李煥峰,廖祥軍,劉海龍*

(1.山西大學 環(huán)境與資源學院,山西 太原 030006;2.山西省環(huán)境監(jiān)測中心站,山西 太原 030027)

目前生活污水處理主要以生物法為主。傳統(tǒng)污水生物處理系統(tǒng)運行成本低、處理量大,被廣泛采用,但存在設(shè)施龐大,構(gòu)建成本高、運行不穩(wěn)定、出水質(zhì)量受季節(jié)影響大等問題,存在巨大的工藝升級改造空間。物化法如沉降、沉淀、混凝、過濾等,作為生化處理的補充,在一定程度上受到忽視[1-3];鑒于其自然條件約束少、占地省、流程短、基建與運行費用低、控制靈活、操作簡單等特點,物化法極有可能成為有競爭力的污水處理方法[4-9]。有關(guān)報道[10-11]和我們的研究均表明,一般生活污水/城鎮(zhèn)污水中有機物分布特征表現(xiàn)為膠體以上顆粒態(tài)有機物占總有機物60%～70%,其余為溶解態(tài)。排除對生物處理中微生物有毒有害可能性,生活污水中膠體、懸浮態(tài)有機物在生化處理中屬于較難降解有機物形態(tài),反應(yīng)時間長且與溶解態(tài)有機物存在動態(tài)轉(zhuǎn)化關(guān)系,是影響生物處理效率的重要問題。前置預(yù)沉池/初沉池在一定程度上分離大顆粒有機物,目的之一就是改善此種狀況。然而,初沉池效率低,對膠體及細小懸浮物去除能力差,不能起到有效分離的作用。強化混凝對膠體及微小懸浮物有良好的去除效率,但對溶解性有機物尤其是其中親水性有機物去除效率低;其除磷效果好,但去除氨氮、TN的效果差。與生物處理系統(tǒng)相結(jié)合的前置強化混凝分離對總磷、總氮及生物脫氮過程將產(chǎn)生重要影響。從此角度看,強化混凝分離和生物處理之間合理匹配,可能形成良好的互補關(guān)系。對此,研究報道尚少見。本文結(jié)合生活污水中污染物分布、分散特點,提出以前置強化分離,改善生物接觸負荷,提升生物處理效率和效果為主要特征的污水前置混凝分離/生物接觸氧化組合處理工藝。研究前置混凝分離過程中混凝劑鐵鋁比、堿化度對不同形態(tài)有機物、NH3-N、TN和TP去除效果,研究強化混凝對后續(xù)生物接觸氧化階段處理效果的影響。

1 材料與方法

1.1 水樣

水樣:實驗采用模擬配水,具體成分為糊化淀粉、蔗糖、NH4Cl、硫酸鎂、氯化鋅、氯化鐵、磷酸二氫鉀等。實驗水樣主要指標見表1。

表1 實驗水樣主要水質(zhì)指標

1.2 制備和實驗方法

實驗混凝劑采用自制混凝劑:分別為AlCl3、Fe/Al=1∶2,B=0;Fe/Al=1∶2,B=1;Fe/Al=1∶2,B=2;Fe/Al=1∶5,B=0;Fe/Al=1∶5,B=1;Fe/Al=1∶5,B=2,濃度均為0.1 mol/L Al,投量按Al2O3及相應(yīng)摩爾濃度(針對鐵及復(fù)合混凝劑)計。所用試劑均為分析純。

混凝實驗采用深圳中潤公司生產(chǎn)的六聯(lián)攪拌儀,水力條件為快攪250 r·min-1,2 min、慢攪40 r·min-1,10 min、靜置15 min,選用混凝劑AlCl3進行混凝實驗,確定混凝劑的投藥量。在此基礎(chǔ)上,投加不同種類的混凝劑分別進行混凝實驗。沉后水經(jīng)0.45 μm濾膜過濾,實現(xiàn)對有機物分級。考察沉后水過膜前后濁度、COD等的變化,并對沉后水進行紫外-可見分析。

中試系統(tǒng)由儲水池、前置混凝分離系統(tǒng)和后置生物接觸氧化系統(tǒng)構(gòu)成。前置混凝分離系統(tǒng)由混凝、絮凝、沉淀等構(gòu)成,水力停留時間分別為2 min、10 min和15 min;后置生物接觸氧化系統(tǒng)由生物接觸氧化和硝化液回流脫氮系統(tǒng)構(gòu)成,生物接觸氧化停留時間2.5 h,硝化液回流比200%;對照組生物接觸氧化停留時間6.0 h,硝化液回流比200%。在混凝沉淀、生物接觸氧化等位置設(shè)置采樣口,檢測其中濁度、COD和總磷、總氮、氨氮等指標。

1.3 測定與分析方法

測定方法:根據(jù)中華人民共和國國家標準方法測定,具體地:濁度,光電式濁度儀測定法; COD,重鉻酸鉀法;氨氮NH3-N,納氏試劑光度法;總磷TP,鉬銻抗分光光度法;總氮TN,堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝去除效果

2.1.1 混凝劑投加量

以混凝劑AlCl3(0.1 mol·L-1)進行投加量實驗,以濁度為指標確定投加量。由圖1可知當投加量為0.1 mmol·L-1～ 0.4 mmol·L-1時,濁度降至較低水平;投加量為0.2 mmol·L-1～0.4 mmol·L-1時,濁度去除率達到95%以上。但進一步增加投加量,濁度逐漸增大,出現(xiàn)復(fù)穩(wěn)現(xiàn)象[12-14]。本研究中混凝劑以AlCl3為基礎(chǔ)對照,因此,投藥量定為0.2 mmol·L-1。

2.1.2 總體效果

AlCl3作為混凝劑,投加量為0.2 mmol·L-1進行混凝實驗，結(jié)果見圖2?；炷龑OD、NH3-N、TP等均有一定的去除效果,尤其對濁度和總磷的去除效果明顯。濁度從10.3 NTU降到了0.805 NTU,去除率高達92.18%。COD殘余濃度187.87 mg·L-1,去除率達到54.1%,去除效果較好。結(jié)合濁度去除情況看,混凝沉淀過程導(dǎo)致濁度大幅度下降,對顆粒態(tài)有機物去除效果較好,但沉后水中尚存較多溶解態(tài)有機物?；炷骉P含量接近污水綜合排放標準一級B標準,基本可以滿足后續(xù)好氧生物處理及厭氧生物處理對P的需求?；炷龑τ贜H3-N的去除率低,出水仍需進一步脫氮處理。

Fig.1 Effects of coagulant dosage on turbidity removal圖1 不同投加量下濁度的變化

Fig.2 Overall effects of coagulation圖2 混凝整體效果

2.2 有機物去除分析

2.2.1 混凝劑種類的影響

(1)鐵鋁比的影響

為了考察混凝劑鐵鋁比對混凝效果的影響,在相同投加量(0.2 mmol·L-1)下,分別用B=0的AlCl3、FACC(Fe/Al=1∶5、Fe/Al=1∶2)、FeCl3對原水進行混凝實驗。濁度去除率、有機物去除率見表2。

由表2可見,4種不同含鐵量的混凝劑濁度去除率差別不大,都在95%以上,但對有機物去除率則差異較大,并且顆粒態(tài)有機物的去除率要遠大于過膜有機物的去除率。

隨著鐵含量的增加,有機物去除率逐漸升高,從AlCl3的42.95%到Fe/Al=1∶2的49.3%,但FeCl3則僅達到42.64%。其余各項去除率呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。有機物混凝去除效果中差別最明顯的是對過膜有機物去除率由AlCl3的2.33%分別提升到Fe/Al=1∶5的9.30%和Fe/Al=1∶2的13.08%,而FeCl3則僅為1.74%?；炷^程對溶解性有機物(過膜有機物)的去除主要是依靠吸附、共沉淀、形成難溶解化合物等方式。上述研究中混凝劑B=0,入水后經(jīng)歷水解過程。由于初始離子組成不同,水解速率和形式有差異,形成不同形態(tài)的水解離子,其中有些水解形態(tài)是發(fā)揮混凝作用的優(yōu)勢形態(tài)[7]。出現(xiàn)上述差異的主要原因可能是由于鐵鹽(FeCl3)和鋁鹽(AlCl3)水解速率和水解過程中形態(tài)的差異,導(dǎo)致其對不同類型的過膜有機物去除效果不同。也就是說，F(xiàn)eCl3和AlCl3分別對某些類型的過膜有機物有較高的去除率,因而整體上看對溶解性有機物的去除效率均明顯低于FACC(Fe/Al=1∶5、Fe/Al=1∶2)，這一點在沉后水UV-Vis光譜紫外波長掃描結(jié)果(表4)中得到驗證。初始堿化度為0、不同鐵鋁比的混凝劑對混凝效果的影響顯示,鐵、鋁混合鹽在水解、混凝過程中發(fā)生相互影響；可能是其中形成了相對于單純鋁鹽、鐵鹽水解成分而言混凝作用強的水解成分、某些形態(tài)的聚合鋁鐵復(fù)合異核多核配合離子[15-16]。這些水解成分對過膜有機物去除效果好；另一種可能是鐵、鋁混合鹽水解相互作用,更及時地形成更能有效發(fā)揮混凝作用的成分。這是解釋隨著鐵含量的增加,有機物(主要是過膜有機物)去除率逐漸升高的可能原因，同時這提示具備一定堿化度特征的預(yù)制聚合鋁鐵復(fù)合混凝劑可能具備更強的混凝效果。具體機理屬于上述何種,或哪種因素占主導(dǎo)地位仍有待進一步研究。隨著鐵含量的增加,有機物(主要是過膜有機物)去除率逐漸升高的原因可能是混凝劑投藥量是以AlCl3為基礎(chǔ),故較高的Fe/Al比例的混凝劑陽離子濃度較高。

表2 混凝劑鐵鋁比對不同形態(tài)有機物的去除率

(2)堿化度的影響

為考察堿化度對混凝效果的影響,在相同投加量(0.2 mmol·L-1)下,分別用FACC(Fe/Al=1∶2，B=0；Fe/Al=1∶2，B=1；Fe/Al=1∶2，B=2)對原水進行混凝實驗，結(jié)果見表3。

表3 混凝劑堿化度對有機物去除的影響

使用上述堿化度混凝劑混凝后,濁度、各有機物指標的去除率保持在較好的水平(95%以上),差異較小。當堿化度B=1時,有機物各項去除率均較高;B=2時,有機物各項去除率均有小幅下降,而濁度去除率略有上升。B為0或1時,過膜有機物去除率較高；B=2時,去除率略有下降。這表明對于上述鐵鋁復(fù)合混凝劑而言,較低聚合度的形態(tài)對溶解性、膠態(tài)及小顆粒有機物去除作用較強。對于Fe/Al=1∶2復(fù)合混凝劑而言,堿化度對各項去除率影響較小;但堿化度較高的混凝劑形成絮體的時間較短,可能在更高效的絮凝反應(yīng)器中發(fā)揮更好的絮凝效果。

2.2.2 混凝劑投加量的影響

隨著投藥量(AlCl3)的增加,濁度去除率先增加后降低。有機物總?cè)コ氏仍黾雍笙陆?過膜有機物去除率較低(10%～30%)。TP去除率逐漸增大,當投量大于4×10-4mmol·L-1時,去除率高于75%。TN去除率維持在低水平,混凝對其去除能力弱。前置混凝分離與生物處理配合使用時,可以通過混凝劑投量的調(diào)節(jié)改善匹配效果。

Fig.3 Effects of dosage on coagulation efficiency圖3 投加量對混凝效果的影響

2.3 沉后水的紫外可見分析

用不同鐵/鋁比、堿化度和投藥量的混凝劑混凝后,對沉后水做UV-Vis光譜紫外波長掃描,研究其中有機物分布的特征。

表4 鐵含量不同混凝劑的UV-Vis吸收特征值

表5 堿化度不同混凝劑的UV-Vis吸收特征值

表6 (AlCl3)不同投加量的UV-Vis吸收特征值

由表4可知,隨著鐵含量的增加,E254/E365 、E300/E400逐漸增大,SR值逐漸降低,顯示沉后水水樣中的小分子比例增加[16-20]。由前面的研究可知,當混凝劑Fe/Al=1∶2時,對有機物尤其是過膜有機物有較好地去除效果。綜合紫外波長掃描的結(jié)果,混凝劑能夠較好地去除膠態(tài)及顆粒態(tài)有機物,但沉后水中保留的溶解態(tài)小分子有機物比例較大。由表5知,不同堿化度下,E254/E365 、E300/E400、SR值變化很小,說明混凝劑堿化度對有機物分子量變化的影響較小。由表6知,隨著混凝劑(AlCl3)投加量增加,E254/E365 、E300/E400、SR值變化較小;但總體上SR值逐漸降低,沉后水DOM的分子量或有降低。

2.4 前置分離對生物接觸氧化的影響

分別用AlCl3、FACC(Fe/Al=1∶2，B=1)作混凝劑對原水進行前置混凝分離-生物接觸氧化(水力停留時間2.5 h)處理,以原水只經(jīng)生物接觸氧化處理(水停留時間6 h)為對照。經(jīng)混凝沉淀池——生物接觸氧化池工藝處理后,對比同一原水樣單獨生物接觸氧化處理,COD的去除率和脫氮效果均有提高,效果明顯好于只經(jīng)生物處理。當水停留時間為2.5 h時COD的去除率為89%,而只經(jīng)生物接觸氧化處理在6 h后COD的去除率為85%。相應(yīng)地,NH3-N去除率由45%提升到91%,TN去除率由59%提高到72%;TP去除率由85%提高到92%左右。但FACC(Fe/Al=1∶2，B=1)與AlCl3混凝劑的處理效果相比,因復(fù)合混凝劑能去除較多的過膜有機物導(dǎo)致生物脫氮效果相對較低。增設(shè)前置混凝分離系統(tǒng)后脫氮效果提升的原因是由于COD的大幅降低,好氧池微生物硝化作用增強,NH3-N去除率提升,有利于脫氮。

表7 前置分離對生物接觸氧化的影響

由表7可見,在生物接觸氧化池前增加前置混凝分離系統(tǒng),可以在保證出水水質(zhì)的前提下,將水力停留時間由原來的6 h縮短到2.5 h,而脫氮除磷效果也得到了改善。

混凝沉淀作為分離有機物尤其是顆粒態(tài)、膠態(tài)有機物的重要方法被我們納入前置分離生物接觸氧化法系統(tǒng)，可以選擇性地利用混凝劑及相應(yīng)的混凝方法,更大限度地降低水中難降解有機物、顆粒態(tài)有機物的數(shù)量。殘留有機物以中小顆粒、膠體、溶解態(tài)有機物為主,更有利于生物法去除,同時在前置分離過程中經(jīng)設(shè)計可以適度保留適應(yīng)后續(xù)硝化、反硝化所需的有機物、磷酸鹽等成分,與后續(xù)的生物接觸氧化過程相匹配,實現(xiàn)整體上對有機物、氮、磷的有效控制。更重要的,該系統(tǒng)將大幅降低污水處理占地面積,降低建設(shè)成本,提升處理效果及出水穩(wěn)定性,具備較好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

(1)鐵鋁比不同的混凝劑對有機物去除有明顯差異。鐵鋁復(fù)合混凝劑比單獨鐵鹽、鋁鹽混凝效果好,其中鐵含量的增加利于有機物的去除,特別是對過膜有機物的去除。

(2)前置混凝分離可以有效地提高生物處理過程中的脫氮除磷效果;但復(fù)合混凝劑(Fe/Al=1∶2，B=1)與AlCl3混凝劑相比,因去除較多的過膜有機物導(dǎo)致生物脫氮效果較低。這提示應(yīng)用前置分離生物接觸氧化系統(tǒng)時,應(yīng)根據(jù)水質(zhì)特征和后續(xù)生物處理的要求,選擇合適鐵鋁比的混凝劑。適應(yīng)于污水處理前置分離與生物處理匹配的混凝劑及其特征,仍有待進一步研究開發(fā)。

(3)在保證出水水質(zhì)的前提下,前置分離生物接觸氧化系統(tǒng)與單獨生物處理相比能有效地縮短停留時間,在節(jié)約投資和運行成本、提升出水穩(wěn)定性等方面具有明顯的優(yōu)勢。