2015年11月生态环境部公布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（征求意见稿）中新增了特别排放标准的相关指标，因其主要指标参考《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中的Ⅳ类水质指标，故称为准Ⅳ类水标准。随后，北京、天津、广东、江苏、浙江等地区陆续开展了提标准Ⅳ类水的相关工作。2018年6月中共中央、国务院发布的《关于全面加强生态环境保护，坚决打好污染防治攻坚战的意见》以及2019年5月住房和城乡建设部、生态环境部、发展和改革委员会联合发布的《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019—2021年）》，明确提出了加快补齐城镇污水收集和处理设施短板，这对污水处理提出了更高的要求。我国现有的城镇污水处理厂出水水质可达到准Ⅳ类标准的仅占3.8%，为此亟需开发适用于当前污水处理厂提质增效的工艺，以提升水资源利用率、改善河道水生态、缓解水资源短缺、维系健康水循环。
目前，常用的城市污水提质增效处理以“混凝+沉淀+过滤”作为主流工艺，这一传统工艺对颗粒态污染物的去除效果较好，但对于溶解性有机物的去除效果有限。相比传统的化学混凝，电絮凝处理技术对一些溶解性有机物的去除效果更好，且无需投加化学药剂，具有设备简单、操作方便、反应迅速、产泥量少、无环境副作用等诸多优点，在污水处理中有着广泛的应用。为此，笔者基于课题组提出的臭氧混凝互促增效机制，将电絮凝与臭氧氧化进行耦合来强化去除有机物，构建了电凝聚臭氧化耦合工艺（E-HOC）中试系统。该工艺在一个处理流程中可完成氧化、凝聚、气浮、沉淀、脱色、除嗅、灭菌等多种功能，设备紧凑、装置简单、成本低廉。笔者探究了E-HOC工艺对污水厂新型一体化污水处理装置出水的处理特性，明确了工艺的关键影响参数和最佳运行条件，以期为城市污水厂深度处理和提标改造提供参考。
1、材料与方法
1.1 中试装置
E-HOC中试装置如图1所示。反应柱高为2.1m、外径为1m，材质为有机玻璃，主要由上部电诱导区、中部臭氧氧化区、下部沉淀区构成。原水由原水箱进入电诱导区，流经臭氧氧化区，再进入沉淀区，沉淀出水进入两级砂滤系统，浮渣由顶部排出，反应器底部进行排泥。
1.2 试验进水
试验进水为课题组在西安某污水厂开发的新型一体化污水处理装置出水，该装置由厌氧池、缺氧池、好氧池、预缺氧池、污泥浓缩池、两侧兼氧池和二沉池组合而成，主体工艺是A2/O与SBR串联而成的MSBR工艺，进水为污水厂曝气沉砂池出水，出水COD、TP分别在70~90、1.5~2.0mg/L左右。
1.3 分析项目与方法
pH采用精密酸度计测定；COD、TP、NH4+-N等常规水质指标均采用国家标准方法测定；Fe浓度采用邻菲啰啉分光光度法测定；三维荧光光谱采用荧光光谱仪（F-7000，Hitachi）测定。
2、结果与讨论
2.1 电极材料比选
在传统电絮凝工艺中，电极材料的选择对于体系的处理性能至关重要。本研究以铁或铝为电极材料，对比不同电极组合对E-HOC工艺处理效果的影响，结果见图2。可知，采用铁作为E-HOC工艺的阳极与阴极时处理效果最佳，COD和TP的去除率分别可达到60%和71%。原因是铁的电化学当量比铝大，因此在相同条件下铁电极的混凝效率更高；其次，铁阳极原位生成的溶解态Fe2+作为活化剂，与臭氧反应生成中间产物FeO2+，促进臭氧链式分解产生更多的羟基自由基，从而提高了体系的处理效果；另外，铝的氧化还原电位为-1.662V，而铁的为-0.447V，相比之下铁电极的电化学氧化能力更强。因此，选择铁极板作为E-HOC体系的阳极和阴极。
2.2 电流密度对COD和TP去除效果的影响
不同电流密度条件下，E-HOC工艺对COD和TP的去除情况如图3和图4所示。
由图3和图4可知，增加电流密度能显著提升E-HOC工艺对COD和TP的去除效果。然而，提高电流密度至4.88mA/cm2时，系统的处理效果提升不明显，原因是大电流密度下产生过量的金属盐混凝剂，胶体电性逆转发生再稳定现象，导致混凝效果提升不理想。同时，图3和图4表明，提升进水量至1.5m3/h以上时，对COD和TP的去除效果有所下降，这是因为大流量下反应时间剧减，体系不能完成完整的絮凝分离过程。此外，在4种电流密度条件下，E-HOC系统的COD最大承载负荷分别为82.28、82.42、102.05、114.05mg/（cm2·d），TP最大承载负荷分别为0.86、1.73、1.77、1.77mg/（cm2·d）。因此，为保证出水COD和TP浓度稳定达到准Ⅳ类地表水水质标准，系统的最大进水流量为1.0m3/h、最佳电流密度为3.66mA/cm2，此时COD和TP的平均去除率分别为67%和89%，COD和TP最大承载负荷分别为102.05mg/（cm2·d）和1.77mg/（cm2·d）。另外，E-HOC体系的进水总铁浓度为1.9mg/L，在4种电流密度下的出水总铁浓度分别为2.89、5.53、8.64、10.6mg/L，随着电流密度的增加，出水总铁浓度逐渐增加，但是在最佳电流密度条件下运行时，出水澄清无色，污泥为红褐色，出水总铁浓度相比进水没有增加太多而引起出水色度的增加。
2.3 臭氧投加量对COD和TP去除效果的影响
图5和图6为臭氧投加量对E-HOC工艺去除COD和TP效果的影响。可知，E-HOC工艺较单独电絮凝对COD和TP的去除效果有明显的提升。然而，高臭氧投加量会使得TP去除效果变差，而对COD的去除效果影响不大，这是因为TP主要通过絮凝作用去除，过量的臭氧会降低絮凝效果，而COD可以通过体系产生的·OH氧化去除。另外，当进水量提升至1.5m3/h以上时，COD和TP的去除率波动较大，这是因为进水量增加，反应时间变短，相同电流密度下产生的金属氢氧化物和聚合羟基配合物减少，体系中的臭氧相对过量，导致絮体形成缓慢滞后、沉降性能变差。此外，在4种臭氧投加量下，E-HOC系统的COD最大承载负荷分别为83.0、82.9、80.7、83.5mg/（cm2·d），TP最大承载负荷为1.70、1.72、2.63、1.74mg/（cm2·d），与不同电流密度下的最大承载负荷基本一致。因此，为保证出水COD和TP浓度稳定达到准Ⅳ类地表水水质标准，系统的最大进水流量为1.0m3/h、最佳臭氧投加量为6.8mg/L，此时系统对COD和TP的平均去除率分别为69%和86%，COD和TP的承载负荷分别为82.9mg/（cm2·d）和1.72mg/（cm2·d）。试验发现，E-HOC工艺不能有效去除氨氮，这是因为氨氮难以被臭氧氧化，后续可以通过与脱氮工艺联用来进一步去除氨氮。
2.4 三维荧光特性
E-HOC工艺和单独臭氧氧化处理前后污水的三维荧光特性如图7和图8所示。可知，原水中有两个明显的峰，A峰（λEx/λEm=220~250nm/380~450nm）代表富里酸类物质，是芳香基和烷烃结构，同时还含有大量的酚羟基、羰基等基团，亲水性强、分子质量小，在污水处理中很难被去除；B峰（λEx/λEm=250~300nm/325~400nm）代表溶解性微生物代谢产物。这说明原水中含有大量的富里酸类和溶解性微生物代谢产物类有机物，同时还含有一定数量的简单芳香蛋白和腐殖质等有机物。从图7和图8可以看出，相比于单独臭氧氧化，E-HOC体系对富里酸类和溶解性微生物代谢产物类有机物的去除效果显著。由于过滤不能去除溶解性有机物，因此过滤前后的荧光强度变化不大。
2.5 处理成本
E-HOC工艺的处理成本主要来自电极损耗和电费。极板采购于当地加工厂，每次更换极板的费用为350元，3个月更换一次，则处理1m3水消耗的铁板成本约为0.17元。系统用电设备主要有空气压缩机、冷冻干燥机、臭氧发生器、直流电源和增压泵，其额定功率分别为0.8、0.5、0.8、6.0、0.5kW。在最佳运行工况下，设备正常运行时实际每小时平均总用电量为3.8kW·h，工业用电价格按0.8元/（kW·h）计算，则设备用电费用为3.04元/m³。综上，E-HOC系统的处理成本为3.21元/m³。
3、结论
利用E-HOC工艺对新型一体化污水处理装置出水进行深度处理，采用铁板作为阳极和阴极时效果最优，系统的最佳运行工况如下：最大进水流量为1.0m3/h、电流密度为3.66mA/cm2、臭氧投加量为6.8mg/L，在该条件下，出水COD和TP浓度可达到准Ⅳ类地表水水质标准，去除率分别可达到69%和86%，体系的COD和TP最大承载负荷分别为82.9mg/（cm2·d）和1.72mg/（cm2·d）。此外，E-HOC系统对富里酸类和溶解性微生物代谢产物类有机物的去除效果显著。本研究可为城市污水厂准Ⅳ类水的提质增效处理提供参考。（来源：西安交通大学人居环境与建筑工程学院，西安市生态环境局莲湖分局环境监测站，中机国际工程设计研究院有限责任公司华东分院，西安建筑科技大学环境与市政工程学院）