馬超，黃隆

（上海世尼環(huán)保技術(shù)有限公司，上海 201100）

水資源匱乏以及水環(huán)境污染問題已經(jīng)成為限制我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不可忽略因素。在各個(gè)生產(chǎn)過程中，為了減少污水排放量，并節(jié)約水源，越來越多的企業(yè)在污水有效處理后將其進(jìn)行深度處理后回用，最終實(shí)現(xiàn)廢水零排放。深度處理過程較多采用二級(jí)膜濃縮工藝[1]，但經(jīng)過一級(jí)濃縮產(chǎn)生的反滲透濃水中 SiO2濃度顯著增加[2]，嚴(yán)重影響到后續(xù)二級(jí)高壓反滲透系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[3-4]。因此，要保證反滲透系統(tǒng)的正常運(yùn)行就需要對(duì)反滲透濃水進(jìn)行除硅預(yù)處理。

目前，常用的除硅方法有混凝沉淀、反滲透、電凝聚以及離子交換等[5-6]。本工程中的廣東佛山某工業(yè)園區(qū)污水處理廠在中水回用工程中采用了傳統(tǒng)混凝沉淀工藝進(jìn)行一級(jí)低壓反滲透濃水除硅預(yù)處理，即利用某些金屬鹽能夠吸附或凝聚硅的性能來達(dá)到除硅的目的。但是由于反滲透濃水含鹽量高、有機(jī)物含量低、水質(zhì)成分復(fù)雜，傳統(tǒng)的混凝沉淀工藝在處理效果和運(yùn)行費(fèi)用等方面都存在一定的缺陷。

經(jīng)過工藝技術(shù)及經(jīng)濟(jì)比較，本設(shè)計(jì)選擇了占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械自動(dòng)化程度的SEDIPACT高密池工藝應(yīng)用于該污水處理廠反滲透濃水除硅預(yù)處理。本文主要介紹了 SEDIPACT高密池工藝的組成，特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)參數(shù)，并且反滲透濃水經(jīng)過高密池工藝系統(tǒng)處理后，滿足了高反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水要求。

1 高密池工藝介紹

1.1 工藝原理

SEDIPACT高密池是一個(gè)集混凝、絮凝、污泥沉淀和濃縮功能于一體，且自帶污泥回流系統(tǒng)的緊湊型斜管沉淀池工藝[7]，工藝流程如圖1所示，主要由混凝、絮凝、污泥濃縮、固液分離和出水收集組成。

圖1 高密池工藝流程圖

原水進(jìn)入混凝池前加入混凝劑，在攪拌機(jī)的作用下進(jìn)行快速混合反應(yīng)，使原水中的膠體脫穩(wěn)，形成絮體?；炷蟮乃M(jìn)入絮凝池，在攪拌機(jī)和導(dǎo)流筒的共同作用下，水和回流污泥與絮凝劑充分混合并持續(xù)循環(huán)，絮體相互碰撞，不斷生成礬花，形成致密均勻的絮體顆粒。帶濃縮格柵的刮泥機(jī)不斷濃縮和沉淀絮體顆粒，部分濃縮污泥回流至前面的絮凝池，另一部分從系統(tǒng)中排出。水中較輕的絮體則被斜板截留，形成污泥層沉積在斜板的一側(cè)，并滑回沉淀池底部。處理之后的澄清水由斜管上部的集水槽收集排出系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)的混凝沉淀池相比，高密池工藝將沉積區(qū)的污泥或其他沉積物部分回流到沉淀池的前部，人為地為混凝沉淀反應(yīng)提供凝聚核心、提高反應(yīng)區(qū)懸浮物濃度，加強(qiáng)絮凝效果[8]。該方法投資低廉，而且其出泥干度較高，可直接脫水。由于回流和排放的污泥濃度較高，故常被稱為高密池工藝。

1.2 工藝特點(diǎn)

經(jīng)過不斷的工程實(shí)踐和改進(jìn)，高密池工藝的優(yōu)勢不斷得到加強(qiáng)和完善，其主要工藝特點(diǎn)和優(yōu)勢如下：

1）占地小。占地面積為常規(guī)沉淀技術(shù)的1/4~1/10，節(jié)約土建造價(jià)，適合于用地緊張的項(xiàng)目。

2）沉淀效率高。其水流上升速度一般在 10~25 m·h-1之間。

3）排泥干度高。出泥濃度一般為50~80 g·L-1，在石灰軟化時(shí)可達(dá)100~400 g·L-1，完全滿足直接脫水的要求，無需再建濃縮池。

4）抗負(fù)荷變化能力強(qiáng)。得益于污泥回流功能，其反應(yīng)區(qū)內(nèi)固體懸浮物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)數(shù)千ppm，在進(jìn)水水質(zhì)變化較大的情況下也能起到很好的緩沖作用，而且出水水質(zhì)基本不受影響。

5）節(jié)約藥劑。由于污泥回流可以回收部分藥劑，而且循環(huán)使得污泥和水的接觸時(shí)間較長，因此其耗藥量低于其他的沉淀裝置。

6）水量損失較低。由于排出的污泥濃度較高，其帶走的水量也相對(duì)較少。和傳統(tǒng)的靜態(tài)沉淀池相比，高密度沉淀池的水量損失非常低。

2 項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目概況

廣東佛山某工業(yè)園區(qū)污水處理廠污水處理能力 7.6萬 t·d-1、中水回用能力 4萬 t·d-1，建設(shè)完成了3.8萬t·d-1中水回用工程。項(xiàng)目業(yè)主提供項(xiàng)目實(shí)測一級(jí)低壓反滲透裝置（低壓海淡裝置，回收率66.7%）濃水平均水質(zhì)參數(shù)如表1 所示。本項(xiàng)目濃水二氧化硅含量高于二級(jí)高壓反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水要求 (10 mg·L-1)，為保證反滲透系統(tǒng)后續(xù)的正常運(yùn)行，選用高密池工藝作為反滲透濃水除硅預(yù)處理，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)測值結(jié)合處理水質(zhì)要求，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)如表2 所示。

表1 一級(jí)反滲透濃水水質(zhì)參數(shù)

表2 高密池工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

2.2 工藝設(shè)計(jì)

2.2.1 混凝

化學(xué)混凝是除硅預(yù)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟。高密池工藝采用動(dòng)態(tài)混凝原理，即在反應(yīng)池的表層控制進(jìn)水和出水的水流，這種布置限制了水流沿著池壁的抽力，延長了水流的流徑從而提高了混合的效果，最大限度地保證了回流污泥與進(jìn)水的充分混合。

本設(shè)計(jì)中混凝池的有效容積為45 m3，有效停留時(shí)間為3.24 min，設(shè)計(jì)混凝劑的平均投加質(zhì)量濃度為 858 mg·L-1（以 100% FeCl3計(jì)）。

2.2.2 絮凝

絮凝是一種物理機(jī)械過程。此過程需要物理攪拌、絮凝劑以及特別設(shè)計(jì)的導(dǎo)流筒來強(qiáng)化絮凝效果。本設(shè)計(jì)工藝中環(huán)形的穿孔管安裝在導(dǎo)流筒的上方以利于助凝劑的分配以及充分利用，反旋流板安裝在導(dǎo)流筒和池壁之間，位于池體上方，垂直于水流方向，避免因旋流導(dǎo)致水中懸浮固體沉淀，葉片位于導(dǎo)缸下方，可提高葉輪轉(zhuǎn)速，避免旋流危險(xiǎn)。

整個(gè)絮凝池的有效容積為324 m3，有效停留時(shí)間為23.33 min。設(shè)計(jì)絮凝劑的平均投加質(zhì)量濃度為10 mg·L-1。

2.2.3 沉淀和污泥濃縮

沉淀池設(shè)計(jì)直徑為 12 m，有效停留時(shí)間約為63 min，并配備中心傳動(dòng)帶柵條濃縮功能刮泥機(jī)一臺(tái)。

斜管區(qū)域有效鏡向面積為 93.6 m2，上升流速8.9 m·h-1，在此速度下沉淀池的沉淀效果仍然良好。斜管的長度為1.15 m，斜管內(nèi)徑為50 mm，它的安裝傾度和水平方向呈 60°，保證斜管上的污泥可以順利地滑向底部。斜管沉淀投影面積和鏡向面積之間的比值越大，有效沉淀面積就越大[9]，因此本設(shè)計(jì)中斜管的剖面采用比值更大的六邊形。

2.2.4 污泥循環(huán)

污泥循環(huán)系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)并聯(lián)污泥回流泵，將沉淀區(qū)沉積下的污泥或其他沉淀物部分回流到沉淀池前段絮凝區(qū)入口。每臺(tái)泵的設(shè)計(jì)流量為40 m3·h-1，高密池工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)污泥回流率在8%~12%。泵和管路設(shè)計(jì)為并聯(lián)、獨(dú)立回流，可以通過啟閉管路閥門來調(diào)節(jié)單、雙臺(tái)回流泵運(yùn)行模式。同時(shí)配備變頻器來調(diào)節(jié)污泥回流率，以應(yīng)對(duì)較大范圍的水質(zhì)水量突變。

2.2.5 化學(xué)藥劑投加

化學(xué)藥劑投加系統(tǒng)由混凝劑儲(chǔ)存及投加裝置、絮凝劑制備及投加裝置、氫氧化鈉儲(chǔ)存及投加裝置和硫酸儲(chǔ)存及投加裝置組成。

一般的混凝脫硅的藥劑選擇有鎂鹽、石灰、鋁鹽和鐵鹽等。考慮到鎂鹽和石灰反應(yīng)的pH值較高且會(huì)有大量污泥的產(chǎn)生，以及鋁鹽殘留對(duì)后續(xù)反滲透膜系統(tǒng)的危害[10]，經(jīng)過現(xiàn)場水樣的小試，本高密池工藝選擇的混凝脫硅藥劑為三氯化鐵，配合氫氧化鈉進(jìn)行pH調(diào)劑和陰離子聚丙烯酰胺(PAM)助凝。

混凝劑投加系統(tǒng)選用28%有效濃度的液態(tài)三氯化鐵。三氯化鐵投加后的物化反應(yīng)能夠使水體中的膠體硅脫穩(wěn)，而且生成的氫氧化鐵沉淀物能夠吸附溶解硅。在這些反應(yīng)的協(xié)同作用下，三氯化鐵的投加能有效地去除水體中的硅。混凝劑投加泵采用變頻控制，在設(shè)定一定的投加濃度前提下，根據(jù)進(jìn)水流量調(diào)節(jié)投加流量，保證了混凝除硅的反應(yīng)效果，同時(shí)也精確控制藥劑的投加量，有利于運(yùn)行成本的控制。

絮凝劑投加系統(tǒng)選用陰離子 PAM自動(dòng)制備投加裝置。PAM的配置濃度為 0.1%，投加泵采用變頻控制，保證水中PAM投加濃度的穩(wěn)定，滿足絮凝反應(yīng)的需要，也避免過量投加。

根據(jù)各反應(yīng)段對(duì)pH控制要求，依據(jù)在線pH儀表的反饋，采用氫氧化鈉和硫酸對(duì)反應(yīng) pH進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 高密池工藝運(yùn)行效果

3.1 除硅效果

根據(jù)計(jì)算，混凝劑三氯化鐵的平均投加量為700 mg·L-1（以 100% FeCl3計(jì)），絮凝劑 PAM 的平均投加量為50 mg·L-1，出水pH控制在7~8。每天檢測進(jìn)出水 SiO2濃度以及出水 SS濃度，調(diào)試期一周（5月4日至5月10日）的運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。反滲透濃水中SiO2質(zhì)量濃度高達(dá)70~100 mg·L-1，平均值為83.6 mg·L-1。經(jīng)過高密池工藝系統(tǒng)處理后，處理出水的SiO2質(zhì)量濃度不大于25 mg·L-1，平均值為 22.2 mg·L-1，出水 SS 不大于 10 mg·L-1，平均值為7.8 mg·L-1。這些結(jié)果說明高密池工藝系統(tǒng)對(duì)反滲透濃水具有良好的除硅處理效果，去除率最高可達(dá)77.7%，并且出水穩(wěn)定，受進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)影響較小。

圖2 高密池工藝系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)（調(diào)試）

3.2 pH影響

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[11]介紹，結(jié)合現(xiàn)場小試結(jié)果，用三氯化鐵混凝除硅的最佳反應(yīng)pH在9左右。但是現(xiàn)場運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，在高于8的pH條件下，運(yùn)行所選的PAM絮凝劑的絮凝效果會(huì)得到極大的削弱，導(dǎo)致出水的SS持續(xù)升高。因此，現(xiàn)場運(yùn)行維持反應(yīng)pH在8以下，絮凝PAM的投加量（平均50 mg·L-1）也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)投加量（10 mg·L-1）。雖然pH運(yùn)行條件有所改變，但是高密池工藝仍能滿足系統(tǒng)的處理要求，且實(shí)際三氯化鐵的平均投加量（平均700 mg·L-1）低于設(shè)計(jì)投加量（848 mg·L-1）。

針對(duì)反應(yīng) pH值的問題，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室也進(jìn)行了不同 pH條件下的二氧化硅去除的現(xiàn)場小試?，F(xiàn)場進(jìn)水 SiO2為 93 mg·L-1，保持三氯化鐵的投加量在700 mg·L-1的條件下，分別調(diào)節(jié)反應(yīng)pH為7.5、8、9和11，測試反應(yīng)上清液中SiO2的含量，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同反應(yīng)pH條件下上清液SiO2濃度

從小試結(jié)果可以看出，反應(yīng)pH越高，對(duì)SiO2的去除效果越好，但也同樣意味著需要增加堿液的投加量。一般認(rèn)為在鐵鹽除硅的過程中，無定形氫氧化鐵比晶形氫氧化鐵的吸附效果更好。隨著反應(yīng)pH的增加，無定形氫氧化鐵在鐵的氫氧化物中比例逐漸升高[12]，反應(yīng)對(duì)水中的SiO2去除效果會(huì)越好。

基于以上問題，在今后的現(xiàn)場運(yùn)行中，可以嘗試實(shí)驗(yàn)尋找合適的絮凝PAM藥劑，適當(dāng)提高反應(yīng)的pH值，在保持較好的出水SiO2和SS濃度，符合后續(xù)高壓反滲透系統(tǒng)運(yùn)行要求的前提下，減少絮凝PAM藥劑和三氯化鐵混凝劑的投加量。

4 結(jié) 論

在三氯化鐵的平均投加量為 700 mg·L-1（以100% FeCl3計(jì)），進(jìn)水 SiO2平均值為 83.6 mg·L-1的情況下，高密池工藝系統(tǒng)處理出水 SiO2和 SS均能夠達(dá)到處理要求（SiO2＜25 mg·L-1，SS＜10 mg·L-1）。

經(jīng)過現(xiàn)場穩(wěn)定運(yùn)行證實(shí)，高密池工藝應(yīng)用于零排放系統(tǒng)反滲透濃水的除硅預(yù)處理是一種很好的工藝。在反滲透濃水SiO2質(zhì)量濃度高達(dá)95 mg·L-1，且總固溶物（TDS）高于25 000 mg·L-1的進(jìn)水條件下，高密池工藝運(yùn)行出水 SiO2質(zhì)量濃度平均值為22.2 mg·L-1，能完全滿足后續(xù)高壓反滲透系統(tǒng)對(duì)SiO2的進(jìn)水要求。

相對(duì)于傳統(tǒng)普通混凝沉淀工藝，高密池工藝具有處理效果好、處理結(jié)果可控，操作簡便、構(gòu)造緊湊、占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，將使其具有良好的使用前景，特別是在反滲透濃水的除硅預(yù)處理上具有良好的適用性。