張 寅,邸文瑞,杜惠洋,劉萬鵬,張立挺

(1.北控(杭州)生態(tài)環(huán)境投資有限公司,杭州 311100;2.浙江環(huán)龍環(huán)境保護(hù)有限公司,杭州 310012;3.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州 311122;4.浙江科技學(xué)院 環(huán)境與資源學(xué)院,杭州 310023)

目前,中國仍面臨水資源短缺、水環(huán)境惡化和水生態(tài)破壞等問題,這些因素嚴(yán)重限制了中國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)[1],而健康的水系統(tǒng)是維持城市可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。隨著人們對環(huán)境質(zhì)量的要求日趨提高,中國城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)出污染控制指標(biāo)增加、排放限值更加嚴(yán)格的趨勢。作為水體污染外源輸入的有效屏障,城鎮(zhèn)污水處理廠對城市水環(huán)境治理和保護(hù)一直起著至關(guān)重要的作用。因此,開展城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造的實(shí)踐探索,符合全面推進(jìn)城鎮(zhèn)污水治理工作的迫切需求[2]。

針對城鎮(zhèn)污水處理廠出水的特性,常用的提高污水排放標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱提標(biāo))改造工藝包括吸附法、高級氧化法、膜分離法、生物降解法等。其中,高級氧化法對化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand,CODCr)、色度有較好的去除效果,但存在藥劑消耗量大,污泥處置困難等問題;膜分離法可去除絕大部分有機(jī)污染物,但投入及運(yùn)行成本較高;生物降解法雖然運(yùn)行成本較低,但污染物去除率較低,對于低污染度的污水處理廠,其出水很難實(shí)現(xiàn)提標(biāo)改造的目標(biāo)[3-4]。而活性炭作為一種較經(jīng)濟(jì)且易獲取的吸附劑,對CODCr等污染物具有良好的去除效果[5-7]。粉末活性炭具有發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu),水體中的有機(jī)污染物在與活性炭接觸或通過致密的炭層時,會在范德華力、化學(xué)鍵等作用下[8-9]吸附于活性炭微孔中。吸附飽和的活性炭經(jīng)脫水、干燥和高溫再生處理后可進(jìn)行回收利用?；钚蕴砍杀据^低,作用效果快,在處理系統(tǒng)中可通過吸附、過濾等作用,對CODCr、氨氮、色度、濁度、懸浮物(suspended solids,SS)等進(jìn)行去除,效果顯著,活性炭在污水處理廠提標(biāo)改造中具有良好的應(yīng)用潛力。例如,劉魯建等[5]采用活性炭膜生物法開展了印染廢水深度處理中試,結(jié)果表明,出水水質(zhì)可滿足GB 4287—2012《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的特別排放限值,但中試工程中直接運(yùn)行成本達(dá)1.35元/t。

本研究所涉污水處理廠二沉池出水可生化性較差,懸浮物中多含活性污泥顆粒、微生物等。由于現(xiàn)有高效澄清池深度處理技術(shù)運(yùn)行成本過高,且存在效果不穩(wěn)定等因素,為達(dá)到降低成本、穩(wěn)定處理效果的目的,我們擬對該污水處理廠的現(xiàn)有工藝進(jìn)行調(diào)整,在二沉池出水端增設(shè)粉末活性炭吸附與超濾膜分離有機(jī)結(jié)合的活性炭濾膜深度處理工藝;并通過開展中試,從處理效果、出水效率和經(jīng)濟(jì)性角度來分析本工藝在污水處理廠出水水質(zhì)提標(biāo)改造中的可行性,以期為類似項(xiàng)目的提標(biāo)改造提供參考。

1 工藝流程和試驗(yàn)方法

1.1 原水處理工藝和試驗(yàn)材料

本研究所涉污水處理廠的水處理工藝如圖1所示,圖中實(shí)線箭頭表示原有工藝,虛線箭頭表示提標(biāo)工藝。污水處理廠水質(zhì)指標(biāo)見表1。表1中,BOD5為生化需氧量;NH3-N為氨氮;TP為總磷;TN為總氮。其中,設(shè)計(jì)出水水質(zhì)達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[10]一級A標(biāo)準(zhǔn)。本試驗(yàn)所用粉末活性炭,碘值>900 mg/L、亞甲基藍(lán)吸附值≥100 mg/g、比表面積>1 200 m2/g、水分含量≤5%;所用原水來自該污水處理廠二沉池出水。

圖1 污水處理廠的水處理工藝流程圖

表1 污水處理廠水質(zhì)指標(biāo)

1.2 處理設(shè)備和工藝流程

活性炭濾膜深度處理中試設(shè)備由布水、濾膜、曝氣、沖洗等部分組成,集水池停留時間為30 min,日處理量為3 000 m3,設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)的技術(shù)指標(biāo)為CODCr80～100 mg/L,pH 6～9,SS 90～100 mg/L。本設(shè)備采用一次性投加活性炭,間隙運(yùn)行,待活性炭吸附飽和后進(jìn)行更換的處理方式;更換后繼續(xù)運(yùn)行。中試設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,中試設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表2。

圖2 活性炭濾膜深度處理中試裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

表2 中試設(shè)備技術(shù)參數(shù)

本活性炭濾膜深度處理中試設(shè)備的吸附系統(tǒng)主要部件為:吸附濾柱,用于活性炭截留,形成活性炭吸附層;加藥設(shè)備,用于投加粉末活性炭;沖洗設(shè)備,用于清洗濾柱表面炭層。當(dāng)活性炭外層吸附飽和時,需將活性炭層進(jìn)行沖洗,重新曝氣均勻后再次使用,形成新的活性炭層,或者直接排出更換新的活性炭。活性炭濾膜深度處理工藝流程如圖3所示。

圖3 活性炭濾膜深度處理工藝流程

1.3 試驗(yàn)和檢測方法

將活性炭投入加藥裝置中(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%,每12 h投加一次),加滿水后,攪拌10 min,用加炭泵送入設(shè)備池體。投加完畢后,開啟鼓風(fēng)機(jī)曝氣,直至池內(nèi)水與活性炭粉末混合均勻。隨后,打開進(jìn)水泵,直到液位達(dá)到高液位;關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī),同時關(guān)閉出水閥門,用產(chǎn)水泵先進(jìn)行內(nèi)循環(huán)。觀察玻璃透鏡,當(dāng)出水由黑色渾濁的活性炭混合液變?yōu)闊o色透明清水,則表示濾柱外表的炭層已經(jīng)形成,開啟出水閥門。定期從出水口采集水樣,進(jìn)行CODCr和SS質(zhì)量濃度測試,計(jì)算相應(yīng)指標(biāo)的去除率。CODCr質(zhì)量濃度采用標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀法測定;SS質(zhì)量濃度采用重量法測定[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 出水效果及效率分析

出水水質(zhì)是對本深度處理工藝的重要評價(jià)指標(biāo),不同活性炭投加量下出水CODCr對比如圖4所示。由圖4可知,中試中進(jìn)水CODCr為80～100 mg/L。在運(yùn)行期間,出水CODCr范圍為6～45 mg/L;隨著運(yùn)行時間的增加,CODCr逐漸增加。運(yùn)行6 h內(nèi),出水CODCr保持在25 mg/L以內(nèi),活性炭投加量對CODCr的去除效果沒有顯著影響。當(dāng)運(yùn)行時間超過6 h,活性炭投加量為150 kg的試驗(yàn)組,出水CODCr上升速率加快,且質(zhì)量濃度超過活性炭投加量為250 kg的試驗(yàn)組,但仍然滿足GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放限值。根據(jù)已有研究,對于CODCr較低的進(jìn)水,超濾膜法的最高去除率僅為53%[12];微電解-曝氣法僅為45%～53%[13-14];O3/H2O2工藝約為49%[15]。與上述工藝相比,本研究所用的活性炭濾膜深度處理工藝對進(jìn)水CODCr的去除率最高達(dá)到93%;而當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,出水SS去除率達(dá)到99%以上。試驗(yàn)結(jié)果表明本工藝的處理效果完全滿足該污水處理廠的提標(biāo)改造要求。

圖4 不同活性炭投加量下出水CODCr對比

在滿足污染物去除效果的前提下,出水效率也是評價(jià)本深度處理工藝適用性的另一項(xiàng)指標(biāo),不同活性炭投加量下產(chǎn)水速率和產(chǎn)水量對比如圖5所示。由圖5(a)可知,本設(shè)備產(chǎn)水速率隨著運(yùn)行時間的增加逐漸下降,清洗操作可顯著恢復(fù)產(chǎn)水速率。當(dāng)活性炭投加量從150 kg提升到250 kg時,產(chǎn)水速率明顯下降,最終導(dǎo)致產(chǎn)水量下降(圖5(b))。這是由于活性炭投加量增加時,炭層厚度增加,設(shè)備壓力增加,從而導(dǎo)致產(chǎn)水速率下降。魏朝成等[16]在粉末活性炭預(yù)沉積強(qiáng)化超濾膜處理工藝的研究中也觀察到相同的結(jié)果。因此,在滿足出水達(dá)標(biāo)的情況下,可適當(dāng)減少單批次活性炭投加量,并通過適當(dāng)增加清洗次數(shù)來提升設(shè)備產(chǎn)水速率。

圖5 不同活性炭投加量下產(chǎn)水速率和產(chǎn)水量對比

2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性是本處理工藝是否適用于實(shí)際處理的重要依據(jù),而系統(tǒng)負(fù)壓是系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo),系統(tǒng)負(fù)壓隨運(yùn)行時間的變化如圖6所示。由圖6可知,系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)壓與單批次活性炭投加量密切相關(guān)。當(dāng)活性炭投加量由150 kg增加至200 kg時,系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)壓顯著上升。然而,當(dāng)活性炭投加量進(jìn)一步增加至250 kg時,在運(yùn)行3 h內(nèi),系統(tǒng)負(fù)壓快速升高,隨后系統(tǒng)負(fù)壓出現(xiàn)快速下降及波動的現(xiàn)象。這可能是由于活性炭投加量過大時,設(shè)備內(nèi)無法形成穩(wěn)定的炭過濾層,最終影響處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖6 系統(tǒng)負(fù)壓隨運(yùn)行時間的變化

2.3 參數(shù)優(yōu)化選擇

由上述分析可知,活性炭投加量是影響出水水質(zhì)、產(chǎn)水效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素。單批次活性炭投加量過多,會造成系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)壓快速上升,產(chǎn)水速率下降,單位時間產(chǎn)水量下降;同時還會導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定,影響處理效果。因此,在處理不同水質(zhì)、不同出水標(biāo)準(zhǔn)的污水時,需要根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化單批次活性炭的投加量。另外,設(shè)備的運(yùn)行負(fù)壓與產(chǎn)水速率呈負(fù)相關(guān)。活性炭投加量為150 kg時,系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)壓與產(chǎn)水速率的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知,當(dāng)系統(tǒng)負(fù)壓達(dá)到0.03 MPa時,產(chǎn)水速率開始加速下降;因此,為保證運(yùn)行效率,在負(fù)壓0.03 MPa時,需進(jìn)行清洗操作。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)壓與產(chǎn)水速率的關(guān)系

在上述優(yōu)化條件下,設(shè)備連續(xù)運(yùn)行7 d的結(jié)果(圖8)顯示,本設(shè)備對出水CODCr具有良好的處理效果。在運(yùn)行期間,對CODCr為80～100 mg/L的進(jìn)水,出水CODCr可穩(wěn)定保持在20～40 mg/L范圍內(nèi),且系統(tǒng)負(fù)壓穩(wěn)定。

圖8 優(yōu)化條件下設(shè)備連續(xù)運(yùn)行7 d的處理效果

2.4 處理成本分析

本中試設(shè)備的主要運(yùn)行成本包括活性炭費(fèi)用和電費(fèi)兩部分。產(chǎn)水按120 m3/h計(jì),150 kg活性炭可使用9 h以上,活性炭成本為4 650元/t。因此,每噸水的活性炭消耗費(fèi)用為0.65元。本設(shè)備運(yùn)行期間主要的耗電部分為產(chǎn)水泵,按一批次活性炭運(yùn)行9 h計(jì),電費(fèi)以0.8元/(kW·h)計(jì),結(jié)合各設(shè)備運(yùn)行頻率(表3),計(jì)算可得處理每噸水消耗的電費(fèi)為0.19元。綜上所述,本工藝的直接處理成本為0.84元/t。

表3 各設(shè)備運(yùn)行頻率

2.5 存在的問題及解決方案

1) 由于本工藝主要依賴于活性炭的吸附和致密炭層的過濾作用,對活性炭的性能要求較高,不同活性炭的性能不同,會造成設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的變化,故建議更換活性炭時,先對系統(tǒng)進(jìn)行測試,調(diào)整投加量、清洗頻率、更換頻率等運(yùn)行參數(shù)。

2) 雖然本工藝對SS的去除率極高,但同時受原水SS質(zhì)量濃度影響也很大。過多的懸浮物可能會造成炭層堵塞,系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)壓升高,產(chǎn)水速率下降,故建議對SS質(zhì)量濃度較大的原水進(jìn)行前端預(yù)處理。

3) 本工藝的活性炭用量較大,使用周期較短,活性炭成本較高,故建議更換活性炭時采用新炭和再生炭相結(jié)合的方式,可大大降低活性炭的使用成本,從而降低整個系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

3 結(jié) 語

采用活性炭濾膜深度處理工藝,能夠有效降低污水處理廠出水中的CODCr和SS。本中試設(shè)備單次活性炭投加量為150 kg時,CODCr去除率為69%～93%,SS達(dá)到100%。出水CODCr和SS均可滿足GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放限值。此外,本中試設(shè)備的直接運(yùn)行成本為0.84元/t,對有迫切提標(biāo)需求的城鎮(zhèn)污水處理廠,采用本活性炭濾膜深度處理工藝在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上是可行的。