化学强化一级处理（CEPT）技术

邱慎初
国家城市给水排水工程技术研究中心

　　一、前言

　　水是人类生存的基本条件，也是国民经济的生命线。我国河川多年平均径流量为2.62万亿立方米，居世界第六位。由于人口众多，水资源的人均占有量仅2392立方米/年，只有世界人均占有量的四分之一左右，居世界第110位，被列入世界13个贫水国家的名单。加上我国水资源时空分布极不均匀，水资源的供需矛盾突出，很多地区正面临着十分严重的水危机。目前全国668城市中有330多个城市缺水，其中108个城市严重缺水。同时必须指出，我国有限的水资源还受到严重水污染的威胁，我国江湖河库水域普遍受到不同程度的污染，淮河、辽河、海河、松化江以及太湖、巢湖、滇池等水域的污染都已十分严重，日益严重的水资源短缺和水环境污染不但严重困扰着国计民生，而且已经成为制约我国社会经济可持续发展的重要因素。因此，水问题将成为21世纪我国经济发展最突出的重大问题。如上所述，我国的水危机已经迫临，对此应有紧迫感，必须采取一切的有效措施和对策设法缓解水危机，作为缓解水危机的重要环节的节水工作是解决我国水危机的重要途径，其意义重大。
　　由于城市化和工业化的迅速发展，我国的污水排放量持续增加，1997年城市污水排放量为212×10⁸m³，处理率仅为13.7%，大部分污水未经处理直接排入水体，因此，提高城市污水处理率实已刻不容缓。
　　城市污水是水环境的主要污染源之一，如不妥善处理将使水资源受到严重破坏，节水目标无从实现。解决城市污水污染的主要途径除严格控制污染源外就是建设城市污水集中处理厂.近年来我国新建的城市污水处理厂多数是生物二级处理，由于二级处理的能耗和运行费用较高，致使部分污水处理厂建成后也无法正常运行。鉴于我国中小城镇多，污水排放量大，资金短缺，城市污水处理任务十分艰巨，可考虑先建一级处理再逐步完善二级处理。虽然一级处理的基建投资和运转费用较省，但去除效率低、环境效益差。近年来，为提高处理效果，城市污水强化一级处理技术的研究和应用在我国引起排水同行的关注。
　　不少排水工作者提出在近期内先建一级半处理厂，经过化学强化一级处理(投加化学药剂的强化一级处理)，以较少的投资削减较大的污染负荷，取得较好的投资环境效益，待有条件时再建成二级处理工艺。这种分阶段建设方案对我国更具有现实意义。

　　二、城市污水化学沉淀处理概况

　　1762年发现的化学沉淀，早在1870年在英国已成为一种确凿的污水处理方法。19世纪后期，英美等国已广泛采用化学沉淀方法处理污水，但不久即被生物处理所取代。到了20世纪80年代，鉴于多数场合下磷为水体富营养化的主要限制因素，为进一步提高污水中有机物和磷的去除程度，又开始重新重视化学沉淀.由此可见，近年来引进的“化学强化一级处理”（CEPT-Chemically Enhanced Primary Treatment）的概念可说是老技术的新发展。
　　化学强化一级处理与絮凝剂的发展密切相关，由于城市污水水量大，投加絮凝剂运行费用较高，过去在一级处理中应用较少。由于高效、廉价絮凝剂的出现，国外在城市污水处理中已经应用。如挪威、瑞典、芬兰、瑞士、加拿大以及美国的一些污水处理厂，对城市污水采用了化学处理方法。
　　在80年代，化学沉淀方法处理污水在Scandinavia半岛已较大规模地成为现实，而现在化学强化一级处理以及化学预处理与生物处理相结合的系统已得到广泛应用。
　　瑞典的IngemarKarlsson认为，如果传统生物处理的总效果与CEPT相比较，则生物处理仅BOD去除效果较好，在多数场合下，对于受纳水体而言，BOD的降低与水环境净化的其他方面要求相比就不显得那么重要了。瑞典的城市污水处理厂大部分都采用了化学处理(与生物处理联用)。CEPT以较低的投资费用可获得较好的污水净化效果。瑞典国家环境保护委员会曾对瑞典的污水处理费用进行评估，由于瑞典气候寒冷，化学药剂价格又比较低廉，而生物处理所需泥龄和水力停留时间较长，CEPT的基建投资费用和年费用分别约为传统生物处理的55%和65%。
　　Kalsson认为CEPT能耗也较传统生物处理为低，Scandinavia半岛由于经济上和处理效果方面的原因，在挪威和芬兰分别有50%以上和约三分之一的污水处理厂采用化学处理方法。以挪威最大的污水处理厂（OsloWest厂）为例，该厂的处理能力为4.8m³/s，这是单级的CEPT污水处理厂，当局要求该污水处理厂须去除70%以上的BOD负荷，磷的去除率须大于90%。从挪威87个化学法污水处理厂90年进出水的平均值来看，也能满足这一要求。对于敏感性水体，要求污水处理厂出水中有机物含量很低，则在化学处理之后需设置紧凑的生物处理。采用予沉淀技术，其BOD的去除可在较低的费用下达到与常规生物处理相同或更好的处理效果，而且磷的去除率将高达90%以上。这一予沉淀技术也可用于解决常规生物处理厂的超负荷问题。
　　瑞典有关部门曾对生物处理和化学处理中所需能量进行了比较，生物处理每降解1kgBOD₇需1.3kWh。絮凝剂生产的原料运输和形成最终产品所需能耗为每kg产品约0.3kWh，通常絮凝剂的投加量平均约为150g/m³，可见药耗费用远低于电耗。

　　三、化学沉淀处理与生物处理的组合方式

　　按化学药剂在污水处理过程中投加点的不同，化学沉淀处理主要有以下各种不同单元组合方式与生物处理结合使用：
　　1．单级化学强化一级处理(CEPT);
　　2．前置化学强化一级处理(CEPT)+生物处理；
　　3．协同沉淀(SimultaneousPrecipitation);
　　4．生物处理+后置化学沉淀(PostPrecipitation)。
　　以上组合见图1。
　　上述污水处理工艺中以前置CEPT和协同沉淀的应用较多，特别是前置CEPT更是令人注目。除以上组合外尚有其他组合方式，如CEPT与协同沉淀的联用，多点投药以及设置最终过滤等。

　　四、反应原理和药剂投量

　　以硫酸铝和三氯化铁混凝剂为例，金属盐与水中的磷酸盐、碱度的反应可有以下反应式表示：
　　三氯化铁混凝
　　主反应：FeCl₃+PO₄^-3→FePO₄↓+3Cl^-
　　次反应：2FeCl₃+3Ca(HCO₃)₂+2Fe(OH)₃↓+3CaCl₂+6CO₂硫酸铝混凝：
　　主反应：A1₂(S0₄)₃·14H₂O+2PO₄^-3→2A1PO₄↓+2SO₄^-3+14H₂O
　　次反应：Al₂(SO₄)₃·14H₂O+6HCO₃→2Al(OH)₃↓+3SO₄^-2+6CO₂+14H₂0
　　由此可见，化学强化一级处理（CETP）的投药剂量需服从污水中磷的去除要求，三价铝离子和三价铁离子都能与磷酸离子(PO₄^-3)作用而生成难溶性的沉淀物（AlPO₄或FePO₄），因此，通过去除这些难溶沉淀物的方法就可去除磷，从化学反应的观点来看，三价金属离子和磷酸离子是以等摩尔进行反应，所以混凝剂的投加量应取决于磷的存在量.但是化学药剂的实际投加量总是大于根据化学剂量关系预测的药剂投量。这是因为污水中的氢氧根离子与混凝剂反应而生成氢氧化物，损失了相当数量混凝剂的结果。虽然氢氧化物也能形成絮体，特别能吸附SS，从而可去除SS中所含的磷，但不能去除可溶性的正磷等。

　　对特定的污水，金属盐的投加量需通过试验确定。使用化学强化一级处理（CEPT）需按摩尔比投加化学药剂，进水TP浓度和期望的除磷率不同，相应的投加量也不同，出水TP浓度为0.5～1.0mg/L时，典型的金属盐投加量变化范围是1.0～2.0mol金属盐/mol磷去除；要求出水TP浓度低于0.5mg/L，所需投加量明显增大。根据化学计量关系计算，去除1mg磷所需金属盐投加量为9.6mg硫酸铝和5.2mg三氯化铁。
　　工业三氯化铁和硫酸铝的特性与药剂投加量如下：
　　三氯化铁投加量:
　　分子量:162.3
　　假设液态氯化铁的FeCl₃的含量为30%，则容重1.342kg/L，即0.403kgFeCl₃/L
　　理论投药量为1molFeCl₃/molP或5.235kgFeCl₃/kgP
　　假定特定污水所需药剂投加量为1.5molFeCl₃/molP
　　则每kg磷所需的三氯化铁溶液投加量为：
　　5.235×1.5÷0.403=19.5LFeCl₃溶液/kgP
　　如果污水处理厂进水浓度=3～7mgP/L，每m³进水所需的FeCl₃溶液投加量为：
　　0.003～0.007kgP/m³×19.5LFeCl₃溶液/kgP=0.06～0.14L/m³
　　硫酸铝投药量：
　　分子量:594.3
　　假设硫酸铝溶液的浓度为49%Al₂(SO₄)₃·14H₂O或4.37%Al
　　容重：1.33kg/L，含铝量：0.058kgAl/L
　　理论投药量=1molAl/molP或0.5mol硫酸铝/molP=0.87kgAl/kgP
　　假定特定污水所需的药剂投加量为1.5molAl/molP，每kgP所需硫酸铝溶液投加量为：
　　0.87×1.5÷0.058=22.5L/kgP
　　污水处理厂进水TP浓度=3～7mg/L，每m³进水所需的硫酸铝溶液投加量为：
　　0.003～0.007kgP/m³×22.5L硫酸铝溶液/kgP=0.07～0.16L/m³
　　投加高分子助凝剂可提高金属盐的除磷性能，阴离子型高分子投加量一般为0.1～0.25mg/L。

　　五. 城市污水化学强化一级处理（CEPT）的应用条件和前景

　　城市污水化学强化一级处理的应用条件和前景与诸多因素有关，如处理效果、药剂的种类，剂量、污泥产量及其处理处置问题等。
　　CEPT法对悬浮固体、胶体物质和磷的去除具有明显效果。一般可去除悬浮固体达90%，BOD50%～70%，COD50%～60%，细菌80%-90%，总磷80%-90%。而使用常规一沉池时，其去除率为：悬浮固体50%～60%，BOD25%～40%，总磷10%，CEPT能降低后续生物处理的负荷和电耗，推迟生化处理构筑物的建设、运行稳定、所需生化池容积较小、节省用地和造价，而且近期投资环境效益较好(与一沉池比较)。
　　国内外的实际运行经验表明，采用生物除磷(AO)方法，磷的去除量一般约为BOD₅去除量的3.5～4.5%(泥龄5～20天)，其MLSS中的磷含量平均为5%，出水中颗粒性磷的含量取决于出水中的SS(10mg/L的SS含磷量为0.5mg/L)，一般单采用生物除磷工艺很难满足出水含磷量低于1.0mg/L的排放要求。化学强化一级处理（CEPT）的除磷效率将高于生物除磷。一般情况下，出水TP含量可满足1mg/L的排放要求（二级标准），当CEPT结合后续生物处理时，出水的TP含量可望满足0.5mg/L的排放要求(一级标准)。因此，在处理工艺的评价和选用中，对CEPT法的关注很有必要。尽管如此，国内外学者对城市污水CEPT处理工艺的看法并不一致，现对其中大家关心的几个问题探讨如下：
　　1．关于运行费用
　　污水的运行维护费用是整个化学处理系统的重要组成部分，其费用分析须在处理工艺评估时加以确定，并在运行过程中进行检测。运行费用包括投加的药剂、电耗、人工、维护以及污泥处理处置所增加的费用。其中，药剂费用所占比例较大，如酸洗废液有可靠来源，由于其费用明显低于其他絮凝剂，运行费用可望降低。
　　关于药剂费用，设进水TP含量为3～7mg/L，要求出水TP为1mg/L时，则FeCl₃溶液投加量为0.06～0.14L/m³污水，工业三氯化铁价格从每吨1000元至1500元不等，据悉，天津自来水公司下属药剂厂生产的三氯化铁的内部价格约为每吨600元（供下属自来水厂使用）。如每吨三氯化铁价格以1200元计，相当于每m³约1600元。则每m³污水所需药剂费约为0.10～0.22元人民币，加上所增加的化学污泥处理处置和其他费用，经粗略估计，每m³污水的运行费用约为0.25～0.35元（若采用硫酸铝溶液所需费用更大），这一费用相当可观，已高于或接近生物二级处理每m³污水所需的经营成本（约0.3元），这是城市污水处理厂所难以承受的。
　　2．化学污泥的处理和处置
　　采用化学处理的污水厂，其污泥产量将明显增大，产量可通过工艺计量学关系作初步估算。在初沉池投加化学药剂，初沉池产泥量将增加50%～100％，如设后续生物处理，则全厂污泥总量增加60%～70%。在二沉池投药，活性污泥量增加35～45%，全厂污泥量将增加10～25%。化学药剂的投加会使沉淀污泥的产量增加、浓度降低，污泥体积增大，因此，使污泥处理处置的难度增加。在采用CEPT时除了考虑药剂费用外，还要考虑污泥的处理处置费用。
　　污水的化学处理增加了处理处置的污泥量，因此污泥浓缩、脱水和消化设施的规模均需相应增大。其中，对所产生污泥的浓缩和脱水性能以及因污水投加化学药剂后可能对污泥消化在挥发性固体降解率和沼气产率方面有无不利影响，需进行深入研究。
　　总的来说，对于城市污水处理厂，金属盐的投加及所增加的污泥处理处置所需费用相当可观，对此需引起足够的重视。
　　3．前置CEPT的碳氮比（BOD₅/TN）
　　化学强化一级处理（CEPT）一般需设置后续的生物处理，由于氮是水体富营养化的主要限制因素之一，化学强化一级处理（CEPT）和常规生物处理均不能有效地去除氮，CEPT与脱氮生物处理相结合，可形成除磷脱氮系统。但化学强化一级处理（CEPT）的BOD₅去除率约为50～70%，而氮的去除率约20%，往往会因碳源不足使碳氮比失调，对后续生物脱氮工艺的反硝化过程不利。这一问题与AB法的A段对后续生物除磷脱氮系统的影响非常相似，有必要进行分析探讨：
　　由于CEPT强化除磷，出水中的溶解性BOD₅浓度基本未降，如果仅提供硝酸盐作为生物量代谢活动的电子受体，理论上BOD₅/TN值必须大于2.86。许多专家学者认为进入反硝化区的废水，其BOD₅/TN值应大于3。但是仅使用原污水的BOD₅/TN值评价污水的反硝化性能是不合理的。其中可获得的BOD₅值与需反硝化去除的氮量值之比，即ΔBOD₅/ΔN值，是影响反硝化的决定性因素。
　　设剩余污泥中氮的含量按所去除BOD₅量的5%计，CEPT段BOD₅和TN去除率分别为40～60%和20%，整个工艺TN的去除率为80%，则当原水BOD₅/TN值为4～6时，经计算（略）前置CEPT工艺的ΔBOD₅/ΔN与BOD₅/TN的关系分别为：
　　CEPT的BOD₅去除率为40%：ΔBOD₅/ΔN=0.94～0.98BOD₅/TN
　　CEPT的BOD₅去除率为50%：ΔBOD₅/ΔN=0.77～0.80BOD₅/TN
　　CEPT的BOD₅去除率为60%：ΔBOD₅/ΔN=0.61～0.63BOD₅/TN
　　从以上结果可以看出CEPT的BOD₅去除率的变化对这两者间的关系有明显影响，能否使ΔBOD₅/ΔN满足3的需要，主要取决于CEPT段的BOD₅的去除率和原污水的BOD₅/TN值。根据上述关系，只有CEPT的BOD₅去除率为60%而原水BOD₅/TN值在4以下时，不能满足ΔBOD₅/ΔN值为3的要求。因此，需根据污水特性和处理要求将CEPT段的BOD₅去除程度控制在一定的限制水平上。如果原污水的BOD₅/TN值很低，脱氮要求又较高时，前置CEPT工艺就不适宜了。
　　4.CEPT与水体富营养化的主要限制因素
　　如上所述，对于内陆水体，磷是水体富营养化的主要限制因素，大家已没有什么异议，但对于近海水域富营养化的主要限制因素是磷还是氮，各国学者意见不一，一般认为磷是温带海湾以及大多数热带海域富营养化的限制因素。据资料报道，香港大学曾对我国南方海域水体中赤潮的发生和消散进行了试验研究，结果显示氮、磷是海域赤潮生物生长的主要因子，其中以磷的影响更甚。但对于某些滨海区和海湾（如美国沿大西洋和太平洋的水域）其使藻类繁殖的赤潮的产生通常受到氮的限制。在此情况下，CEPT只能用作强化预处理，减少有机污染。

　　六、生产性运行实例

　　国内城市污水化学除磷尚无生产性成功实例，但在一些发达国家化学除磷技术得到了广泛应用，采用在一级和二级处理工艺中投加金属盐药剂，可满足1mg/L的月均出水排放要求。工程实践表明，在金属盐投加之后增加出水过滤，出水TP达到0.2mg/L。由于目前可在有关文献资料和手册中查到许多化学沉淀的生产运行实例，本文只介绍两个美国的生产实例如下:
　　1. South Shore (Milwaukee，Wisconsin)污水处理厂
　　该污水厂是前置化学强化一级处理（CEPT）工艺在生产应用中的一个成功实例，污水厂具有一级和二级处理设施，峰值流量757000m³／d，采用金属盐除磷。该厂接纳的污水主要是生活和商业污水，进水水量378500m³／d，BOD₅138mg/L，SS169mg/L，TP5mg/L。该厂出水排放要求为(月均值)：BOD₅30mg/L，SS30mg/L，TP1mg/L。
　　该污水处理厂的进水经一级处理后进入推流式活性污泥处理系统，生物处理出水经消毒后排到密执根湖。酸洗废液所含的铁主要是硫酸亚铁，采用加氯法氧化酸洗废液中的亚铁，然后将其投加到初沉池。运行经验表明加氯氧化是必要的，只有这样才能使投加的铁盐得到有效的利用。该厂的剩余污泥经缩后与一沉污泥一起进行厌氧消化处理，消化污泥在污泥塘存贮之后农用。污泥塘的上清液回流到处理厂前端。铁盐（酸洗废液）的剂量为每mgP投加1mgFe/L，该处理厂出水TP低于1mg/L。
　　运行结果表明，在一沉池前投药有两个好处：（1）增加了易处理的一沉污泥量；（2）由于大部分磷在一沉污泥中排除，从而使活性污泥混合液磷的含量降低，改善了流量生物处理系统的工作状况。
　　另外经观察，投加铁盐对厌氧消化池的产气或污泥塘的上清液的质量并无不利影响。总之，由于这种投药方式对污泥处理系统的影响较小，在South Shore污水处理厂使用效果良好，因此采用前置化学强化一级处理（CEPT）工艺。
　　2.Jones Island (Milwaukee，Wisconsin)污水处理厂
　　JonesIsland污水处理厂是活性污泥法二级处理厂投加金属盐除磷的成功实例。由于洗涤剂含磷量的控制、以及污水中有机物含量高而磷含量低的工业废水所占比重较大等原因，该处理厂的进水磷浓度较低；免费提供的酸洗废液有效地降低了出水磷浓度。虽然污泥产生量有所增加，但处理厂有足够的处理能力。
　　Jones Island污水处理厂采用化学除磷，其峰值流量为1130000m³／d，该厂的排放标准为(月均值)：BOD₅30mg/L，SS30mg/L，TPl.0mg/L。污水处理厂的进水经过粗格栅、沉砂池和细格栅之后，分流到两组推流式曝气池中，第一组接纳60％的进水，第二组接纳40%的污水．第一组投加酸洗废液(硫酸亚铁溶液)，在曝气池中亚铁氧化成高铁，产生磷酸盐沉淀物，第一组的剩余污泥送到第二组，剩余污泥所含的剩余铁盐作为第二组的除磷铁源。真空过滤的滤液含有较多的铁盐(来自污泥的氯化铁调治)，也回流到第二组，这两组的处理出水经消毒后排放到密执根湖。
　　第二组的剩余话泥采用重力浓缩和真空过滤脱水。脱水污泥经干化打包之后，作为土壤调节剂和肥料出售。
　　JonesIsland污水处理厂于1979年污泥处理系统改造之后，污水厂出水水质基本上能连续达标。1985～1986年的进水平均水质水量为进水流量520000m³/d，BOD₅260mg/L，SS210mg/L，TP5mg/L；出水TP均在1mg/L以下。

　　七、结语

　　CEPT（包括前置CEPT）工艺对TP、SS、BOD和重金属等的处理效果较好，耐冲击负荷的的能力也较强。系统的基建投资、占地面积小于活性污泥法（包括A/O，A/A/O等工艺），而且运行管理灵活简便、处理过程稳定可靠、近期投资环境效益好。在我国应用该项技术的主要问题是药剂价格昂贵、运行费用较高、污泥的处理处置的难度较大。因此大家对该项工艺的实用性及其发展前途存在疑虑和担心。从我国国情和地方经济状况出发，除酸洗废液有可靠来源的地区外，现阶段还难以在我国城市污水处理厂推广应用。
　　因此，除严格控制污染源外，须加强这方面的科学研究工作，积极解决以上影响CEPT技术应用的主要障碍因素，特别是需加强高效廉价药剂的研制，力求降低投药费用和减少污泥量，为该项技术在生产上应用创造有利条件。此外还需经过对比试验和工程实例剖析，对前置CEPT和协同沉淀以其它活性污泥除磷脱氮系统作出全面的技术经济比较，得出可靠结果。

参考文献
[1] Ingemar Karlsson (kemiraKemwater, Stockholm, Sweden), “Chemical Sewage Treatmentin Combination with and without Biological Treatment”, Proceeding of International Conference on Waterand Wastewater, Beijing, China, July12～16, 1994.
[2] Glen T. Dagger and Thomas W. Sigmund, “Design and Operation of Chemical Phosphorus Removal Facilities”, Phosphorus and Nitrogen Removal From Municipal Wastewater-Principles and Practice, Second Edition, 1991.
[3] Mogens Henze, et al, “Wastewater Treatment – Biological and Chemical Process” Second Edition, 1996.
[4] "Proceedings of International Conference on Waterand Wastewater." July11-15, 1989 Beijing, China.
[5] "Proceedings of 4^th CIWEM/JSWA Technology Exchange Workshop on New Process Technology/Systems in Wastewater Treatment Management." November 6-7, 1995, Tepia Hall, Tokyo, Japan.
[6] "Water Environment Purificationand Microbiology of Wastewater Treatment", China Architectural Engineering Press, 1988.
[7] 郑兴灿，李亚新编著，污水除磷脱氮技术，中国建筑工业出版社，1998.
[8] “水工业及学科体系论文集”，中国，北京，1998.
[9] “水工业与可持续发展论文集”，清华大学出版社，1998.
[10] “水工业的学科体系建设研究”中国土木工程学会给水排水学会，1999.