改性硅藻土耦合CAST工艺处理城市生活污水的研究

陈进斌，曹军瑞，苗英霞，谢宝龙，马晓蕾，任华峰

(自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

随着我国城镇人口的逐渐增多，城市生活污水造成的污染问题也日益突显[1-3]。随着环保意识的逐渐增强，全国各地都在逐渐提高城镇污水处理厂的出水排放标准，对城镇污水处理厂氮、磷等污染物的排放提出了更高的要求，由于城市的快速扩张导致城镇污水处理厂难以有富裕的土地进行改扩建去应对更高的环保要求，因此如何在不增加水力停留时间的前提下提高污水处理厂对城市生活污水的处理效果从而使污水处理厂的出水能够满足新的排放标准成为当前研究的难点和热点[4-7]。

硅藻土的主要成分是含水的无定形的SiO2，具有孔隙率大、渗透性强、比表面积大、熔点高、热稳定性好等特性，因而具有较强的吸附能力及过滤性能，再加上其成本低以及易分离等特点，从而使其在水处理领域得到了广泛的应用。将硅藻土有针对性的进行改性后可吸附污水中的重金属以及难降解的有机物等，扩展了硅藻土在水处理领域的应用范围，因此改性硅藻土在水处理领域具有较好的应用前景[8-10]。

研究将改性后硅藻土加入处理城市生活污水的CAST装置中，以期在不增加水力停留时间的前提下提高CAST系统对城市生活污水的处理效果，为城市生活污水处理厂的提标改造提供一种新思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水样，取自天津某污水处理厂调节池；硅藻土，云南某选矿厂；活性污泥，取自天津某污水处理厂污泥回流池。

1.2 方法

1.2.1 硅藻土的改性

将硅藻土置于220 ℃下干燥2 h，冷却后按照1 ∶6的质量比浸泡于pH值为0.1的盐酸中，并搅拌酸洗6 h，用蒸馏水将硅藻土洗至中性后置于105 ℃下干燥4 h，然后研磨并过0.15 mm，最后按照20 ∶3 ∶1的质量比与聚合氯化铝、氯化铁混合制得改性硅藻土[11-13]。

1.2.2 改性硅藻土耦合CAST工艺

试验用CAST装置为实验室自制，如图1所示。该装置的总容积为20 L，根据城市生活污水的水质特征，将CAST装置的一个运行周期为8 h，进水+反应5 h(其中,进水约0.25 h)，静置沉淀2 h，排水0.25 h，闲置0.75 h，每个运行周期排水4 L。

图1 CAST装置图Fig.1 The diagram of cyclic activated sludge technology device

将取自污水处理厂的活性污泥投加到CAST装置中，然后采用试验用城市生活污水作为进水对CAST装置进行调试，待系统出水指标稳定后进行后续试验。

(1)传统CAST工艺对城市生活污水的处理效果。将CAST装置置于温度稳定在28 ℃的室内，待装置稳定运行后连续运行20 d，每天测定进出水中的COD、氨氮、总氮和总磷含量。

(2)改性硅藻土耦合CAST工艺处理城市生活污水的效果。将400 g改性硅藻土投入到装置主反应区，每个运行周期进水时补加80 g改性硅藻土，在室内温度为28 ℃的条件下稳定运行后连续运行20 d，每天测定进出水中的COD、氨氮、总氮和总磷含量。

2 结果与讨论

2.1 结果

2.1.1 改性硅藻土耦合CAST工艺对城市生活污水中COD的去除效果(如图2)

图2 改性硅藻土耦合CAST工艺对COD的去除效果Fig.2 The reduction rate of COD by modified diatomite and CAST reactor

改性硅藻土能够提高CAST工艺对城市生活污水中COD的去除效果，CAST装置稳定运行后，8 h运行周期条件下，对COD的去除率维持在88%以上，出水COD浓度低于40 mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准，与不添加改性硅藻土相比，CAST装置对COD的去除率可提高2%以上。

2.1.2 改性硅藻土耦合CAST工艺对城市生活污水中氨氮的去除效果(如图3)

改性硅藻土能够提高CAST工艺对城市生活污水中氨氮的去除效果，CAST装置稳定运行后，8 h运行周期条件下，对氨氮的去除率维持在87%以上，出水氨氮浓度低于5 mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准，与不添加改性硅藻土相比，CAST装置对氨氮的去除率可提高2%以上。

2.1.3 改性硅藻土耦合CAST工艺对城市生活污水中总氮的去除效果(如图4)

改性硅藻土能够明显提高CAST工艺对城市生活污水中总氮的去除效果，CAST装置稳定运行后，8 h运行周期条件下，对总氮的去除率维持在64%以上，出水总氮浓度低于15 mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准，与不添加改性硅藻土相比，CAST装置对总氮的去除率可提高11%以上。

图3 改性硅藻土耦合CAST工艺对氨氮的去除效果Fig.3 The reduction rate of ammonia nitrogen by modified diatomite and CAST reactor

图4 改性硅藻土耦合CAST工艺对总氮的去除效果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工艺对城市生活污水中总磷的去除效果(如图5)

图5 改性硅藻土耦合CAST工艺对总磷的去除效果Fig.5 The reduction rate of total phosphorus by modified diatomite and CAST reactor

改性硅藻土能够明显提高CAST工艺对城市生活污水中总磷的去除效果，CAST装置稳定运行后，8 h运行周期条件下，对总磷的去除率维持在83%以上，出水总磷浓度低于0.5 mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准；与不添加改性硅藻土相比，CAST装置对总磷的去除率可提高23%以上。

2.2 讨论

添加改性硅藻土能够提高CAST装置对城市生活污水中COD、氨氮、总氮和总磷的去除效果：

(1)改性后的硅藻土具有强大的吸附能力，在吸附城市生活污水中的污染物的同时能够将CAST装置中的活性污泥聚集在一起，增强活性污泥的沉降性能，提高CAST装置对城市生活污水中污染物的的去除效率；

(2)与天然硅藻土相比，改性后的硅藻土表面积和孔隙度均大幅增加，使得改性硅藻土具有优异的吸附无机离子与有机质的能力；同时硅藻土多孔的特性也为活性污泥中的微生物提供了优异的载体，提高了CAST装置中活性污泥的浓度，从而使得改性硅藻土强化后的CAST工艺对COD、总氮等的去除率得以大幅提升；

(3)在硅藻土改性过程中，聚合氯化铝、氯化铁中含有的Al3+、Fe3+在硅藻土表面发生水解反应并生成羟基氧化物，这些羟基氧化物在中性的水环境中带正电荷，可中和带有负电荷的磷酸根的胶体颗粒，从而使其沉降下来随CAST装置中的污泥一起排出，最终达到提高CAST装置对城市生活污水中总磷去除率的目的[14-15]。

3 结论

与单纯采用CAST工艺处理城市生活污水相比，采用添加2%改性硅藻土的CAST工艺对城市生活污水中COD、氨氮、总氮和总磷的去除效率分别提高了2%、2%、11%和23%以上，且将装置出水COD、氨氮、总氮和总磷等指标的浓度由满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准提高到满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准。