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準》（征求意見稿）中新增了特別排放標準的相關(guān)指標，因其主要指標參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838—2002）中的Ⅳ類水質(zhì)指標，故稱為準Ⅳ類水標準。隨后，北京、天津、廣東、江蘇、浙江等地區(qū)陸續(xù)開展了提標準Ⅳ類水的相關(guān)工作。2018年6月中共中央、國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于全面加強生態(tài)環(huán)境保護，堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》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)展和改革委員會聯(lián)合發(fā)布的《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案（2019—2021年）》，明確提出了加快補齊城鎮(zhèn)污水收集和處理設(shè)施短板，這對污水處理提出了更高的要求。我國現(xiàn)有的城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質(zhì)可達到準Ⅳ類標準的僅占3.8%，為此亟需開發(fā)適用于當前污水處理廠提質(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+過濾”作為主流工藝，這一傳統(tǒng)工藝對顆粒態(tài)污染物的去除效果較好，但對于溶解性有機物的去除效果有限。相比傳統(tǒng)的化學混凝，電絮凝處理技術(shù)對一些溶解性有機物的去除效果更好，且無需投加化學藥劑，具有設(shè)備簡單、操作方便、反應(yīng)迅速、產(chǎn)泥量少、無環(huán)境副作用等諸多優(yōu)點，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制，將電絮凝與臭氧氧化進行耦合來強化去除有機物，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、裝置簡單、成本低廉。筆者探究了E-HOC工藝對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)和最佳運行條件，以期為城市污水廠深度處理和提標改造提供參考。

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。原水由原水箱進入電誘導(dǎo)區(qū)，流經(jīng)臭氧氧化區(qū)，再進入沉淀區(qū)，沉淀出水進入兩級砂濾系統(tǒng)，浮渣由頂部排出，反應(yīng)器底部進行排泥。

1.2 試驗進水

試驗進水為課題組在西安某污水廠開發(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 分析項目與方法

pH采用精密酸度計測定；COD、TP、NH4+-N等常規(guī)水質(zhì)指標均采用國家標準方法測定；Fe濃度采用鄰菲啰啉分光光度法測定；三維熒光光譜采用熒光光譜儀（F-7000，Hitachi）測定。

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，對比不同電極組合對E-HOC工藝處理效果的影響，結(jié)果見圖2�？芍�，采用鐵作為E-HOC工藝的陽極與陰極時處理效果最佳，COD和TP的去除率分別可達到60%和71%。原因是鐵的電化學當量比鋁大，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+，促進臭氧鏈式分解產(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氧化能力更強。因此，選擇鐵極板作為E-HOC體系的陽極和陰極。

2.2 電流密度對COD和TP去除效果的影響

不同電流密度條件下，E-HOC工藝對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COD和TP的去除效果。然而，提高電流密度至4.88mA/cm2時，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，圖3和圖4表明，提升進水量至1.5m3/h以上時，對COD和TP的去除效果有所下降，這是因為大流量下反應(yīng)時間劇減，體系不能完成完整的絮凝分離過程。此外，在4種電流密度條件下，E-HOC系統(tǒng)的COD最大承載負荷分別為82.28、82.42、102.05、114.05mg/（cm2·d），TP最大承載負荷分別為0.86、1.73、1.77、1.77mg/（cm2·d）。因此，為保證出水COD和TP濃度穩(wěn)定達到準Ⅳ類地表水水質(zhì)標準，系統(tǒng)的最大進水流量為1.0m3/h、最佳電流密度為3.66mA/cm2，此時COD和TP的平均去除率分別為67%和89%，COD和TP最大承載負荷分別為102.05mg/（cm2·d）和1.77mg/（cm2·d）。另外，E-HOC體系的進水總鐵濃度為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行時，出水澄清無色，污泥為紅褐色，出水總鐵濃度相比進水沒有增加太多而引起出水色度的增加。

2.3 臭氧投加量對COD和TP去除效果的影響

圖5和圖6為臭氧投加量對E-HOC工藝去除COD和TP效果的影響�？芍�，E-HOC工藝較單獨電絮凝對COD和TP的去除效果有明顯的提升。然而，高臭氧投加量會使得TP去除效果變差，而對COD的去除效果影響不大，這是因為TP主要通過絮凝作用去除，過量的臭氧會降低絮凝效果，而COD可以通過體系產(chǎn)生的·OH氧化去除。另外，當進水量提升至1.5m3/h以上時，COD和TP的去除率波動較大，這是因為進水量增加，反應(yīng)時間變短，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，體系中的臭氧相對過量，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最大承載負荷分別為83.0、82.9、80.7、83.5mg/（cm2·d），TP最大承載負荷為1.70、1.72、2.63、1.74mg/（cm2·d），與不同電流密度下的最大承載負荷基本一致。因此，為保證出水COD和TP濃度穩(wěn)定達到準Ⅳ類地表水水質(zhì)標準，系統(tǒng)的最大進水流量為1.0m3/h、最佳臭氧投加量為6.8mg/L，此時系統(tǒng)對COD和TP的平均去除率分別為69%和86%，COD和TP的承載負荷分別為82.9mg/（cm2·d）和1.72mg/（cm2·d）。試驗發(fā)現(xiàn)，E-HOC工藝不能有效去除氨氮，這是因為氨氮難以被臭氧氧化，后續(xù)可以通過與脫氮工藝聯(lián)用來進一步去除氨氮。

2.4 三維熒光特性

E-HOC工藝和單獨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�？芍�，原水中有兩個明顯的峰，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)，同時還含有大量的酚羥基、羰基等基團，親水性強、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)物類有機物，同時還含有一定數(shù)量的簡單芳香蛋白和腐殖質(zhì)等有機物。從圖7和圖8可以看出，相比于單獨臭氧氧化，E-HOC體系對富里酸類和溶解性微生物代謝產(chǎn)物類有機物的去除效果顯著。由于過濾不能去除溶解性有機物，因此過濾前后的熒光強度變化不大。

2.5 處理成本

E-HOC工藝的處理成本主要來自電極損耗和電費。極板采購于當?shù)丶庸�廠，每次更換極板的費用為350元，3個月更換一次，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、冷凍干燥機、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。在最佳運行工況下，設(shè)備正常運行時實際每小時平均總用電量為3.8kW·h，工業(yè)用電價格按0.8元/（kW·h）計算，則設(shè)備用電費用為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工藝對新型一體化污水處理裝置出水進行深度處理，采用鐵板作為陽極和陰極時效果最優(yōu)，系統(tǒng)的最佳運行工況如下：最大進水流量為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濃度可達到準Ⅳ類地表水水質(zhì)標準，去除率分別可達到69%和86%，體系的COD和TP最大承載負荷分別為82.9mg/（cm2·d）和1.72mg/（cm2·d）。此外，E-HOC系統(tǒng)對富里酸類和溶解性微生物代謝產(chǎn)物類有機物的去除效果顯著。本研究可為城市污水廠準Ⅳ類水的提質(zhì)增效處理提供參考。（來源：西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院，西安市生態(tài)環(huán)境局蓮湖分局環(huán)境監(jiān)測站，中機國際工程設(shè)計研究院有限責任公司華東分院，西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院）