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(shè)計(jì)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(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072)

根據(jù)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》關(guān)于“強(qiáng)化城鎮(zhèn)生活污染治理。加快城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)與改造?，F(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施，要因地制宜進(jìn)行改造，2020年底前達(dá)到相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)或再生利用要求。敏感區(qū)域(重點(diǎn)湖泊、重點(diǎn)水庫、近岸海域匯水區(qū)域)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施應(yīng)于2017年底前達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。建成區(qū)水體水質(zhì)達(dá)不到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的城市，新建城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施要執(zhí)行一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)”的要求，我國城鎮(zhèn)污水處理廠升級(jí)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(jìn)行了混凝-溶氣氣浮-過濾深度處理工藝中試研究，并對(duì)分流比、加藥量及表面負(fù)荷三個(gè)重要影響因素進(jìn)行了三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行了9 d的連續(xù)流實(shí)驗(yàn)，得到了具有重要參考價(jià)值的實(shí)驗(yàn)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(shí)際推廣應(yīng)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(biāo)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(jì)70年代以來，氣浮工藝已較成熟地應(yīng)用于城市給水處理[4]、湖泊等高藻類水體處理[5]，同時(shí)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(jī)械等行業(yè)廢水處理領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)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(jí)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(jìn)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(jìn)入絮凝池進(jìn)行絮凝反應(yīng)，小部分原水進(jìn)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(jìn)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(shè)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(chǔ)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(cè)指標(biāo)為濁度、COD及TP。其中COD測(cè)定采用HACH COD預(yù)制試劑(0.7～40 mg/L)，TP采用HACH TP預(yù)制試劑(0.06～3.5 mg/L)，濁度測(cè)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(jì)，HACH DP2100便攜式濁度儀。

2.2 中試模型及運(yùn)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(shè)計(jì)處理能力18 m3/h，氣浮池水力停留時(shí)間15 min。溶氣罐壓力設(shè)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(jìn)行砂濾處理，采用恒流量過濾方式，濾池設(shè)計(jì)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?；炷?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(shí)驗(yàn)方案

2.3.1 正交實(shí)驗(yàn)

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(yīng)用效果的因素包括原水條件、混凝條件、絮凝條件、表面負(fù)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(yù)處理效果、微氣泡尺寸以及氣浮池水力特征對(duì)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(yàn)中，主要研究加藥量、分流比、表面負(fù)荷3個(gè)重要因素對(duì)氣浮實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表共有9組實(shí)驗(yàn)，具體分配結(jié)果見表4。

2.3.2 連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

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

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

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

3 結(jié)果與討論

3.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表(L9)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 4。利用Excel軟件對(duì)表 4中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到因素加藥量、分流比、表面負(fù)荷對(duì)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(shí)驗(yàn)分配及結(jié)果Tab.4 Disposition and results of orthogonal experimental design L9 (33)

由表 5可知，對(duì)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(fù)荷因素的極差R為1.25，各因素對(duì)濁度去除效果影響大小順序?yàn)榧铀幜?表面負(fù)荷>分流比。由表 6可知，對(duì)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(fù)荷因素的極差R為0.25，各因素對(duì)COD去除率影響大小順序?yàn)榧铀幜?分流比>表面負(fù)荷。由表 7可知，對(duì)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(fù)荷因素的極差R為0.51，各因素對(duì)TP去除效果影響大小順序?yàn)榧铀幜?表面負(fù)荷>分流比。綜上可知，加藥量對(duì)濁度、COD、總磷去除效果影響均最為顯著，在工藝應(yīng)用中應(yīng)重點(diǎn)考慮加藥量的取值。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，加藥量對(duì)出水濁度、COD和TP的去除效果影響最大，同時(shí)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(shí)，COD指標(biāo)去除率增幅達(dá)20%以上，其他指標(biāo)略微增加，加藥量由10 m/L增加至15 mg/L時(shí)，各指標(biāo)去除率都只增加2%～4%，從效果經(jīng)濟(jì)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(dāng)分流比由8%增加至12%時(shí)，COD去除率增加了10%，由12%繼續(xù)增加至16%時(shí)，COD去除率又略微減小，可能是分流比太少時(shí)溶氣水流量太少，降低氣浮效果，而當(dāng)分流比太大時(shí)，進(jìn)入溶氣罐的原水量大，且未經(jīng)混凝處理，也會(huì)導(dǎo)致去除率變小，所以最佳分流比建議取值12%。而對(duì)于表面負(fù)荷來說，其對(duì)各指標(biāo)的去除效果比較穩(wěn)定，而在實(shí)際工程中，表面負(fù)荷越大，占地越小，所以推薦表面負(fù)荷11.11 m3/(m2·h)。

3.2 連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果

連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)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(dòng)，氣浮池出水濁度始終低于1 NTU，相同工況下連續(xù)運(yùn)行24 h(圖中“終”)出水濁度略微大于連續(xù)運(yùn)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(duì)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(dòng)時(shí)，氣浮池與濾池出水濁度相對(duì)穩(wěn)定，這一現(xiàn)象表明分流比和加藥量的小幅波動(dòng)對(duì)本工藝出水濁度影響不大，本工藝具有一定的抗沖擊負(fù)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(duì)COD的去除效果好且運(yùn)行穩(wěn)定，連續(xù)運(yùn)行條件下，氣浮池與濾池出水COD值在10 mg/L上下浮動(dòng)，低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(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(duì)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(shí)有關(guān)。

由圖 5可知，連續(xù)運(yùn)行條件下，原水TP在0.2～0.4 mg/L之間波動(dòng)，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(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅲ類水體TP限值?！敖K”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(yùn)行時(shí)，即使原水水質(zhì)發(fā)生波動(dòng)也具有非常好的穩(wěn)定性，適合于工程應(yīng)用推廣，但應(yīng)注意氣浮池排渣周期不能太長，否則會(huì)導(dǎo)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(yùn)行成本分析

以表面負(fù)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(yùn)行費(fèi)用。

在工程應(yīng)用中，進(jìn)水一般通過水位高程設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，可不用單獨(dú)提升，因此本工藝主要運(yùn)行設(shè)備有溶氣水泵和空氣壓縮機(jī)。溶氣水泵揚(yáng)程按30 m計(jì)算，空氣壓縮機(jī)功率為3 kW，開啟時(shí)間按每小時(shí)6 min計(jì)算，則總電耗為每小時(shí)0.543 kWh，電費(fèi)單價(jià)按武漢市工業(yè)類電價(jià)0.95 元/kWh計(jì)算，則每小時(shí)電費(fèi)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(jià)1 200 元/t計(jì)算，則單位水處理藥劑費(fèi)為0.012 元/m3。故在只考慮電費(fèi)和藥劑費(fèi)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(duì)氣浮池而言，加藥量對(duì)氣浮池出水濁度的去除效果影響最大、分流比對(duì)濁度去除效果影響最??；加藥量對(duì)氣浮池出水COD的去除效果影響最大、表面負(fù)荷池對(duì)COD去除效果影響最小；加藥量對(duì)氣浮池出水TP的去除效果影響最大，分流比和表面負(fù)荷對(duì)TP去除效果均較小。

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

(3)在固定表面負(fù)荷10 m3/(m2·h)條件下進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，改變加藥量與表面負(fù)荷的條件，工藝出水監(jiān)測(cè)指標(biāo)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(dòng)，低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(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(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅲ類水體TP限值。

(4)從正交試驗(yàn)中可看出加藥量對(duì)工藝出水濁度、COD和TP的去除效果影響均最大，若在工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)對(duì)加藥量取值進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)優(yōu)選。從連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)可以看出工藝在原水水質(zhì)波動(dòng)時(shí)濁度、COD、總磷指標(biāo)都很

低，且各項(xiàng)出水指標(biāo)都很穩(wěn)定，說明本工藝有非常好的工程應(yīng)用前景。

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