题目：Combined chemically enhanced primary sedimentation and biofiltration process for low cost municipal wastewater treatment

原文作者：Athanasios Bezirgiannidis,

Aikaterini Plesia-Efstathopoulou,

Spyridon Ntougias amp; Paraschos Melidis

单位： Laboratory of Wastewater Management and Treatment Technologies, Department of Environmental Engineering, Democritus University of Thrace, Xanthi, Greece

化学强化的初级沉淀和生物滤池工艺相结合，

用于低成本市政污水处理

Athanasios Bezirgiannidis, Aikaterini Plesia-Efstathopoulou, Spyridon Ntougias , and Paraschos Melidis

Laboratory of Wastewater Management and Treatment Technologies, Department of Environmental Engineering, Democritus University of Thrace, Xanthi, Greece

摘要：废水处理的主要目标是从市政和工业废水中去除碳和其他养分，以保护环境和人类健康。典型的废水处理通常通过物理，化学和生物方法的组合来实现。在这项工作中，使用化学增强的初级处理（CEPT）结合中试滴滤池对市政废水进行了净化。为了确定化学药品的最佳用量，进行了实验室规模的实验（Jar试验）。选择标准是有机负荷去除效率和低运营成本。通过添加聚氯化铝（PAC）和添加阳离子聚电解质（Zetag 8180）进行混凝-絮凝过程。通过组合CEPT和滴滤池，tCOD（总化学需氧量），sCOD（可溶性化学需氧量），BOD₅（5天生化需氧量），NH₄ -N，TSS（总悬浮固体），VSS（挥发性悬浮固体）和PO₄^3--P的去除效率估计分别为89%，82%，93%，60%，96%，96%和78%。结论是生物过滤在营养去除过程中起了重要作用。此外，所获得的废水中的碳含量低，氮含量高，可以在消毒后用于限制灌溉，符合希腊联合部长令145116/2011中设定的排放限值。

关键词：化学强化初级治疗（CEPT）； 固定化生物质 滴滤器 生物过滤 废水回用

1.简介

废水处理是最重要的环境工程技术之一。 人口快速增长和经济发展的结果是对水的需求增加。因此，废水回用是必不可少的，回收的处理过的水可以用于灌溉以及不可饮用的工业和清洁^[1,2]。废水回用被认为是合理利用地球上有限的淡水资源的一项战略政策 ^[3]，由于对废水回用规定了严格的限制，在下游应用中使用经过处理的废水的适当解决方案甚至更加复杂^[4]。

就能源消耗和温室气体排放而言，典型的废水处理方法是不可持续的。 活性污泥法是工业和市政废水处理中使用最广泛的方法。该方法的主要缺点是对氧气的高且连续的需求，这使其成本很高。因此，迫切需要找到一种高性能，高性能和低运营成本的环保解决方案^[5]。

与传统的一级处理相比，化学强化一级处理（CEPT）是一种替代性废水处理方法^[6]。在废水的二次处理生物处理之前经常被用作准备阶段的废水处理^[7] 。CEPT包括凝结，絮凝和沉淀过程，旨在形成致密，致密的颗粒，从而改善污泥的沉降。与典型的初级治疗相比，CEPT可以通过调整化学药品的剂量轻松适应流速和温度变化^[8]。这样可以减少沉淀池中的水力停留时间（HRT），从而可以维持更高的进水流量^[9]，并需要较小的占地面积。通常用作CEPT凝结剂的化学物质是金属盐，例如氯化铁或硫酸铁和硫酸铝或氯化物盐^[9,10]。阴离子，阳离子或非离子聚合物通常可用作凝结助剂^[11] 。CEPT的主要缺点是化学药品的成本，因此有必要通过jar-test优化来限制剂量。另一种降低剂量成本的实用方法可以是从CEPT沉淀的污泥中回收凝结剂，该污泥中含有大量的coagu-lant^[12]。 Ayoub等人^[7]发现回收的凝结剂和新鲜的凝结剂在去除效率上略有不同。

滴滤池是具有固定生物膜载体的附着生长生物系统，在废水处理中可以是一种经济高效的替代方案^[13]。生物过滤器由反应器组成，该反应器装有高比表面积的材料，例如岩石，砾石，熔岩，陶瓷或塑料。滴滤过滤器的优点是设计简单，易于构造，空间小和能源需求。由于操作和维护成本低，滴滤池也被认为是具有成本效益的废水处理方法^[14,15]。传统的滴滤池需要在介质内部供气，以保持有氧条件并实现更高的去除效率^[16]。相比之下，基于通过生物反应器自然通风的被动曝气滴滤池可降低能耗和运营成本^[17]。

在本研究中，评估了由CEPT和滴滤器组成的中试规模废水处理厂的性能，其中通过在广口瓶试验中确定市政废水中COD去除效率来初步优化化学剂量。

2材料和方法

2.1废水收集与组成

来自Xanthi市的废水处理厂（WWTP）的原废水经过筛网和沉砂室后被收集在一个储罐中。收集是在中午12:00 pm至13:00 am之间的中午进行的，以便接收组成大致恒定的高强度废水。表1列出了污水的特性。

2.2罐子测试

为了找到合适的化学剂量，在六个每个2 L体积的矩形玻璃烧杯中进行了一系列的广口瓶测试。测试的混凝剂剂量为10、20、40、80和100mg/L聚氯化铝（PAC）。在200rpm的快速混合过程中施加PAC，并在50rpm的缓慢混合下进行絮凝20分钟。样品最终沉降1.5小时。为了提高系统性能，添加了阳离子聚电解质Zetag8180作为助凝剂，以增强絮凝作用。测试的剂量为0.5、1、1.5和2mg/L。经过数据评估后，将10mg/LPAC和1.5 mg/L聚电解质的组合用于中试规模装置的进一步实验^[18]。

2.3中试装置

在Xanthi市的污水处理厂建立了一个连续流中试规模的装置，该装置包括一个CEPT系统，该系统包括一个储罐（1m³），快速混合罐，絮凝池和沉淀池以及一个生物 滴滤池，并带有一个二级沉淀池（图1）。CEPT系统的流量为12 L / h，并在快速混合罐（有效体积为0.2L）中加入10mg/L PAC，该混合罐在1分钟的HRT下运行，同时使用了聚电解质Zetag 8180 在缓慢混合罐（有效容积为6 L）中，HRT为0.5 h。使用1.5h的HRT，在容量为18L且表面积为0.152m²的水箱中实现了污泥沉降。 将废水从主沉淀池以1.5 L/h的流速泵入体积为13 L且表面积为0.017 m²的滴滤池中。滴滤池中装有直径25mm的拉西环。将8升容量的第二个沉淀池放在滴滤池的出口处。

从进水（原始废水），CEPT和滴滤池的出水中分别采集抓取样品，以评估系统性能。还进行了不使用化学物质的实验，以检查滴滤滤池在初次沉淀后是否能够处理市政废水。 样品的分析在色雷斯德Demo克利特大学环境工程系废水管理和处理技术实验室进行。

图1.中试规模单元的流程图。

图2. CEPT和滴滤后的去除效率。

3分析方法

通过分析进水和出水样品来检查CEPT和滴滤池性能。 进行的理化分析是基于“水和废水检查的标准方法”^[19]。TKN（凯氏总氮）的测定和NH₄ -N的浓度是根据凯氏氮和铵N蒸馏法确定的。用万通632和Crison CM35探针分别记录pH和电导率（EC）。

4结果和讨论

CEPT后污染物参数得到改善，COD，BOD₅，NH₄ -N，TSS，VSS和PO₄^3- -P的去除效率分别为62％，56％，14％，72％，71％和71％（图2）。各自的总去除效率（CEPT和TF）分别为89％，94％，60％，96％，96％和78％。中试规模装置的废水的特征在于tCOD为53plusmn;15mg/L，sCOD为40plusmn;13mg/L和BOD₅为21plusmn;5 mg/L。此外，总悬浮固体和挥发性固体分别等于11plusmn;4和7plusmn;2mg/L。

表2给出了具有类似流程图的系统性能的比较评估

如表2所示，CEPT，TF的性能优于CEPTFUASB（上流式厌氧污泥毯）配置，除磷效果不同。 与单独的CEPT相比，确定了共同检查的污染物参数的去除效率更高（与预期一致）。最后，在Kuai等人的研究中^[21]，这是唯一使用相同流程图的研究，记录了与当前研究相似的COD和TSS去除效率，尽管在该研究中确定了较低的PO₄^3- -P去除效率。这归因于较低的絮凝剂浓度，以便在生物过滤过程中保留残留的磷以便微生物同化。

4.1除碳

在De Feo等人的研究中^[6]，对PAC和其他絮凝剂进行了比较，以找到最有效的化学品。PAC表现出更好的性能，导致平均COD去除率为68％，而简单的一次沉淀的特征在于去除效率为38％，这与当前研究确定的COD去除效率（59％COD去除率一致CEPT之后）。这些值的微小差异是由于我们决定降低絮凝剂用量以降低化学品成本所致。此外，李等人^[20]使用粉煤灰作为絮凝剂可降低CEPT工艺中化学品的成本，从而使COD去除效率达到62％，这与本研究计算的结果相似。同样，Kuai等人^[21]据报道，絮凝（使用聚电解质）和滴滤（生物滤池中填充了粉末状活性炭）后，总COD去除率为89％（废水COD为55plusmn;22 mg/L）。在其他使用CEPT的研究中^[25,26]，获得的去除效率低于本研究确定的去除效率。

CEPT和滴滤生物滤池后的BOD去除效率估计分别等于55-60和94％（图3）。 同样，在由CEPT和UASB组成的装置中^[23]， CEPT的BOD去除效率为50-70％，这与当前研究的结果一致。中试规模的生物滤池处理生活废水^[15]的BOD去除效率为85.6％，显示出废水浓度为13.68 mg/L，相同的COD去除效率（即86％）低于该水平。 在本研究中检测到。

4.2去除固体

与其他研究相比，该研究实现的固体去除率最高（表2）。 CEPT和生物过滤后去除的总固体分别为72％和96％，这表明生物过滤器和第二个沉淀池对保留悬浮固体的贡献很大（图4）。

Sarparastzadeh等人^[4] 用硫酸铝和氯化铁作为混凝剂对市政废水进行预处理。氯化铁去除了48％的固体，而硫酸铝的使用使TSS去除效率达到了69％，这与本研究确定的效率相似。Aiyuk等 ^[24]使用由CEPT和UASB组成的单元，显示TSS去除率为85％，比本研究报道的少10％。

4.3除磷

通过广口瓶试验，PAC剂量超过20mg/L可以完全去除磷，而在10mg/L的剂量下可以观察到有效的磷去除（82％PO4^{3 -}-P去除）。然而，CEPT应用后获得的低浓度废水的进一步生物处理需要足够的磷浓度。因此，选择10mg/L PAC是为了实现有效的生物处理并保持尽可能低的运行成本。如图5所示，正磷酸盐的去除率为78％，其中71％的减少发生在CEPT过程中。 陆等^[22] 用聚氯化铝和聚二甲基二烯丙基氯化铵制成的复合絮凝剂处理市政废水。他们实现了80％的除磷效果，略高于当前研究中确定的除磷率。这是由于我们决定将残留的磷留给生物滤池过程。

4.4脱氮

这种富含氮的废水的生产非常适合用于

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