新型污水處理沉淀過(guò)濾技術(shù)研究進(jìn)展搶先看

目前，國(guó)內(nèi)外主流污水處理工藝由生化處理部分 (好氧或厭氧生物反應(yīng)器) 和固液分離部分(初沉池、 二沉池) 組成。近年來(lái)研究者們主要關(guān)注低能耗、低成本、低占地的高效生化處理單元開(kāi)發(fā)，而在一定程度上忽視固液分離單元的研究。例如，當(dāng)今生化反應(yīng)與分離過(guò)程相結(jié)合的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)引領(lǐng)了多目標(biāo)、多功能的生化分離組合技術(shù)的綜合開(kāi)發(fā)，出現(xiàn)了三溝式氧化溝、SBＲ法、UNITANK 工藝等反應(yīng)沉淀一體化工藝，也出現(xiàn)了曝氣生物濾池 ( BAF) 和膜生物反應(yīng)器 (MBＲ) 等一系列將生化反應(yīng)與過(guò)濾技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型高效污水處理工藝。 固液分離是生化處理工藝中制約反應(yīng)器生物特性、處理效率和出水水質(zhì)的重要因素，隨著高效生物技術(shù)的不斷完善，傳統(tǒng)固液分離技術(shù)對(duì)高效生化處理工藝功能擴(kuò)展的限制正日益凸顯。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，許多新型沉淀和過(guò)濾技術(shù)更成 為領(lǐng)域內(nèi)的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。本文分別從技術(shù)原理以及工程應(yīng)用角度介紹幾種發(fā)展較快的新型沉淀技術(shù)和新 型過(guò)濾技術(shù)的研究進(jìn)展。

1 新型固液分離技術(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(guò)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(guò)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)。 總體而言，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(kāi)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(chóng)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(guò)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［20］。 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(guò)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(kāi)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(pán)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(guò)濾理論體系。

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)。 陳文松等［21］ 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(kāi)發(fā)，主要用于去除水中懸浮物、濁度、色度、藻類(lèi)、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)。

針對(duì)城市合流制溢流污染，1992 年微砂沉淀工 藝在 Colombes 市的 SIAAP 水廠建立了中試裝置，試驗(yàn)結(jié)果良好。 目前，國(guó)內(nèi)外有 560 多座工程使用微砂 沉淀工藝處理市政污水和工業(yè)廢水。2006 年北京市 水源九廠利用 Actiflo 工藝對(duì)混凝池、聚合池、微砂投加池、絮體熟化池和斜管沉淀池進(jìn)行改造，處理后出水濁度可控制在 1 NTU 以內(nèi)［24］。Actiflo沉淀工藝還 可以為后續(xù)過(guò)濾以及膜處理裝置提供預(yù)處理，去除 SS 和磷，在多雨城市同初期雨水結(jié)合處理，充分挖掘 優(yōu)良的沉淀性能。 Actiflo工藝對(duì)不同水質(zhì)的適應(yīng)性、 絮凝方式優(yōu)化及其與污水相關(guān)的應(yīng)用拓展可能是未 來(lái)較為重要的研究方向。

3 過(guò)濾技術(shù)的進(jìn)展

以砂濾技術(shù)為代表的傳統(tǒng)過(guò)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(guò)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。 典型過(guò)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(guò)濾技術(shù)的分離精度，動(dòng)態(tài)砂過(guò)濾技術(shù)通過(guò)實(shí)現(xiàn)連續(xù)過(guò)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(guò)濾精 度高、處理速度快的新型過(guò)濾技術(shù)展開(kāi)諸多探索。

動(dòng)態(tài)砂過(guò)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(guò)同步過(guò)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(lèi)給水過(guò)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(guò)底部布水器自下而上流經(jīng)動(dòng)態(tài)砂 過(guò)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(guò)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。

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(guò)程。依據(jù)膜孔尺寸及分離物 粒徑范圍可分為微濾。

微濾(MF) 和超濾 ( UF) 是世界上開(kāi)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(kāi)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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)過(guò)濾含成膜物質(zhì)溶液而在多孔基材表面形成。 常見(jiàn)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(jiàn)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(kāi)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(guò)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(jiàn)的動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器均為自生動(dòng)態(tài)膜過(guò)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［41］ 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。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(guò)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(pán)過(guò)濾器，是一種過(guò)濾等級(jí)為 5 ～10 μm 的表面過(guò)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(guò)濾轉(zhuǎn)盤(pán)外包濾布來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)過(guò) 濾介質(zhì)，沿過(guò)濾方向分別為纖維毛層及大孔隙支撐層。過(guò)濾組件包括中心軸、過(guò)濾轉(zhuǎn)盤(pán)、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)。進(jìn)水利用重力流入濾池并壓過(guò)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(guò)濾效果，較重的污泥利用斗型池底排出濾池，濾布過(guò)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(guò)濾介質(zhì)的改進(jìn) 可能是這類(lèi)濾池未來(lái)主要的研發(fā)方向。

標(biāo)簽： 污水處理 分離精度 生物反應(yīng)器