李 劍 杜躍鵬 李子靖 左曉明
(北京匯天運維技術(shù)服務(wù)有限責任公司,北京 102400)
過濾作為給水工藝中最重要的環(huán)節(jié),在市政給水處理中廣泛應(yīng)用[1],推廣效果很好。對更難處理的工業(yè)廢水來說,常規(guī)過濾的表現(xiàn)不盡理想,尤其是含油廢水[2]。本文以含油廢水為例,對多級精細過濾處理進行研究。
含油廢水與常規(guī)廢水最大特點是油田廢水密度小,多級精細采用粗?;椒ǎ糜?、水兩相對聚結(jié)材料親合力相差懸殊的特性,當含油廢水通過填充著聚結(jié)材料的床層時,油粒被材料捕獲滯留在材料表面和孔隙內(nèi)。隨著捕獲油粒的增加,油粒間會產(chǎn)生變形,合并聚結(jié)成較大的油粒,以此對油進行去除。
在一體化過濾裝置中,雜質(zhì)在濾料的理論分布與實踐存在一定的偏差,尤其是下向流過濾中,經(jīng)過反沖洗后的過濾裝置,很容易造成濾料倒置,粒徑從下至上逐漸變大。因此產(chǎn)生了“反粒度過濾”的概念,濾水從底部的粗濾料進入,穿透粗濾料濾層后進入上層的細濾料流出,雖然有效解決了下向流空隙的浪費問題,但是容易造成濾料流失。多級過濾方法是由多個均質(zhì)過濾柱組成,可以解決在一體化過濾裝置中濾料流失的問題,整個過濾單元分為2~3個過濾柱,每個過濾柱的濾料為均質(zhì)濾料,不均勻系數(shù)K80<1.3。通過多級過濾設(shè)置,既可以滿足反粒度過濾的要求,又可以采用粗粒化去除含油廢水,降低混凝藥劑的投加量,從而降低成本。
配制400NTU福爾馬肼標準液,準確稱取1.0g硫酸肼和10.0g六次甲基四胺粉末分別溶于蒸餾水中,溶液混勻后,稀釋至100mL容量瓶,在恒溫箱靜置24h后稀釋至400NTU。根據(jù)需要將溶液稀釋至目標溶液。
過濾柱采用兩根高1.5m,直徑100mm的圓柱形有機玻璃過濾柱。承托層鋪設(shè)200mm鵝卵石,承托層底部以有機玻璃穿孔板阻隔,方便均勻配水。濾料為1.2~1.6mm粒徑濾球,一級過濾濾料1.6mm,二級過濾1.2mm,K80均為1.3,鋪設(shè)厚度為700mm。
通過旁通管出水控制均勻濾速,保持在10m/h。每5min或者2min取樣測量出水濁度,并繪制濁度變化曲線,當出水濁度趨于進水濁度時,濾料吸附攔截將近飽和,停止過濾,選取該時刻點為過濾時間。配制30NTU濁度水過濾,按照不同時間點取樣測量濁度,并繪制曲線如圖1所示。當過濾30min時,出水濁度趨于穩(wěn)定,選取30min作為過濾時間。
圖1 過濾出水曲線
圖2 廢水處理工藝
設(shè)計對比試驗,按照上述條件在濾料1.6mm情況下進行一級過濾和二級過濾對比試驗。
一級過濾,進水濁度18.2NTU,數(shù)據(jù)見表1。二級過濾,進水濁度13.9NTU,數(shù)據(jù)見表2。
表1 一級過濾出水濁度
表2 二級過濾出水濁度
當進水濁度(18.2NTU)較高時,一級過濾效果欠佳,去除率僅為25%。當進水濁度(13.9NTU)較低時,第二級過濾效果去除率為50%,經(jīng)兩級過濾后,水中濁度可降至7以下,去除率高于60%。
對配置濁度溶液水,使用濁度儀測定濁度,按照《水質(zhì)懸浮物的測定》(GB 11901—89)水質(zhì)懸浮物的測定方法測定SS,試驗結(jié)果見表3。
表3 濁度與SS對應(yīng)數(shù)據(jù)
通過模擬計算得到公式(1)。
式中:Y為固體懸浮物濃度,mg/L;X為濁度,NTU。將Y=1、Y=2、Y=3帶入公式(1)中,得到X=1.08、X=1.72、X=2.36。
對二級出水進行亞硫酸鈉滴定試驗。亞硫酸鈉溶液的配置溶度為0.109g/mL,對200mL水樣進行滴定。通過軟件模擬,得到亞硫酸鈉使用量與水樣含量的關(guān)系,見表4。
表4 含氧量試驗數(shù)據(jù)
亞硫酸鈉使用量的計算過程如公式(2)所示。
式中:A為亞硫酸鈉使用量,kg,B為含氧量,mg/L,其中B≤5mg/L。
使用公式(1)對試驗出水水質(zhì)進行判斷。
通過兩種方法統(tǒng)計藥用量,記錄進水總量和試驗結(jié)束后使用的藥量,計算噸水處理用藥量。在試驗過程中,取某段時間藥用量,采用實時監(jiān)控,同時可以觀察投藥過程是否穩(wěn)定。對統(tǒng)計到兩組數(shù)據(jù)求平均得到藥用量,見表5。
表5 試驗結(jié)論
從調(diào)節(jié)池直接取未加藥的原水過濾,使用試驗制備的小型過濾裝置[5],原水的信息:濁度34.4NTU,含油量10.980mg/L。濾料:1.25~1.6mm,厚度為730mm。承托層:4~20mm(石子),厚度190mm。濾速:25m/h。
將所有過濾水收集到一個水桶中,濁度為25NTU,含油量為4.6869mg/L。本次試驗過濾速度較快,如果原水補充不及時,就會出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。查看濾料發(fā)現(xiàn)經(jīng)過本次試驗后,濾料沒有出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象,取出濾料用水沖洗,發(fā)現(xiàn)濾料上的油污能被沖洗掉,試驗數(shù)據(jù)見表6。
表6 試驗數(shù)據(jù)
當過濾柱前端狀態(tài)控制良好,濾速為32m/h時,一級出水可以滿足A3標準,二級出水可以滿足A2標準。
根據(jù)實際含氧量需要,按照公式(2)調(diào)整亞硫酸鈉的投加量,對水中的含氧量進行消解。
考慮經(jīng)濟和使用效果確定最佳的投藥方案:PAC為46.095g/t,PAM為1.962g/t,CaO為64.479g/t。
本次試驗用的濾料親油性能差,可以長期使用不用擔心板結(jié),采用氣水反沖洗或脈沖反沖洗可有效防止板結(jié)。
在含油廢水中,與一般過濾方式相比,多級精細過濾方式采用兩個獨立的過濾器,上層鋪設(shè)改性陶瓷濾料,鋪設(shè)厚度為700mm,承托層鋪設(shè)200mm鵝卵石。一級過濾陶瓷濾料濾徑為1.6mm,二級過濾陶瓷濾料濾徑為1.2mm,K80均為1.3。
當過濾濾速為10m/h~20m/h時,出水指標滿足A1標準,但是藥劑成本較高。當濾速為32m/h時,一級出水可以滿足A3標準,二級出水可以滿足A2標準。當濾速為25m/h時,出水指標和藥劑成本達到最佳平衡值。因此一級過濾濾速為32m/h,二級濾速為25m/h。
當采用較高反沖洗強度16L/(m2·s)時,初始反沖洗出水濁度最高,反沖洗出水趨于平穩(wěn)的用時最短,反沖洗效率為最高,其濾料膨脹率達到50%~60%。當反沖洗強度為8L/(m2·s)時,初始反沖洗出水濁度最低,濾料并沒有完全清洗徹底,膨脹率僅為10%,反沖洗強度不足以使整個濾料呈流化態(tài),反沖洗效率較低。反沖洗強度12L/(m2·s)時,濾料膨脹率為30%,清洗效果適中。采用多級均質(zhì)濾料,不存在濾層結(jié)構(gòu)擾動干擾,因此采用16L/(m2·s)的反沖洗強度。
針對含油廢水粗?;幚矸椒?,選用傳統(tǒng)的膜處理與活性炭吸附等方式盡管處理效果好,但是成本較高,材料重生困難,而傳統(tǒng)的石英砂、無煙煤等濾料在含油廢水中的應(yīng)用效果較差。陶粒濾料選用陶土添加成孔劑、黏溶劑,經(jīng)球磨、篩分、成型、煅燒而成,具有表面堅硬,內(nèi)部多微孔,比表面積大,空隙率高、疏油性等特點。用于含油廢水處理,具有截污能力強、過濾周期長、過濾水頭損失小、反沖洗耗水量低等特點,因此采用陶瓷濾料。
以山東某集團大豆油廢水為例[3],其中蛋白廢水5000m3/d,pH約為4,COD為18000mg/L。含油29.2mg/L,SS為4000mg/L~6000mg/L,NH4+-N為100mg/L。果糖廢水2500m3/d,pH為1~13,COD為1500mg/L~3000mg/L,BOD/COD為0.7。玉米淀粉1500m3/d,COD為7000mg/L~9000mg/L,SO42-為100mg/L。
大豆油廢水經(jīng)過前段氣浮處理后采用多級過濾工藝如圖3所示。首先,根據(jù)加藥后的液體顏色變化決定混凝劑投加藥量[4],采用回轉(zhuǎn)式氣浮裝置對懸浮物進行初步去除,去除效率為50%,出水SS約為2000mg/L。其次,進入多級過濾裝置,采用1.6mm和1.2mm濾料過濾裝置,最后,出水COD為150mg/L~200mg/L,含油低于1mg/L。
該粗粒化裝置采用以疏油性的陶瓷濾料作為粗?;牧蟍6],在含油廢水分散油珠粗?;⑦B續(xù)出水的同時可同步清洗濾料。廢水中的細小分散油珠主要通過碰撞聚結(jié)作用,相互接觸聚結(jié)成較大的油珠,浮力大于重力后,油滴從填料中脫離,浮上水面后被去除。在運行過程中,采用連續(xù)進水的方式,當裝置中的浮油層累計足夠厚時,打開浮油管的閥門,將浮油排出,凈化后的出水從出水管流出,進入下一個裝置。隨著運行時間的增加,聚結(jié)材料表面會沉積油泥或其他懸浮顆粒。
反沖洗進水管位于濾床中心,當反沖洗時,開啟沖洗水泵,將高位水箱內(nèi)的清水泵入罐體底部,進行反洗,反洗進水管出來的高壓水在進水管和提升管間形成了負壓區(qū),使提升管底部的濾料被壓入提升管中,而提升管外側(cè)的填料則沿斜面不斷地滑到提升管底部,隨高壓水進入提升管,進入提升管內(nèi)的填料在管內(nèi)劇烈地碰撞摩擦,將顆粒表面黏附的雜質(zhì)去掉,隨后填料經(jīng)傘形滑落到填料層頂,使填料層得到更新,從而做到內(nèi)循環(huán)反沖洗。
多級精細過濾裝置的特點是多級濾床分別設(shè)置,可根據(jù)出水水質(zhì)要求調(diào)節(jié)各級的濾床面積或者改變過濾級數(shù),當材料表面被油膜包住,過濾水頭不斷增加,當增至一定值后,開始反沖洗,在反沖洗水的沖力與浮力下,油膜脫離濾料最終與反沖洗水一同排出裝置。經(jīng)過多級精細過濾裝置的處理,不僅可以進一步去除廢水中的油珠,還可以去除一部分極難處理的溶解油,出水含油量可低至約2mg/L,甚至接近1mg/L。
目前需要兩種濾料,一種是平均粒徑為4mm的陶瓷濾料,抗壓強度為20MPa~25MPa,濾料表面粗糙,擬用作污水處理時生物污泥掛膜的載體。另一種是平均粒徑為0.6~1.0mm的陶瓷濾料,抗壓強度為50MPa,濾料表面較光滑。對該濾料表面進行改性,第一段工藝為粗?;?,裝置中為疏油性的濾料,進水含油量控制在20mg/L以下,當含油污水流經(jīng)時,粗?;牧鲜鞘栌偷?。第二段工藝為精細過濾,裝置中為親油性濾料,分散油珠潤濕附著在濾料表面,隨反沖洗水一同脫離濾料,同時濾料重生。
采用多級精細過濾利用粗?;椒▽蛷U水進行處理,可降低藥耗,并采用反粒度過濾方式解決粗粒化濾料膨脹產(chǎn)生的問題,通過試驗和實際應(yīng)用驗證了其可行性。
多級精細過濾裝置的特點在于分別設(shè)置,可根據(jù)出水水質(zhì)要求調(diào)節(jié)各級的濾床面積或者改變過濾級數(shù),利用過濾材料的親疏水性分離油水。
濾料對粗?;氝^濾有較大影響,本次試驗用的濾料親油性能差,可以長期使用不用擔心板結(jié),采用氣水反沖洗或脈沖反沖洗可有效防止板結(jié)。
內(nèi)置濾料采用陶瓷濾料,濾料表面形成有大量可吸附物質(zhì)的孔洞,通過增加比表面積,以提高濾料的吸附能力。裝置結(jié)構(gòu)緊湊巧妙,多級過濾集于一個罐體中,占地小且可根據(jù)出水效果改變級數(shù)。
對比含油廢水過濾的反沖洗與天然濁度廢水過的反沖洗,含油廢水更難處理。因此處理含油廢水不僅應(yīng)考慮過濾效果,還應(yīng)結(jié)合反沖洗效果。