新型污水处理厂处理工艺中化学强化一级处理和高效活性污泥的综合比较外文翻译资料

 2023-03-28 11:43:26

新型污水处理厂处理工艺中化学强化一级处理和高效活性污泥的综合比较

作者：Anton Taboada-Santosa,*, Enrique Rivadullab , Lidia Paredesa , Marta Carballaa, Jesuacute;s Romaldeb , Juan M. Lemaa

摘要：

新型污水处理厂（WWTPs）的设计比传统工厂更节能，提高能效的一种方法是通过化学强化一级处理工艺（CEPT）或高效活性污泥法（HRA）预浓缩有机碳。本研究从能源需求、运营成本、有机微污染物（OMP）和病毒去除效率等方面对这些方法进行了比较。CEPT中试点装置以30分钟的水力停留时间（HRT）运行，实验室规模的HRA反应器以2小时的HRT和1天的固体停留时间（SRT）连续模式运行。最低剂量为150 mg/L三氯化铁（FeCl3）需要达到阈值化学需氧量（COD）-氨氮比低于2 g COD / 1 g氨氮（满足部分硝化厌氧氨氧化反应器的要求），达到高磷酸盐（PO43-的去除效率（gt;99%）。由于进水COD部分氧化（15%），HRA反应器中的COD回收率略低。通过在澄清池中添加30 mg/L FeCl3，HRA配置中实现的较低PO43-去除效率（13%）可以提高至与CEPT中实现的相当的值。CEPT配置的能耗较低（0.07 vs 0.13 kWh/m3废水），但运行成本明显高于基于HRA的配置（6.0 vs 3.8 ceuro;/m3废水）。对于kbiol（生物转化动力学常数）gt;10 L/gVSS·d的OMPs，HRA（80-90%）的去除效率比CEPT（4-55%）高出很多。对于其余的OMPs，HRAS的生物转化效率通常高于CEPT，但在两种配置中均低于55%。最后，CEPT去除病毒的效率低于HRAS。对于新型污水处理厂中的COD预浓缩，HRAS和FeCl3的后期处理似乎比CEPT更有效。

关键词：化学强化一级处理；能源需求；高效活性污泥；运营成本；有机微污染物；病毒清除

1.导言

几十年来，传统的污水处理厂（WWTP）已成功地用于去除城市污水中的污染物，如有机物、悬浮固体和营养物质，从而防止地表水污染。然而，有潜力开发新一代更节能的污水处理厂（Gikas，2017年；Siegrist等人，2008年）。

新一代污水处理厂（简称新型污水处理厂）可降低高达60%的曝气需求（Gu等人，2017年；van Loosdrecht 和 Brdjanovic，2014年；Wan等人，2016年）。通过这些新策略，建议在第一阶段最大限度地回收有机碳，然后使用部分短程硝化厌氧氨氧化（PN-AMX）装置去除氨氮（NH4 ）。有机碳被回收为污泥，随后在厌氧消化（AD）中用于生产沼气。可采用各种预浓缩替代方案用于最大化学需氧量（COD）回收，如化学强化一级处理（CEPT）（Jang等人，2017；Li等人，2017）或高效活性污泥（HRA）（Ge等人，2017；Jimenez等人，2015）。

然而，新型WWTPS的设计不仅要考虑能源使用和成本，还要考虑环境和健康方面。2015年，联合国成员国通过了《2030年可持续发展议程》，以解决发展的社会、经济和环境问题。议程中的17个目标之一涉及“清洁水和卫生”，特别是“通过减少污染、消除和减少倾倒危险化学品来改善水质”。同样，欧洲水资源创新伙伴关系（水资源，2015年）在其战略实施计划（EIP Water，2015年）中确定了水资源领域的八个优先领域。水和废水处理是这些优先领域之一，消除新出现的污染物是水处理的目标之一。

因此，瑞士等一些国家已经为污水处理厂废水设定了有机微污染物（OMP）排放阈值（GSchVSchweiz，2016年）。类似地，奥地利、德国和荷兰等其他国家也在考虑在废水处理过程中加强OMPs的去除，以实现80%的总体去除率（Benstoem等人，2017年）。

有很多关于在好氧条件下去除OMPs的研究，水力停留时间（HRT）和固体停留时间（SRT）等因素被确定为控制OMP去除效率的关键因素（Clara等人，2005年；Fernandez Fontaina等人，2016年；Radjenovic等人，2009年；Santos等人，2009年）。HRAS技术的特点是HRT（0.25-4 h）和SRT（0.5-2 d）（Ge等，2017年；Jimenez等，2015年）远低于传统活性污泥（CAS）反应器（12-24 h HRT和10 d以上SRT）（Santos等，2009年；Suarez等，2010年），预计会导致OMP去除效率显著降低。关于CEPT，报告的OMP去除效率存在相当大的争议；一些作者发现，CEPT有助于去除絮凝体中沉淀的某些化合物（Asakura和Matsuto，2009年；Carballa等人，2005年；Suarez等人，2009年），而其他人则报告没有显著的去除效果（Taboada Santos等人，2019；Westerhoff等人，2005年）。报告不同的原因仍在讨论中，从废水的物理化学特性来看，pH值、碱度、温度、油脂或溶解有机物，可能对OMP的去除产生积极或消极的影响（Luo等人，2014年；Suarez等人，2009年）。

另一个新出现的话题是污水处理厂废水中是否存在病毒，因为传统污水处理厂无法充分去除病毒病原体（Da Silva等人，2007年）。诺如病毒（NoV）（杯状病毒科）被认为是全世界急性散发性和流行性胃肠炎的主要病原体（Atmar和Estes，2006年；Koopmans和Duizer，2004年；Rodriacute;guez-Lazaro等人，2012年）。同样，扎如病毒（杯状病毒科）（Sav）等病毒。

2.2. 化学强化一级处理

2.2.1. 杯罐试验

根据Carballa等人（2005）描述的方案，使用1L容器在杯罐试验设备中进行CEPT测试分析，但在这种情况下，pH没有中和。

对两种广泛用于混凝过程的混凝剂进行了评估，即氯化铁（FeCl3，Sigma-Aldrich，CAS号10025-77-1）和硫酸铁（Fe2（SO4）3 Sigma-Aldrich，CAS号15244-10-7）（Jang等人，2017；Liang等人，2019）。试验包括在加入混凝剂后进行3分钟的快速搅拌（150 rpm），然后进行5分钟的缓慢搅拌（50 rpm）以破乳和絮凝，最后进行30分钟的静置以分离絮体，然后收集500 mL上清液进行表征。在25℃条件下，研究了混凝剂用量（0-300 mg/L）对pH值以及去除TSS、VSS、CODtot、CODsol、IC、NH4 -N和PO43--P的影响。

2.2.2. 连续中试装置

Suarez等人（2009年）描述的试验工厂由三个主要部分组成；（i）一个 4.4 L带定速搅拌器的混凝池；（ii）配有调速搅拌器的一个15 L的絮凝池；（iii）一个35 L的带有10块不锈钢板（AISI-304）的层状沉淀池。根据批量试验结果，选择了最佳混凝剂和投加量。在持续添加FeCl3（从杯罐试验中选择）的情况下，废水流速固定在70 L/min，并在层状沉淀池部分达到30 min的HRT。在中试装置稳定运行90 min（相当于3个 HRT）后，对废水进行取样，并根据pH、CODtot、CODsol、TSS、VSS、NH4 -N、PO43--P、IC、OMP和病毒浓度对其进行表征。根据公式（1）计算COD去除率。对于该系统，由于未发生氧化，因此假设COD回收率等于COD去除率。

[1]

其中：

CODinf：进水中的COD浓度。

CODeff：出水中的COD浓度。

2.3. HRAS反应堆

将从西班牙马德里污水处理厂的异养活性污泥反应器中收集的污泥接种到与1L沉淀池耦合的2L连续搅拌槽反应器中，并接种2.5-3 d SRT。其HRT为2小时（加上沉淀池中的1小时）。目标SRT为1d，这是通过排出沉淀池底部的污泥来控制的（每天10次）。溶解氧（DO）浓度保持在3至3.5 mg O2/L之间（Ge等人，2017年），无需温度或pH控制。接种后，反应器运行80天（污泥驯化15天，稳态运行65天）。反应器中的污泥浓度保持在2至3 g VSS/L之间。每天刮除反应器壁，以去除最终可能会增加有效SRT的生物膜。

每天对反应器的进水和出水进行取样，并根据pH、CODtot、CODsol、TSS、VSS、NH4 -N、PO43--P和IC进行表征，每天使用公式（1）计算COD去除率。每天收集污泥，每五天根据COD、TSS和VSS对其进行表征。按照公式（2）计算五天内的COD回收率。

[2]

其中：

Vsl：五天内的累积污泥量（L）。

CODsl：总污泥COD（g/L）。

Vinf：每天流入反应器的废水量（L）。

CODinf：废水总COD（每天测量，g/L）。

最后，根据式（3）计算COD氧化率：

[3]

在运行的第18、33、48和63天对进水和出水中的OMP进行采样。在第18天和第48天进行病毒取样。第18天，收集来自HRAS反应器的废水，并在杯罐实验装置中使用FeCl3（0-30 mg/L）进行处理，如第2.4.1节所述，以评估对PO43-、OMP和病毒去除效率的影响。

每天还对污泥进行取样，并根据CODtot、TSS和VSS对其进行表征。根据COD平衡计算氧化为CO2的COD分数，考虑到流入反应器的COD、污泥中回收的COD和出水中的COD。

2.4. 能量评价

CODtot为500 mg/L、NH4 浓度为25-30 mg NH4 -N/L的典型中等浓度城市废水被作为分析依据（Metcalf和Eddy，2003；Wan 等人，2016）。在沼气生产线中，假设甲烷燃烧热为11 kWh/m3（N）CH4（Perry，1984年），热电联产电机的电效率（eta;）为0.35（Mills等人，2014年）。不同技术的能耗如表1所示。

为了确定每个配置中预期的甲烷产量，使用AMPTS II设备（生物过程控制）对不同污泥（CEPT中试装置连续运行产生的污泥和HRAS反应器排泥产生的污泥）进行生物甲烷势（BMP）测试。按照Taboada Santos等人（2019b）描述的方案，在2 L瓶子（1.9 L工作体积）中进行试验，进行三组平行实验，ISR（接种物与底物的VSS比率）为2。接种物是来自中温污水污泥厌氧消化池的厌氧絮凝剂污泥浓度（15-20 g VS/L）。厌氧生物降解性（AB）表示为基质初始COD转化为甲烷的百分比。试验结束时，打开瓶子，测量pH值和挥发性脂肪酸（VFA）浓度，以确认是否发生酸化。

2.5. 经济评价

经济评估（De Feo等人，2008年；STOWA，2010年）中考虑了FeCl3和电力成本分别为220 euro;/ton和0.12 euro;/kWh，并假设消化污泥堆肥的卫生成本为80 euro;/ton TS（管理公司，2019年）。公式（4）-（6）用于评估消化污泥产量。

[4]

[5]

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