2015年11月生態環境部公布的《城鎮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指標，因其主要指標參考《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）中的Ⅳ類水質指標，故稱為準Ⅳ類水標準。隨后，北京、天津、廣東、江蘇、浙江等地區陸續開展了提標準Ⅳ類水的相關工作。2018年6月中共中央、國務院發布的《關于全面加強生態環境保護，堅決打好污染防治攻堅戰的意見》以及2019年5月住房和城鄉建設部、生態環境部、發展和改革委員會聯合發布的《城鎮污水處理提質增效三年行動方案（2019—2021年）》，明確提出了加快補齊城鎮污水收集和處理設施短板，這對污水處理提出了更高的要求。我國現有的城鎮污水處理廠出水水質可達到準Ⅳ類標準的僅占3.8%，為此亟需開發適用于當前污水處理廠提質增效的工藝，以提升水資源利用率、改善河道水生態、緩解水資源短缺、維系健康水循環。
目前，常用的城市污水提質增效處理以“混凝+沉淀+過濾”作為主流工藝，這一傳統工藝對顆粒態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。相比傳統的化學混凝，電絮凝處理技術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，具有設備簡單、操作方便、反應迅速、產泥量少、無環境副作用等諸多優點，在污水處理中有著廣泛的應用。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，構建了電凝聚臭氧化耦合工藝（E-HOC）中試系統。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，明確了工藝的關鍵影響參數和最佳運行條件，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。反應柱高為2.1m、外徑為1m，材質為有機玻璃，主要由上部電誘導區、中部臭氧氧化區、下部沉淀區構成。原水由原水箱進入電誘導區，流經臭氧氧化區，再進入沉淀區，沉淀出水進入兩級砂濾系統，浮渣由頂部排出，反應器底部進行排泥。
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、預缺氧池、污泥濃縮池、兩側兼氧池和二沉池組合而成，主體工藝是A2/O與SBR串聯而成的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等常規水質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、結果與討論
2.1 電極材料比選
在傳統電絮凝工藝中，電極材料的選擇對于體系的處理性能至關重要。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，結果見圖2。可知，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Fe2+作為活化劑，與臭氧反應生成中間產物FeO2+，促進臭氧鏈式分解產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，系統的處理效果提升不明顯，原因是大電流密度下產生過量的金屬鹽混凝劑，膠體電性逆轉發生再穩定現象，導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濃度穩定達到準Ⅳ類地表水水質標準，系統的最大進水流量為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。可知，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，反應時間變短，相同電流密度下產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濃度穩定達到準Ⅳ類地表水水質標準，系統的最大進水流量為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）。試驗發現，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，后續可以通過與脫氮工藝聯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。可知，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，是芳香基和烷烴結構，同時還含有大量的酚羥基、羰基等基團，親水性強、分子質量小，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物類有機物，同時還含有一定數量的簡單芳香蛋白和腐殖質等有機物。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。極板采購于當地加工廠，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。系統用電設備主要有空氣壓縮機、冷凍干燥機、臭氧發生器、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，設備正常運行時實際每小時平均總用電量為3.8kW·h，工業用電價格按0.8元/（kW·h）計算，則設備用電費用為3.04元/m³。綜上，E-HOC系統的處理成本為3.21元/m³。
3、結論
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，系統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系統對富里酸類和溶解性微生物代謝產物類有機物的去除效果顯著。本研究可為城市污水廠準Ⅳ類水的提質增效處理提供參考。（來源：西安交通大學人居環境與建筑工程學院，西安市生態環境局蓮湖分局環境監測站，中機國際工程設計研究院有限責任公司華東分院，西安建筑科技大學環境與市政工程學院）
