新型污水處理沉淀過濾技術(shù)研究進(jìn)展
1 固液分離技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
污水處理中，待分離體系的分離負(fù)荷和平均粒徑 大小決 定了分離技術(shù)的選 擇 及 其 成 本 。 傳統(tǒng)沉淀過濾技術(shù)成本較低，但可承受負(fù)荷和 分離精度也較低。 膜技術(shù)分離精度高，出水水質(zhì)好， 但運(yùn)行成本高，可承受負(fù)荷低。 新型固液分離技術(shù)，如微砂沉淀、硅藻土、磁分離、動(dòng)態(tài)砂濾、濾布濾池等， 著眼于尋求分離效率、分離精度及運(yùn)行成本之間的平衡，以實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化。
2 沉淀技術(shù)的進(jìn)展
污水處理中沉淀過程用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)水顆粒物與水 的分離。 主要沉淀技術(shù)的典型分離負(fù)荷， 負(fù)荷值的提高代表了沉淀技術(shù)的進(jìn)步。 混凝技術(shù)提高了普通沉淀技術(shù)的分離精度，硅藻土技術(shù)進(jìn)一步提升分離精度及負(fù)荷，而磁分離和微砂沉淀技術(shù)借助物理作用不僅使分離負(fù)荷 提升了數(shù)十倍，分離精度較硅藻土也有加強(qiáng)?？傮w而言，隨著污水成分日益復(fù)雜、污水排放要求更加嚴(yán)格，傳統(tǒng)沉淀技術(shù)在截留污染物尺寸和分離效率等方面已無(wú)法滿足要求。新型沉淀技術(shù)的開發(fā)研究目前主要集中在提升分離速度和去除率上，依靠高效凝聚藥劑或物化方法提高固液密度差而達(dá)到目的。
2. 1 硅藻土技術(shù)
硅藻土是一種由古地質(zhì)時(shí)期的硅藻、放射蟲或海綿等遺體堆積并經(jīng)初步成巖作用而成的硅質(zhì)沉積巖， 由具有多級(jí)、大量、有序排列微孔結(jié)構(gòu)的硅質(zhì)壁殼組成，主要利用水解后的靜電作用促進(jìn)體系中膠體脫穩(wěn)凝集而實(shí)現(xiàn)沉淀分離。 硅藻土的微孔結(jié)構(gòu)還可吸附病毒、細(xì)微顆粒、重金屬以及溶解性物質(zhì)，特定裝置中的硅藻土懸浮層還能實(shí)現(xiàn)部分過濾作用。
將活化硅藻土處理印染廢水，COD 去除率達(dá) 74%，色度去除率達(dá) 94%。 蔣小紅等［19］ 研究 認(rèn)為出水水質(zhì)要求不高時(shí)改性硅藻土可單獨(dú)處理城 市生活污水，添加生物膜或氧化塘等生物后處理裝置 可進(jìn)一步提高出水水質(zhì)。 河南永城市第一污水處理 廠采用“A /O + 硅藻土”協(xié)同處理工藝，硅藻土投加量 40 mg /L，提高了污泥沉降性能，縮短了生化停留時(shí) 間，節(jié)省占地面積，運(yùn)行成本約 0. 4 元/t，日處理污水量達(dá)1萬(wàn)t，出水指標(biāo)達(dá) GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn) 定運(yùn)行。 硅藻土技術(shù)在處理機(jī)理、影響因素及其 控制、改性方式優(yōu)化和硅藻污泥后處理等方面還有很多研究和發(fā)展空間。 硅藻土技術(shù)提供了一條混凝吸 附過程相結(jié)合的固液分離思路。
2. 2 磁分離技術(shù)
磁分離技術(shù)是借助外加磁場(chǎng)并(或) 利用磁性接 種技術(shù)使水中不同磁凝聚性組分凝聚成較大團(tuán)塊以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化沉淀分離的一種新興技術(shù)，20 世紀(jì) 60 年代 開始應(yīng)用于水處理工程。 污水中部分微生物受到磁場(chǎng)抑制或激發(fā)作用，可提高水處理微生物活性，從而 強(qiáng)化污水處理效果。分離后磁化污泥中的磁性接種物可經(jīng)處理后回收再利用，剩余污泥另外單獨(dú)處理。 按照水處理工藝分，磁分離技術(shù)可分為直接磁分離法、間接磁分離法和微生物磁分離法 3 種 ; 按照裝置 原理，又可分為磁絮凝分離、高梯度磁分離和磁盤分 離 3 種。 經(jīng) 20 多年發(fā)展，磁分離技術(shù)主要應(yīng)用于生 活污水、食品廢水、含油廢水及印染廢水等處理，具有 處理效率高、設(shè)備體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)費(fèi)用低、占 地少等特點(diǎn)，工藝技術(shù)相對(duì)完整，并建立了磁過濾理論體系。
磁分離技術(shù)對(duì)磷的去 除，將沉淀時(shí)間縮短到化學(xué)沉淀的 1 /48，具 有 藥 劑 省、分離速度快的優(yōu)點(diǎn)。采用氧化 －磁 種混凝－高梯度磁分離技術(shù)對(duì)印染廢水進(jìn)行處理，反應(yīng)穩(wěn)定時(shí)磁粉投加量為 150～200 mg /L，色度和 COD去除率均優(yōu)于國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。 磁分離與絮凝技 術(shù)結(jié)合可提高系統(tǒng)分離效率。 目前，美國(guó)有 15 000 t / d 市政污水處理采用磁絮凝沉淀技術(shù)。
2. 3 微砂沉淀技術(shù)
微砂沉淀工藝(Actiflo) 由法國(guó) Veolia 集團(tuán) OTV 公司在 20 世紀(jì) 80 年代初開發(fā)，主要用于去除水中懸 浮物、濁度、色度、藻類、鐵、錳以及顆粒態(tài)有機(jī)物。 該 工藝?yán)梦⑸芭c高分子絮凝劑共同作用，使污染物與 微砂聚合成直徑 150 μm 以上的大顆粒絮體而加速沉淀分離，同時(shí)結(jié)合斜板沉淀原理減少沉淀池面積及 沉淀時(shí)間，保持良好穩(wěn)定的出水效果 。
含微砂污泥沉淀后部分循環(huán)，在水力旋流器中實(shí)現(xiàn)泥 砂分離和微砂回用。 微砂沉淀工藝具有水力負(fù)荷高、占地面積小、啟動(dòng)快、SS 去除率高、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)和出水水質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。
3 過濾技術(shù)的進(jìn)展
以砂濾技術(shù)為代表的傳統(tǒng)過濾技術(shù)利用石英砂 等粒狀濾料層截留水中懸浮雜質(zhì)，有較長(zhǎng)應(yīng)用歷史。 但由于受過濾介質(zhì)和沖洗方式限制，長(zhǎng)時(shí)間污水截留 率有限、運(yùn)行效率低、能耗大、更換周期短。 表 2 總結(jié) 了典型過濾技術(shù)的分離負(fù)荷。 結(jié)合表 2 和圖 1 分析， 混凝技術(shù)也能提升傳統(tǒng)過濾技術(shù)的分離精度，動(dòng)態(tài)砂 過濾技術(shù)通過實(shí)現(xiàn)連續(xù)過濾而將分離負(fù)荷提升至傳 統(tǒng)技術(shù)的 2 倍，動(dòng)態(tài)膜和濾布濾池技術(shù)對(duì)分離效率和 分離精度的提升作用均十分明顯。 膜技術(shù)的分離精 度最高，但是分離負(fù)荷及處理成本成為了目前該技術(shù) 廣泛使用的限制因素。這也促使研究者們向過濾精 度高、處理速度快的新型過濾技術(shù)展開諸多探索。
3. 1 傳統(tǒng)過濾技術(shù)的改進(jìn)——?jiǎng)討B(tài)砂過濾技術(shù)
動(dòng)態(tài)砂過濾系統(tǒng)是一種結(jié)合生物作用的改良連續(xù)砂濾器，通過同步過濾和反沖洗實(shí)現(xiàn) 24h 連續(xù)不停 機(jī)工作，主要應(yīng)用于各類給水過濾處理、污水深度處 理和城市及工業(yè)水回用處理等。 該系統(tǒng)主要利用逆 流原理使進(jìn)水通過底部布水器自下而上流經(jīng)動(dòng)態(tài)砂 過濾床，濾床截留污染物，頂部溢流清水，臟砂借助氣體在頂部洗砂器中紊流和機(jī)械碰撞作用實(shí)現(xiàn)反沖洗， 洗凈濾砂重力回流至砂床。其主要特點(diǎn)有 :
1) 立式結(jié)構(gòu)緊湊且處理規(guī)模大;
2) 過濾作用與生物凈化作 用結(jié)合;
3) 連續(xù)自清洗，無(wú)需停機(jī);
4) SS 負(fù)荷適應(yīng)性 強(qiáng)，處理效果穩(wěn)定;
5) 運(yùn)行成本低，維修保養(yǎng)少，高度自動(dòng)化。
采用 DynaSand 活性砂過濾器對(duì)北京北小河污水處理廠二沉池出水進(jìn)行深度處理中試，設(shè)計(jì)運(yùn)行處理水量 6 m3 /h，濾速 8. 5 m /h，處理后各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于 GB 18920—2002《城市雜用水水質(zhì) 標(biāo) 準(zhǔn)》的 要 求。 Hultman和 Plaza 等分別通過實(shí)驗(yàn)證明了 DynaSand 活性砂過濾器 也是一種高效同步脫氮除磷裝置，可將出水中總磷和 總氮分別降到 0. 1 ～0. 2 mg /L 和2～3 mg /L。荷蘭 De Groote Lucht 污水廠采用活性砂過濾進(jìn)行脫氮處 理，濾床內(nèi)維持厭氧環(huán)境，投加甲醇作為碳源，反硝化 菌附著生長(zhǎng)在砂粒表面和濾床細(xì)孔中。 該 廠從1999 年開始連續(xù)運(yùn)行，2002 年出水中 TN、NO3－－N、 TSS 和 COD 質(zhì)量濃度分別為 5. 0， 2. 97，4. 17， 39. 9 mg /L，藥劑費(fèi)用 (0. 68 歐元/kg) 和污泥處理費(fèi)(0. 32 歐元/kg) 占總運(yùn)行費(fèi)用的 60%。 動(dòng)態(tài)砂過濾 工藝在脫氮處理中尋求廉價(jià)外加碳源物質(zhì)以及自碳 源濾料的開發(fā)研究是重要的研究方向。
3. 2 膜技術(shù)進(jìn)展
膜分離技術(shù)近年來(lái)在國(guó)內(nèi)污水處理領(lǐng)域發(fā)展迅 速，主要使用壓力差驅(qū)動(dòng)的膜分離過程。 依據(jù)膜孔尺 寸及 分 離 物 粒 徑范圍可分為微濾 ( Microfiltration，MF)、超濾 ( Ultrafiltration，UF)、納 濾 ( Nanofiltration，NF) 和反滲透(Ｒeverse Osmosis，ＲO) 4 種類型。微濾(MF) 和超濾 ( UF) 是世界上開發(fā)應(yīng)用最早的分離膜。 目前，我國(guó)微濾和超濾技術(shù)大約占我國(guó)膜 工業(yè)年產(chǎn)值的 1 /5［39］。 微濾膜和超濾膜技術(shù)在生活 污水和工業(yè)廢水回用、MBＲ、深度預(yù)處理工藝等方面 已有廣泛應(yīng)用研究。目前 MBＲ工藝中基本使用微濾 膜，MBＲ 也因具有出水水質(zhì)良好、設(shè)備緊湊、運(yùn)行管理方便、剩余污泥產(chǎn)量少等特點(diǎn)近年來(lái)得到迅速發(fā)展。
納濾(NF) 膜是在 20 世紀(jì) 80 年代末期發(fā)展起來(lái)的一種截留分子量為 200 ～2 000 Da 的新型分離膜。反滲透(ＲO) 膜是 20 世紀(jì) 50 年代開發(fā)的具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)、孔徑＜ 2 nm 的分離膜，操作壓力在0. 8~7. 5 MPa。反滲透技術(shù)和納濾膜技術(shù)多用來(lái)實(shí)現(xiàn)生活污水及工業(yè)廢水的深度處理及回用、海水及苦咸水 淡化和工農(nóng)業(yè)廢水有用資源濃縮回收等。
膜分離過程的優(yōu)點(diǎn)在于物料無(wú)相變，能耗低，分離精度高，適用范圍廣，裝置簡(jiǎn)單緊湊、占地小、易控 制等，但被截留物質(zhì)堵塞引起的膜污染問題及膜的使 用維護(hù)成本是制約膜技術(shù)廣泛應(yīng)用的主要障礙。 如何有效降低膜技術(shù)使用成本、提升膜技術(shù)分離負(fù)荷決 定了膜技術(shù)在未來(lái)污水處理領(lǐng)域的市場(chǎng)，也吸引了研 究者的廣泛關(guān)注。
3. 3 平衡分離精度與負(fù)荷的新型過濾技術(shù)
3. 3. 1 動(dòng)態(tài)膜技術(shù)
動(dòng)態(tài)膜(Dynamic Membrane，DM)，也稱動(dòng)態(tài)形成膜 ( Dynamically Formed Membrane ) 或 原 位 形 成 膜 (Formed-in-place Membrane)，通過過濾含成膜物質(zhì)溶液而在多孔基材表面形成。常見基材包括尼龍篩網(wǎng)、篩絹、無(wú)紡布、不銹鋼網(wǎng)等，氟石、硅藻土、高嶺土、 頁(yè)硅酸鹽、熟石灰等礦物為常見的成膜物質(zhì)。動(dòng)態(tài)膜根據(jù)形成方式可分為預(yù)涂動(dòng)態(tài)膜 (Pre-coated DM) 和自生動(dòng)態(tài)膜 (Self-forming DM)。動(dòng)態(tài)膜研究源自反 滲透的預(yù)涂動(dòng)態(tài)膜，至 20 世紀(jì) 90 年代開始有針對(duì)自 生動(dòng)態(tài)膜的超濾、微濾研究，主要用于生物、食品領(lǐng)域 強(qiáng)化過濾效果。 自生動(dòng)態(tài)膜以其價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)逐漸成為研究主流熱點(diǎn)。 近年來(lái)，動(dòng)態(tài)膜技術(shù) 結(jié)合 MBＲ的基本原理發(fā)展出了動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器技 術(shù)，以活性污泥形成的動(dòng)態(tài)膜取代傳統(tǒng)微濾或超濾膜 實(shí)現(xiàn)固液分離。動(dòng)態(tài)膜基材主要采用微米級(jí)孔徑的 微網(wǎng)材料，與活性污泥平均粒徑相仿，但動(dòng)態(tài)膜形成 后截留能力可達(dá)到微濾或超濾水平。常見的動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器均為自生動(dòng)態(tài)膜過程。
Yosshiaki Kiso 等以尼龍網(wǎng)為基材，利用孔徑 100 μm 動(dòng)態(tài)膜小試反應(yīng)器處理合成廢水，在連續(xù)進(jìn)出水和曝氣條件下出水 SS和BOD 分別小于1. 5 mg /L 和5. 0 mg /L，在間歇曝氣條件下 TN 去除率達(dá) 80%。 范彬等利用普通篩絹為基材，動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器 處理污水廠生活污水，SS 去除率近 100%，出水 COD 去除率大于 80%，氨氮去除率達(dá) 96% 以上。馬強(qiáng)等利用無(wú)紡布為基材的動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器處理公路 服務(wù)區(qū)生活污水，處理量達(dá) 150 m3 /d，穩(wěn)定運(yùn)行 1 年 后 SS 和 COD 去除率均達(dá) 95% 以上，氨氮去除率達(dá)78%，出水水質(zhì)符合 GB 8978—1996《污水綜合排放 標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。動(dòng)態(tài)膜反應(yīng)器較傳統(tǒng) MBＲ 的優(yōu)勢(shì) 在于 :
1) 重力出水，節(jié)約能耗;
2) 出水通量高，水質(zhì)良好;
3) 基材廉價(jià)易得，經(jīng)濟(jì)性好;
4) 易清洗再生。動(dòng)態(tài)膜基材、運(yùn)行過程控制的優(yōu)化和動(dòng)態(tài)膜形成機(jī)理等方面的研究是動(dòng)態(tài)膜水處理領(lǐng)域未來(lái)較為重要的方向。
3. 3. 2 濾布濾池技術(shù)
濾布濾池 ( Cloth-media Filtration) 又稱為纖維轉(zhuǎn)盤過濾器，是一種過濾等級(jí)為5 ～10 μm 的表面過濾 裝置。濾布濾池系統(tǒng)比普通砂濾處理效果好，水質(zhì)水量穩(wěn)定，能耗低(高程損失僅為 0. 3 m)，反沖洗時(shí)間短，占地面積小 (僅為常規(guī)工藝的 1 /2)，維護(hù)使用簡(jiǎn) 便。 一些歐美國(guó)家已將該工藝作為城市污水深度處理單元。我國(guó)江蘇省在太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠提 標(biāo)升級(jí)時(shí)曾大力推廣該系統(tǒng)。
濾布濾池采用過濾轉(zhuǎn)盤外包濾布來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)過濾介質(zhì)，沿過濾方向分別為纖維毛層及大孔隙支撐 層。 過濾組件包括中心軸、過濾轉(zhuǎn)盤、反沖洗系統(tǒng)、污泥去除系統(tǒng)、中心傳動(dòng)系統(tǒng)及支架支撐系統(tǒng) (如圖 4 所示)。進(jìn)水利用重力流入濾池并壓過濾布，部分較輕的污泥吸附于濾布外側(cè)形成泥餅從而可部分提升過濾效果，較重的污泥利用斗型池底排出濾池，濾布 過濾阻力增加到一定液位時(shí)利用吸泥裝置進(jìn)行反沖 洗。針對(duì)進(jìn)水中含油或黏度高時(shí)對(duì)過濾介質(zhì)的改進(jìn) 可能是這類濾池未來(lái)主要的研發(fā)方向。
采用濾布濾池系統(tǒng)對(duì)污水處理廠二 級(jí)出水進(jìn)行深度處理，TP 和COD 平均去除率為28. 8% 和 8%，混凝劑氯化鐵強(qiáng)化處理后 TP 和 SS 平 均去除率提高到 63. 6% 和 70. 7%。 司妮娜等［43］ 采 用混凝－微濾布過濾工藝 ( CMDF) 處理二級(jí)出水用 于中水 回 用，不加混凝劑直濾時(shí)，出水 ρ ( SS) 為3. 1 mg / L，水頭損失 0. 3 m ; 篩選投加 40 mg / L 硫酸 鋁后，出水ρ(SS)、ρ ( COD)、濁度分 別 為 3. 1 mg / L、20 mg / L和 0. 8 NTU。
4 總 結(jié)
近年來(lái)，人們對(duì)高效率、低能耗、低成本和低占地 等高性能指標(biāo)的不斷追求使污水處理技術(shù)不斷創(chuàng)新、 發(fā)展迅速。 研究者們也同時(shí)不斷追求新型高效、更符 合可持續(xù)發(fā)展理念的沉淀與過濾技術(shù)。 在技術(shù)推廣過程中，應(yīng)注意以下問題 :
1) 硅藻土、磁分離、微砂沉淀等沉淀技術(shù)和濾布 濾池技術(shù)、動(dòng)態(tài)砂過濾技術(shù)等過濾技術(shù)均有較大規(guī)模 的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用試驗(yàn)。 新型沉淀與過濾技術(shù)的開發(fā) 既要注重技術(shù)細(xì)節(jié)也應(yīng)重視挖掘技術(shù)的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化潛力。
2) 正視新型沉淀與過濾技術(shù)推廣中的問題，理 清新技術(shù)基本原理的正確性和適用性，建立試驗(yàn)體系 予以支撐，完善工藝完整性，提供實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的理 論基礎(chǔ)。