新型污水處理沉淀過濾技術(shù)研究進展
1 固液分離技術(shù)的發(fā)展趨勢
污水處理中，待分離體系的分離負荷和平均粒徑 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， 但運行成本高，可承受負荷低。 新型固液分離技術(shù)，如微砂沉淀、硅藻土、磁分離、動態(tài)砂濾、濾布濾池等， 著眼于尋求分離效率、分離精度及運行成本之間的平衡，以實現(xiàn)綜合效益最大化。
2 沉淀技術(shù)的進展
污水處理中沉淀過程用于實現(xiàn)進水顆粒物與水 的分離。 主要沉淀技術(shù)的典型分離負荷， 負荷值的提高代表了沉淀技術(shù)的進步。 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)進一步提升分離精度及負荷，而磁分離和微砂沉淀技術(shù)借助物理作用不僅使分離負荷 提升了數(shù)十倍，分離精度較硅藻土也有加強?？傮w而言，隨著污水成分日益復雜、污水排放要求更加嚴格，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到目的。
2. 1 硅藻土技術(shù)
硅藻土是一種由古地質(zhì)時期的硅藻、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、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體系中膠體脫穩(wěn)凝集而實現(xiàn)沉淀分離。 硅藻土的微孔結(jié)構(gòu)還可吸附病毒、細微顆粒、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 74%，色度去除率達 94%。 蔣小紅等［19］ 研究 認為出水水質(zhì)要求不高時改性硅藻土可單獨處理城 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 間，節(jié)省占地面積，運行成本約 0. 4 元/t，日處理污水量達1萬t，出水指標達 GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級 A 標準，并實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn) 定運行。 硅藻土技術(shù)在處理機理、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塊以實現(xiàn)強化沉淀分離的一種新興技術(shù)，20 世紀 60 年代 開始應用于水處理工程。 污水中部分微生物受到磁場抑制或激發(fā)作用，可提高水處理微生物活性，從而 強化污水處理效果。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、設備體積小、結(jié)構(gòu)簡單、維護費用低、占 地少等特點，工藝技術(shù)相對完整，并建立了磁過濾理論體系。
磁分離技術(shù)對磷的去 除，將沉淀時間縮短到化學沉淀的 1 /48，具 有 藥 劑 省、分離速度快的優(yōu)點。采用氧化 －磁 種混凝－高梯度磁分離技術(shù)對印染廢水進行處理，反應穩(wěn)定時磁粉投加量為 150～200 mg /L，色度和 COD去除率均優(yōu)于國家二級排放標準。 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 Veolia 集團 OTV 公司在 20 世紀 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)有機物。 該 工藝利用微砂與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，同時結(jié)合斜板沉淀原理減少沉淀池面積及 沉淀時間，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)，在水力旋流器中實現(xiàn)泥 砂分離和微砂回用。 微砂沉淀工藝具有水力負荷高、占地面積小、啟動快、SS 去除率高、抗沖擊負荷能力強和出水水質(zhì)穩(wěn)定等特點。
3 過濾技術(shù)的進展
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)，有較長應用歷史。 但由于受過濾介質(zhì)和沖洗方式限制，長時間污水截留 率有限、運行效率低、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，動態(tài)砂 過濾技術(shù)通過實現(xiàn)連續(xù)過濾而將分離負荷提升至傳 統(tǒng)技術(shù)的 2 倍，動態(tài)膜和濾布濾池技術(shù)對分離效率和 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——動態(tài)砂過濾技術(shù)
動態(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現(xiàn) 24h 連續(xù)不停 機工作，主要應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 流原理使進水通過底部布水器自下而上流經(jīng)動態(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械碰撞作用實現(xiàn)反沖洗， 洗凈濾砂重力回流至砂床。其主要特點有 :
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，無需停機;
4) SS 負荷適應性 強，處理效果穩(wěn)定;
5) 運行成本低，維修保養(yǎng)少，高度自動化。
采用 DynaSand 活性砂過濾器對北京北小河污水處理廠二沉池出水進行深度處理中試，設計運行處理水量 6 m3 /h，濾速 8. 5 m /h，處理后各項指標優(yōu)于 GB 18920—2002《城市雜用水水質(zhì) 標 準》的 要 求。 Hultman和 Plaza 等分別通過實驗證明了 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 菌附著生長在砂粒表面和濾床細孔中。 該 廠從1999 年開始連續(xù)運行，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，藥劑費用 (0. 68 歐元/kg) 和污泥處理費(0. 32 歐元/kg) 占總運行費用的 60%。 動態(tài)砂過濾 工藝在脫氮處理中尋求廉價外加碳源物質(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)進展
膜分離技術(shù)近年來在國內(nèi)污水處理領(lǐng)域發(fā)展迅 速，主要使用壓力差驅(qū)動的膜分離過程。 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)應用最早的分離膜。 目前，我國微濾和超濾技術(shù)大約占我國膜 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、深度預處理工藝等方面 已有廣泛應用研究。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、設備緊湊、運行管理方便、剩余污泥產(chǎn)量少等特點近年來得到迅速發(fā)展。
納濾(NF) 膜是在 20 世紀 80 年代末期發(fā)展起來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 50 年代開發(fā)的具有不對稱結(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)多用來實現(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)點在于物料無相變，能耗低，分離精度高，適用范圍廣，裝置簡單緊湊、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 用維護成本是制約膜技術(shù)廣泛應用的主要障礙。 如何有效降低膜技術(shù)使用成本、提升膜技術(shù)分離負荷決 定了膜技術(shù)在未來污水處理領(lǐng)域的市場，也吸引了研 究者的廣泛關(guān)注。
3. 3 平衡分離精度與負荷的新型過濾技術(shù)
3. 3. 1 動態(tài)膜技術(shù)
動態(tài)膜(Dynamic Membrane，DM)，也稱動態(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、無紡布、不銹鋼網(wǎng)等，氟石、硅藻土、高嶺土、 頁硅酸鹽、熟石灰等礦物為常見的成膜物質(zhì)。動態(tài)膜根據(jù)形成方式可分為預涂動態(tài)膜 (Pre-coated DM) 和自生動態(tài)膜 (Self-forming DM)。動態(tài)膜研究源自反 滲透的預涂動態(tài)膜，至 20 世紀 90 年代開始有針對自 生動態(tài)膜的超濾、微濾研究，主要用于生物、食品領(lǐng)域 強化過濾效果。 自生動態(tài)膜以其價格低廉、操作簡便的優(yōu)勢逐漸成為研究主流熱點。 近年來，動態(tài)膜技術(shù) 結(jié)合 MBＲ的基本原理發(fā)展出了動態(tài)膜生物反應器技 術(shù)，以活性污泥形成的動態(tài)膜取代傳統(tǒng)微濾或超濾膜 實現(xiàn)固液分離。動態(tài)膜基材主要采用微米級孔徑的 微網(wǎng)材料，與活性污泥平均粒徑相仿，但動態(tài)膜形成 后截留能力可達到微濾或超濾水平。常見的動態(tài)膜生物反應器均為自生動態(tài)膜過程。
Yosshiaki Kiso 等以尼龍網(wǎng)為基材，利用孔徑 100 μm 動態(tài)膜小試反應器處理合成廢水，在連續(xù)進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 80%。 范彬等利用普通篩絹為基材，動態(tài)膜生物反應器 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 96% 以上。馬強等利用無紡布為基材的動態(tài)膜生物反應器處理公路 服務區(qū)生活污水，處理量達 150 m3 /d，穩(wěn)定運行 1 年 后 SS 和 COD 去除率均達 95% 以上，氨氮去除率達78%，出水水質(zhì)符合 GB 8978—1996《污水綜合排放 標準》一級標準。動態(tài)膜反應器較傳統(tǒng) MBＲ 的優(yōu)勢 在于 :
1) 重力出水，節(jié)約能耗;
2) 出水通量高，水質(zhì)良好;
3) 基材廉價易得，經(jīng)濟性好;
4) 易清洗再生。動態(tài)膜基材、運行過程控制的優(yōu)化和動態(tài)膜形成機理等方面的研究是動態(tài)膜水處理領(lǐng)域未來較為重要的方向。
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)，反沖洗時間短，占地面積小 (僅為常規(guī)工藝的 1 /2)，維護使用簡 便。 一些歐美國家已將該工藝作為城市污水深度處理單元。我國江蘇省在太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠提 標升級時曾大力推廣該系統(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)、中心傳動系統(tǒng)及支架支撐系統(tǒng) (如圖 4 所示)。進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利用吸泥裝置進行反沖 洗。針對進水中含油或黏度高時對過濾介質(zhì)的改進 可能是這類濾池未來主要的研發(fā)方向。
采用濾布濾池系統(tǒng)對污水處理廠二 級出水進行深度處理，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) 處理二級出水用 于中水 回 用，不加混凝劑直濾時，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，人們對高效率、低能耗、低成本和低占地 等高性能指標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)、動態(tài)砂過濾技術(shù)等過濾技術(shù)均有較大規(guī)模 的實際生產(chǎn)應用試驗。 新型沉淀與過濾技術(shù)的開發(fā) 既要注重技術(shù)細節(jié)也應重視挖掘技術(shù)的應用及產(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，建立試驗體系 予以支撐，完善工藝完整性，提供實際生產(chǎn)應用的理 論基礎。