陳進(jìn)斌，曹軍瑞，苗英霞，謝寶龍，馬曉蕾，任華峰

(自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)人口的逐漸增多，城市生活污水造成的污染問(wèn)題也日益突顯[1-3]。隨著環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，全國(guó)各地都在逐漸提高城鎮(zhèn)污水處理廠的出水排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠氮、磷等污染物的排放提出了更高的要求，由于城市的快速擴(kuò)張導(dǎo)致城鎮(zhèn)污水處理廠難以有富裕的土地進(jìn)行改擴(kuò)建去應(yīng)對(duì)更高的環(huán)保要求，因此如何在不增加水力停留時(shí)間的前提下提高污水處理廠對(duì)城市生活污水的處理效果從而使污水處理廠的出水能夠滿(mǎn)足新的排放標(biāo)準(zhǔn)成為當(dāng)前研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)[4-7]。

硅藻土的主要成分是含水的無(wú)定形的SiO2，具有孔隙率大、滲透性強(qiáng)、比表面積大、熔點(diǎn)高、熱穩(wěn)定性好等特性，因而具有較強(qiáng)的吸附能力及過(guò)濾性能，再加上其成本低以及易分離等特點(diǎn)，從而使其在水處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。將硅藻土有針對(duì)性的進(jìn)行改性后可吸附污水中的重金屬以及難降解的有機(jī)物等，擴(kuò)展了硅藻土在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，因此改性硅藻土在水處理領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景[8-10]。

研究將改性后硅藻土加入處理城市生活污水的CAST裝置中，以期在不增加水力停留時(shí)間的前提下提高CAST系統(tǒng)對(duì)城市生活污水的處理效果，為城市生活污水處理廠的提標(biāo)改造提供一種新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水樣，取自天津某污水處理廠調(diào)節(jié)池；硅藻土，云南某選礦廠；活性污泥，取自天津某污水處理廠污泥回流池。

1.2 方法

1.2.1 硅藻土的改性

將硅藻土置于220 ℃下干燥2 h，冷卻后按照1 ∶6的質(zhì)量比浸泡于pH值為0.1的鹽酸中，并攪拌酸洗6 h，用蒸餾水將硅藻土洗至中性后置于105 ℃下干燥4 h，然后研磨并過(guò)0.15 mm，最后按照20 ∶3 ∶1的質(zhì)量比與聚合氯化鋁、氯化鐵混合制得改性硅藻土[11-13]。

1.2.2 改性硅藻土耦合CAST工藝

試驗(yàn)用CAST裝置為實(shí)驗(yàn)室自制，如圖1所示。該裝置的總?cè)莘e為20 L，根據(jù)城市生活污水的水質(zhì)特征，將CAST裝置的一個(gè)運(yùn)行周期為8 h，進(jìn)水+反應(yīng)5 h(其中,進(jìn)水約0.25 h)，靜置沉淀2 h，排水0.25 h，閑置0.75 h，每個(gè)運(yùn)行周期排水4 L。

圖1 CAST裝置圖Fig.1 The diagram of cyclic activated sludge technology device

將取自污水處理廠的活性污泥投加到CAST裝置中，然后采用試驗(yàn)用城市生活污水作為進(jìn)水對(duì)CAST裝置進(jìn)行調(diào)試，待系統(tǒng)出水指標(biāo)穩(wěn)定后進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

(1)傳統(tǒng)CAST工藝對(duì)城市生活污水的處理效果。將CAST裝置置于溫度穩(wěn)定在28 ℃的室內(nèi)，待裝置穩(wěn)定運(yùn)行后連續(xù)運(yùn)行20 d，每天測(cè)定進(jìn)出水中的COD、氨氮、總氮和總磷含量。

(2)改性硅藻土耦合CAST工藝處理城市生活污水的效果。將400 g改性硅藻土投入到裝置主反應(yīng)區(qū)，每個(gè)運(yùn)行周期進(jìn)水時(shí)補(bǔ)加80 g改性硅藻土，在室內(nèi)溫度為28 ℃的條件下穩(wěn)定運(yùn)行后連續(xù)運(yùn)行20 d，每天測(cè)定進(jìn)出水中的COD、氨氮、總氮和總磷含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)果

2.1.1 改性硅藻土耦合CAST工藝對(duì)城市生活污水中COD的去除效果(如圖2)

圖2 改性硅藻土耦合CAST工藝對(duì)COD的去除效果Fig.2 The reduction rate of COD by modified diatomite and CAST reactor

改性硅藻土能夠提高CAST工藝對(duì)城市生活污水中COD的去除效果，CAST裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，8 h運(yùn)行周期條件下，對(duì)COD的去除率維持在88%以上，出水COD濃度低于40 mg/L，滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，與不添加改性硅藻土相比，CAST裝置對(duì)COD的去除率可提高2%以上。

2.1.2 改性硅藻土耦合CAST工藝對(duì)城市生活污水中氨氮的去除效果(如圖3)

改性硅藻土能夠提高CAST工藝對(duì)城市生活污水中氨氮的去除效果，CAST裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，8 h運(yùn)行周期條件下，對(duì)氨氮的去除率維持在87%以上，出水氨氮濃度低于5 mg/L，滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，與不添加改性硅藻土相比，CAST裝置對(duì)氨氮的去除率可提高2%以上。

2.1.3 改性硅藻土耦合CAST工藝對(duì)城市生活污水中總氮的去除效果(如圖4)

改性硅藻土能夠明顯提高CAST工藝對(duì)城市生活污水中總氮的去除效果，CAST裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，8 h運(yùn)行周期條件下，對(duì)總氮的去除率維持在64%以上，出水總氮濃度低于15 mg/L，滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，與不添加改性硅藻土相比，CAST裝置對(duì)總氮的去除率可提高11%以上。

圖3 改性硅藻土耦合CAST工藝對(duì)氨氮的去除效果Fig.3 The reduction rate of ammonia nitrogen by modified diatomite and CAST reactor

圖4 改性硅藻土耦合CAST工藝對(duì)總氮的去除效果Fig.4 The reduction rate of total nitrogen by modified diatomite and CAST reactor

2.1.4 改性硅藻土耦合CAST工藝對(duì)城市生活污水中總磷的去除效果(如圖5)

圖5 改性硅藻土耦合CAST工藝對(duì)總磷的去除效果Fig.5 The reduction rate of total phosphorus by modified diatomite and CAST reactor

改性硅藻土能夠明顯提高CAST工藝對(duì)城市生活污水中總磷的去除效果，CAST裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，8 h運(yùn)行周期條件下，對(duì)總磷的去除率維持在83%以上，出水總磷濃度低于0.5 mg/L，滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；與不添加改性硅藻土相比，CAST裝置對(duì)總磷的去除率可提高23%以上。

2.2 討論

添加改性硅藻土能夠提高CAST裝置對(duì)城市生活污水中COD、氨氮、總氮和總磷的去除效果：

(1)改性后的硅藻土具有強(qiáng)大的吸附能力，在吸附城市生活污水中的污染物的同時(shí)能夠?qū)AST裝置中的活性污泥聚集在一起，增強(qiáng)活性污泥的沉降性能，提高CAST裝置對(duì)城市生活污水中污染物的的去除效率；

(2)與天然硅藻土相比，改性后的硅藻土表面積和孔隙度均大幅增加，使得改性硅藻土具有優(yōu)異的吸附無(wú)機(jī)離子與有機(jī)質(zhì)的能力；同時(shí)硅藻土多孔的特性也為活性污泥中的微生物提供了優(yōu)異的載體，提高了CAST裝置中活性污泥的濃度，從而使得改性硅藻土強(qiáng)化后的CAST工藝對(duì)COD、總氮等的去除率得以大幅提升；

(3)在硅藻土改性過(guò)程中，聚合氯化鋁、氯化鐵中含有的Al3+、Fe3+在硅藻土表面發(fā)生水解反應(yīng)并生成羥基氧化物，這些羥基氧化物在中性的水環(huán)境中帶正電荷，可中和帶有負(fù)電荷的磷酸根的膠體顆粒，從而使其沉降下來(lái)隨CAST裝置中的污泥一起排出，最終達(dá)到提高CAST裝置對(duì)城市生活污水中總磷去除率的目的[14-15]。

3 結(jié)論

與單純采用CAST工藝處理城市生活污水相比，采用添加2%改性硅藻土的CAST工藝對(duì)城市生活污水中COD、氨氮、總氮和總磷的去除效率分別提高了2%、2%、11%和23%以上，且將裝置出水COD、氨氮、總氮和總磷等指標(biāo)的濃度由滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)提高到滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。