工藝是A2/O與SBR串聯(lián)而成的MSBR工藝，進(jìn)水為污水廠曝氣沉砂池出水，出水COD、TP分別在70~90、1.5~2.0mg/L左右。
1.3 分析項(xiàng)目與方法
pH采用精密酸度計(jì)測(cè)定；COD、TP、NH4+-N等常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定；Fe濃度采用鄰菲啰啉分光光度法測(cè)定；三維熒光光譜采用熒光光譜儀（F-7000，Hitachi）測(cè)定。
2、結(jié)果與討論
2.1 電極材料比選
在傳統(tǒng)電絮凝工藝中，電極材料的選擇對(duì)于體系的處理性能至關(guān)重要。本研究以鐵或鋁為電極材料，對(duì)比不同電極組合對(duì)E-HOC工藝處理效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。可知，采用鐵作為E-HOC工藝的陽(yáng)極與陰極時(shí)處理效果最佳，COD和TP的去除率分別可達(dá)到60%和71%。原因是鐵的電化學(xué)當(dāng)量比鋁大，因此在相同條件下鐵電極的混凝效率更高；其次，鐵陽(yáng)極原位生成的溶解態(tài)Fe2+作為活化劑，與臭氧反應(yīng)生成中間產(chǎn)物FeO2+，促進(jìn)臭氧鏈?zhǔn)椒纸猱a(chǎn)生更多的羥基自由基，從而提高了體系的處理效果；另外，鋁的氧化還原電位為-1.662V，而鐵的為-0.447V，相比之下鐵電極的電化學(xué)氧化能力更強(qiáng)。因此，選擇鐵極板作為E-HOC體系的陽(yáng)極和陰極。
2.2 電流密度對(duì)COD和TP去除效果的影響
不同電流密度條件下，E-HOC工藝對(duì)COD和TP的去除情況如圖3和圖4所示。
由圖3和圖4可知，增加電流密度能顯著提升E-HOC工藝對(duì)COD和TP的去除效果。然而，提高電流密度至4.88mA/cm2時(shí)，系統(tǒng)的處理效果提升不明顯，原因是大電流密度下產(chǎn)生過(guò)量的金屬鹽混凝劑，膠體電性逆轉(zhuǎn)發(fā)生再穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝效果提升不理想。同時(shí)，圖3和圖4表明，提升進(jìn)水量至1.5m3/h以上時(shí)，對(duì)COD和TP的去除效果有所下降，這是因?yàn)榇罅髁肯路磻?yīng)時(shí)間劇減，體系不能完成完整的絮凝分離過(guò)程。此外，在4種電流密度條件下，E-HOC系統(tǒng)的COD最大承載負(fù)荷分別為82.28、82.42、102.05、114.05mg/（cm2·d），TP最大承載負(fù)荷分別為0.86、1.73、1.77、1.77mg/（cm2·d）。因此，為保證出水COD和TP濃度穩(wěn)定達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)的最大進(jìn)水流量為1.0m3/h、最佳電流密度為3.66mA/cm2，此時(shí)COD和TP的平均去除率分別為67%和89%，COD和TP最大承載負(fù)荷分別為102.05mg/（cm2·d）和1.77mg/（cm2·d）。另外，E-HOC體系的進(jìn)水總鐵濃度為1.9mg/L，在4種電流密度下的出水總鐵濃度分別為2.89、5.53、8.64、10.6mg/L，隨著電流密度的增加，出水總鐵濃度逐漸增加，但是在最佳電流密度條件下運(yùn)行時(shí)，出水澄清無(wú)色，污泥為紅褐色，出水總鐵濃度相比進(jìn)水沒(méi)有增加太多而引起出水色度的增加。
2.3 臭氧投加量對(duì)COD和TP去除效果的影響
圖5和圖6為臭氧投加量對(duì)E-HOC工藝去除COD和TP效果的影響。可知，E-HOC工藝較單獨(dú)電絮凝對(duì)COD和TP的去除效果有明顯的提升。然而，高臭氧投加量會(huì)使得TP去除效果變差，而對(duì)COD的去除效果影響不大，這是因?yàn)?/span>TP主要通過(guò)絮凝作用去除，過(guò)量的臭氧會(huì)降低絮凝效果，而COD可以通過(guò)體系產(chǎn)生的·OH氧化去除。另外，當(dāng)進(jìn)水量提升至1.5m3/h以上時(shí)，COD和TP的去除率波動(dòng)較大，這是因?yàn)檫M(jìn)水量增加，反應(yīng)時(shí)間變短，相同電流密度下產(chǎn)生的金屬氫氧化物和聚合羥基配合物減少，體系中的臭氧相對(duì)過(guò)量，導(dǎo)致絮體形成緩慢滯后、沉降性能變差。此外，在4種臭氧投加量下，E-HOC系統(tǒng)的COD最大承載負(fù)荷分別為83.0、82.9、80.7、83.5mg/（cm2·d），TP最大承載負(fù)荷為1.70、1.72、2.63、1.74mg/（cm2·d），與不同電流密度下的最大承載負(fù)荷基本一致。因此，為保證出水COD和TP濃度穩(wěn)定達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)的最大進(jìn)水流量為1.0m3/h、最佳臭氧投加量為6.8mg/L，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)COD和TP的平均去除率分別為69%和86%，COD和TP的承載負(fù)荷分別為82.9mg/（cm2·d）和1.72mg/（cm2·d）。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，E-HOC工藝不能有效去除氨氮，這是因?yàn)榘钡y以被臭氧氧化，后續(xù)可以通過(guò)與脫氮工藝聯(lián)用來(lái)進(jìn)一步去除氨氮。
2.4 三維熒光特性
E-HOC工藝和單獨(dú)臭氧氧化處理前后污水的三維熒光特性如圖7和圖8所示。可知，原水中有兩個(gè)明顯的峰，A峰（λEx/λEm=220~250nm/380~450nm）代表富里酸類物質(zhì)，是芳香基和烷烴結(jié)構(gòu)，同時(shí)還含有大量的酚羥基、羰基等基團(tuán)，親水性強(qiáng)、分子質(zhì)量小，在污水處理中很難被去除；B峰（λEx/λEm=250~300nm/325~400nm）代表溶解性微生物代謝產(chǎn)物。這說(shuō)明原水中含有大量的富里酸類和溶解性微生物代謝產(chǎn)物類有機(jī)物，同時(shí)還含有一定數(shù)量的簡(jiǎn)單芳香蛋白和腐殖質(zhì)等有機(jī)物。從圖7和圖8可以看出，相比于單獨(dú)臭氧氧化，E-HOC體系對(duì)富里酸類和溶解性微生物代謝產(chǎn)物類有機(jī)物的去除效果顯著。由于過(guò)濾不能去除溶解性有機(jī)物，因此過(guò)濾前后的熒光強(qiáng)度變化不大。
2.5 處理成本
E-HOC工藝的處理成本主要來(lái)自電極損耗和電費(fèi)。極板采購(gòu)于當(dāng)?shù)丶庸S，每次更換極板的費(fèi)用為350元，3個(gè)月更換一次，則處理1m3水消耗的鐵板成本約為0.17元。系統(tǒng)用電設(shè)備主要有空氣壓縮機(jī)、冷凍干燥機(jī)、臭氧發(fā)生器、直流電源和增壓泵，其額定功率分別為0.8、0.5、0.8、6.0、0.5kW。在最佳運(yùn)行工況下，設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)實(shí)際每小時(shí)平均總用電量為3.8kW·h，工業(yè)用電價(jià)格按0.8元/（kW·h）計(jì)算，則設(shè)備用電費(fèi)用為3.04元/m³。綜上，E-HOC系統(tǒng)的處理成本為3.21元/m³。
3、結(jié)論
利用E-HOC工藝對(duì)新型一體化污水處理裝置出水進(jìn)行深度處理，采用鐵板作為陽(yáng)極和陰極時(shí)效果最優(yōu)，系統(tǒng)的最佳運(yùn)行工況如下：最大進(jìn)水流量為1.0m3/h、電流密度為3.66mA/cm2、臭氧投加量為6.8mg/L，在該條件下，出水COD和TP濃度可達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，去除率分別可達(dá)到69%和86%，體系的COD和TP最大承載負(fù)荷分別為82.9mg/（cm2·d）和1.72mg/（cm2·d）。此外，E-HOC系統(tǒng)對(duì)富里酸類和溶解性微生物代謝產(chǎn)物類有機(jī)物的去除效果顯著。本研究可為城市污水廠準(zhǔn)Ⅳ類水的提質(zhì)增效處理提供參考。（來(lái)源：西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，西安市生態(tài)環(huán)境局蓮湖分局環(huán)境監(jiān)測(cè)站，中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司華東分院，西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院）
