接續(xù)A2O的氣浮過濾污水深度處理工藝研究

楊 墨，田中凱，鄧 濤，杜 敬，劉 毛，王旭峰，車 暉

(1. 中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430010；2. 武漢市城市排水發(fā)展有限公司，武漢 430010；3. 武漢大學土木建筑工程學院，武漢 430072)

根據(jù)《水污染防治行動計劃》關于“強化城鎮(zhèn)生活污染治理。加快城鎮(zhèn)污水處理設施建設與改造?，F(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理設施，要因地制宜進行改造，2020年底前達到相應排放標準或再生利用要求。敏感區(qū)域(重點湖泊、重點水庫、近岸海域匯水區(qū)域)城鎮(zhèn)污水處理設施應于2017年底前達到一級A排放標準。建成區(qū)水體水質(zhì)達不到地表水Ⅳ類標準的城市，新建城鎮(zhèn)污水處理設施要執(zhí)行一級A排放標準”的要求，我國城鎮(zhèn)污水處理廠升級改造工程迫在眉睫[1]。在此背景下，本文探究了混凝-溶氣氣浮-過濾工藝在城市生活污水深度處理方面的可行性，以武漢市某污水處理廠A2O工藝二沉池出水為原水，進行了混凝-溶氣氣浮-過濾深度處理工藝中試研究，并對分流比、加藥量及表面負荷三個重要影響因素進行了三因素三水平正交實驗，同時進行了9 d的連續(xù)流實驗，得到了具有重要參考價值的實驗結(jié)果，有助于混凝-溶氣氣浮-過濾工藝在污水深度處理方面的實際推廣應用。

1 混凝-溶氣氣浮-過濾工藝

氣浮工藝是利用微氣泡與目標去除物及其聚合體結(jié)合，形成夾氣絮體。夾氣絮體在浮力的作用下上浮到液相表面形成穩(wěn)定的浮渣層，并最終伴隨浮渣層的去除從液相主體中分離[2]。與沉淀工藝相比，氣浮工藝尤其適用于低密度分散懸浮物，在同等水量下所需藥劑量較少[3]。自20世紀70年代以來，氣浮工藝已較成熟地應用于城市給水處理[4]、湖泊等高藻類水體處理[5]，同時在煉油、造紙、印染、電力、電鍍、化工、化纖、毛紡、皮革、電泳漆、食品、機械等行業(yè)廢水處理領域也有廣泛應用[6-8]，用于城市生活污水深度處理的研究并不多。

生活污水經(jīng)過二級處理后, 水中多為粒徑小、密度低的雜質(zhì), 由它們與微氣泡形成的夾氣絮體密度小, 便于上浮, 適于

采用氣浮工藝進行處理[9]。本文研究的混凝-溶氣氣浮-過濾工藝流程如圖 1所示：大部分原水與混凝劑混合，進入絮凝池進行絮凝反應，小部分原水進入溶氣罐與空氣混合形成溶氣水，在氣浮池接觸區(qū)原水與溶氣水混合后進入分離區(qū)，附著污染物的微氣泡上浮形成浮渣層，凈化后的水由底部的集水系統(tǒng)收集后排出。取一部分氣浮凈化后的水，接入過濾設備過濾。

圖1 混凝-溶氣氣浮-過濾工藝流程圖Fig.1 The flow chart of coagulation-dissolved air flotation-filtration process

2 材料與方法

2.1 主要材料、試劑與儀器

原水：武漢市某污水處理廠A2O工藝二沉池出水，具體水質(zhì)參數(shù)如表1所示。

絮凝劑：液態(tài)聚合硫酸鋁鐵(PAFS)，采用污水處理廠儲藥池內(nèi)濃度為200 g/L原液配制。

表1 原水水質(zhì)Tab.1 Raw water quality

主要檢測指標為濁度、COD及TP。其中COD測定采用HACH COD預制試劑(0.7～40 mg/L)，TP采用HACH TP預制試劑(0.06～3.5 mg/L)，濁度測定采用HACH DP2100便攜式濁度儀。

儀器：HACH DRB200消解儀，HACH DR2800便攜式分光光度計，HACH DP2100便攜式濁度儀。

2.2 中試模型及運行參數(shù)

混凝氣浮一體化中試裝置分為絮凝區(qū)、接觸區(qū)、分離區(qū)與集水區(qū)4部分，有效容積9.0 m3，設計處理能力18 m3/h，氣浮池水力停留時間15 min。溶氣罐壓力設定為0.25～0.35 MPa，罐內(nèi)填充空心塑料球。部分氣浮池出水引入到一套小型過濾裝置進行砂濾處理，采用恒流量過濾方式，濾池設計濾速10 m/h，濾池反沖洗周期24 h，濾柱D×H=0.1 m×2.7 m，濾料采用石英砂，高1 000 mm。混凝-溶氣氣浮-過濾裝置如圖 2所示。

圖2 中試模型圖Fig.2 Pilot model diagram

2.3 實驗方案

2.3.1 正交實驗

氣浮工藝處理高藻、低溫低濁、有天然色度、腐殖質(zhì)含量較高等水質(zhì)，影響應用效果的因素包括原水條件、混凝條件、絮凝條件、表面負荷、分流比、氣浮池的形式和尺寸、脫氣系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和排渣方式[10]。研究表明混凝預處理效果、微氣泡尺寸以及氣浮池水力特征對氣浮凈水效果有重要影響[11]，故在本次污水深度處理中試研究試驗中，主要研究加藥量、分流比、表面負荷3個重要因素對氣浮實驗效果的影響程度，各因素的水平見表 2，故按照三因素三水平正交實驗設計表共有9組實驗，具體分配結(jié)果見表4。

2.3.2 連續(xù)運行實驗

在正常工作條件下，調(diào)節(jié)影響因素的不同水平進行連續(xù)試驗，運行參數(shù)如表 3所示，每個工況連續(xù)運行24 h，取裝置連續(xù)運行2 h出水水樣(始)和連續(xù)運行24 h出水水樣(終)進行檢測。

表2 各因素的水平列表Tab.2 List of factors’ levels

表3 連續(xù)運行參數(shù)表Tab.3 List of continuous operation parameter

3 結(jié)果與討論

3.1 正交實驗結(jié)果

按照三因素三水平正交實驗設計表(L9)進行實驗，實驗結(jié)果見表 4。利用Excel軟件對表 4中數(shù)據(jù)進行處理，得到因素加藥量、分流比、表面負荷對濁度、COD及總磷的去除效果影響，如表5～表7所示。

表 4 三因素三水平正交實驗分配及結(jié)果Tab.4 Disposition and results of orthogonal experimental design L9 (33)

由表 5可知，對于氣浮池出水濁度來說，分流比因素的極差R為0.55，加藥量因素的極差R為4.39，表面負荷因素的極差R為1.25，各因素對濁度去除效果影響大小順序為加藥量>表面負荷>分流比。由表 6可知，對于氣浮池出水COD來說，

表5 濁度去除率 %

表6 COD去除率 %

表7 總磷去除率 %

分流比因素的極差R為3.37，加藥量因素的極差R為8.07，表面負荷因素的極差R為0.25，各因素對COD去除率影響大小順序為加藥量>分流比>表面負荷。由表 7可知，對于氣浮池出水TP來說，分流比因素的極差R為0.19，加藥量因素的極差R為2.04，表面負荷因素的極差R為0.51，各因素對TP去除效果影響大小順序為加藥量>表面負荷>分流比。綜上可知，加藥量對濁度、COD、總磷去除效果影響均最為顯著，在工藝應用中應重點考慮加藥量的取值。

從實驗結(jié)果來看，加藥量對出水濁度、COD和TP的去除效果影響最大，同時由表5～表7可知，加藥量越大，去除效果越好，但加藥量由5 m/L增加至10 mg/L時，COD指標去除率增幅達20%以上，其他指標略微增加，加藥量由10 m/L增加至15 mg/L時，各指標去除率都只增加2%～4%，從效果經(jīng)濟兩方面衡量，最佳投藥量可取10 mg/L。同樣可以看到在不同分流比條件下，濁度和總磷去除率變化不大，而當分流比由8%增加至12%時，COD去除率增加了10%，由12%繼續(xù)增加至16%時，COD去除率又略微減小，可能是分流比太少時溶氣水流量太少，降低氣浮效果，而當分流比太大時，進入溶氣罐的原水量大，且未經(jīng)混凝處理，也會導致去除率變小，所以最佳分流比建議取值12%。而對于表面負荷來說，其對各指標的去除效果比較穩(wěn)定，而在實際工程中，表面負荷越大，占地越小，所以推薦表面負荷11.11 m3/(m2·h)。

3.2 連續(xù)運行實驗結(jié)果

連續(xù)運行實驗出水濁度、COD及TP分別如圖3～圖5所示。由圖 3可知，盡管原水濁度不斷波動，氣浮池出水濁度始終低于1 NTU，相同工況下連續(xù)運行24 h(圖中“終”)出水濁度略微大于連續(xù)運行2 h(圖中“始”)出水濁度，其原因是排渣周期過長，泥渣層過厚，一部分浮渣隨出水流出使得濁度增大。濾池出水小于0.5 NTU，且相對穩(wěn)定，“始”與“終”差別不大，且不同工況之間差別也不大。原水濁度發(fā)生波動時，氣浮池與濾池出水濁度相對穩(wěn)定，這一現(xiàn)象表明分流比和加藥量的小幅波動對本工藝出水濁度影響不大，本工藝具有一定的抗沖擊負荷能力且工藝參數(shù)具有一定的可調(diào)性。

由圖 4可知，本工藝對COD的去除效果好且運行穩(wěn)定，連續(xù)運行條件下，氣浮池與濾池出水COD值在10 mg/L上下浮動，低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中Ⅱ類水體COD限值。氣浮工藝能去除大部分的COD而過濾對COD基本沒有去除效果，大部分“終”出水COD要略大于“始”出水COD，其原因同樣與泥渣排除不及時有關。

由圖 5可知，連續(xù)運行條件下，原水TP在0.2～0.4 mg/L之間波動，而本工藝氣浮池出水TP大部分低于0.1 mg/L，濾池出水低于0.05 mg/L，低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中Ⅲ類水體TP限值。“終”出水TP要略大于“始”出水TP，其原因與濁度情況類似，且出水TP濃度隨著加藥量增加而減少。

綜上可知，混凝-溶氣氣浮-過濾工藝在污水深度處理連續(xù)運行時，即使原水水質(zhì)發(fā)生波動也具有非常好的穩(wěn)定性，適合于工程應用推廣，但應注意氣浮池排渣周期不能太長，否則會導致氣浮池出水效果變差。

圖3 出水濁度圖Fig.3 Turbidity diagram of effluent

圖4 出水COD圖Fig.4 COD concentration diagram of effluent

圖5 出水TP圖Fig.5 TP concentration diagram of effluent

3.3 運行成本分析

以表面負荷11.11 m3/(m2·h)、加藥量10 mg/L、分流比12%的推薦最佳工況為條件來分析氣浮工藝運行費用。

在工程應用中，進水一般通過水位高程設計來實現(xiàn)，可不用單獨提升，因此本工藝主要運行設備有溶氣水泵和空氣壓縮機。溶氣水泵揚程按30 m計算，空氣壓縮機功率為3 kW，開啟時間按每小時6 min計算，則總電耗為每小時0.543 kWh，電費單價按武漢市工業(yè)類電價0.95 元/kWh計算，則每小時電費為0.516 元，單位水處理電耗為0.026 元/m3?；炷齽┌次鬯幚韽S購買價1 200 元/t計算，則單位水處理藥劑費為0.012 元/m3。故在只考慮電費和藥劑費的情況下，本工藝單位水處理成本為0.039 元/m3。

4 結(jié) 語

(1)對氣浮池而言，加藥量對氣浮池出水濁度的去除效果影響最大、分流比對濁度去除效果影響最??；加藥量對氣浮池出水COD的去除效果影響最大、表面負荷池對COD去除效果影響最?。患铀幜繉飧〕爻鏊甌P的去除效果影響最大，分流比和表面負荷對TP去除效果均較小。

(2)綜合考慮處理效果和經(jīng)濟兩方面的約束，確定在本實驗條件下，工藝最佳運行條件為表面負荷11.11 m3/(m2·h)、加藥量10 mg/L、分流比12%。同時在最佳運行條件下，只考慮電費和藥劑費的單位水處理成本為0.039 元/m3。

(3)在固定表面負荷10 m3/(m2·h)條件下進行連續(xù)運行實驗，改變加藥量與表面負荷的條件，工藝出水監(jiān)測指標穩(wěn)定。氣浮池出水濁度始終低于1 NTU，濾池出水濁度低于0.5 NTU；氣浮池與濾池出水COD濃度在10 mg/L上下小幅浮動，低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中Ⅱ類水體COD限值；出水TP大部分低于0.1 mg/L，濾池出水低于0.05 mg/L，低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中Ⅲ類水體TP限值。

(4)從正交試驗中可看出加藥量對工藝出水濁度、COD和TP的去除效果影響均最大，若在工程實際應用時，應對加藥量取值進行進一步的實驗優(yōu)選。從連續(xù)運行實驗可以看出工藝在原水水質(zhì)波動時濁度、COD、總磷指標都很

低，且各項出水指標都很穩(wěn)定，說明本工藝有非常好的工程應用前景。

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