新型氣浮設(shè)備去除污水廠二沉池出水TP和SS中試

摘要：采用自主設(shè)計(jì)研發(fā)的新型氣浮設(shè)備對(duì)北方某市污水廠二沉池出水進(jìn)行深度處理，考察了混凝劑種類、水溫、回流比、表面負(fù)荷等對(duì)去除TP和SS的影響。結(jié)果表明，在一定的表面負(fù)荷和回流比下，二沉池出水經(jīng)新型氣浮設(shè)備處理后TP濃度低于0.3mg/L，且不受溫度影響。在僅投加PAC時(shí)，該設(shè)備即可維持出水SS低于20mg/L。相較于高效沉淀池，采用氣浮處理二沉池出水的運(yùn)行費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)效益好，可作為城市污水廠深度處理工藝。

人口增加和生活水平的提高使得生活用水量不斷增加，隨之而來的污水處理問題日益嚴(yán)峻。若不能嚴(yán)格控制污水廠出水氮、磷等含量，將導(dǎo)致受納水體富營養(yǎng)化等嚴(yán)重的水環(huán)境問題。運(yùn)行超過5年的城鎮(zhèn)污水處理廠，大部分處理量已超過當(dāng)初建設(shè)時(shí)的設(shè)計(jì)規(guī)模，且外界因子變化時(shí)出水TP和SS濃度隨之改變，難以滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，需改造升級(jí)。而改擴(kuò)建污水廠為了滿足更加嚴(yán)格的出水TP要求，不得不選擇三級(jí)處理工藝，但常規(guī)三級(jí)處理工藝面對(duì)不斷嚴(yán)格的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，逐漸捉襟見肘。氣浮法具有較好的去除SS效果，且發(fā)展時(shí)間較長，技術(shù)成熟，但對(duì)TP的去除效果需要進(jìn)一步提升。因此開發(fā)具有去除TP且高效降低SS的新型氣浮設(shè)備，是污水廠三級(jí)處理工藝發(fā)展的方向之一。

鐘希冰等采用HYDRONET氣浮技術(shù)代替市政污水廠二沉池，不僅使出水SS降低至2mg/L以下，且可減少PAM的投加量和加藥泵啟動(dòng)頻率，提高了經(jīng)濟(jì)效益。鎮(zhèn)祥華等采用氣浮工藝對(duì)曝氣生物濾池出水進(jìn)行固液分離，有效降低了出水SS及TP濃度，并且可以保證TP濃度降低至0.05mg/L（一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)為0.5mg/L），保證了污水處理達(dá)標(biāo)率。潘國強(qiáng)等采用氣浮-陶瓷膜耦合工藝處理煉油廠含油廢水，總COD去除率高達(dá)96%以上，體現(xiàn)了該工藝對(duì)污染物的高效去除能力?？梢姡_發(fā)新型氣浮工藝一直是污水深度處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

筆者結(jié)合氣浮工作原理，開發(fā)了一種新型氣浮設(shè)備，其分離段采用上流式構(gòu)造并布置斜板，可強(qiáng)化浮渣與水的分離作用，提高氣浮除污效率。采用該新型氣浮設(shè)備對(duì)污水廠二沉池出水進(jìn)行深度處理中試研究，考察了對(duì)TP和SS的去除效果，以期為新型設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

01 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水水質(zhì)

試驗(yàn)用水取自北方某城市污水處理廠二沉池出水，其冬季SS濃度為400～800mg/L，水樣經(jīng)靜沉30min的上清液中TP濃度高達(dá)1.0～2.0mg/L；在夏季二沉池出水SS濃度處于200～400mg/L之間， TP濃度為0.5～1.0mg/L。

1.2 試驗(yàn)裝置及特點(diǎn)

1.2.1 試驗(yàn)裝置

研發(fā)的新型氣浮設(shè)備如圖1所示。該氣浮設(shè)備由鋼板焊接而成，整體長3.8m，寬1.6m，高2.5m。采用平流式氣浮池，長1.8m，寬1m，有效水深為2.2m，超高取0.3m。排渣槽設(shè)在氣浮池的一側(cè)，其寬與槽深均為0.2m。氣浮設(shè)備出水集水管中心線距池底0.3m，池底設(shè)有排泥管，將池底的少量淤泥排出。

新型氣浮裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)進(jìn)水流量為15m3/h，水力停留時(shí)間為10min，表面負(fù)荷為8m3/（m2·h）。壓力溶氣罐高為1.55m，外徑為0.2m。溶氣罐的壓力在0.3～0.42MPa之間，回流泵流量為1.5～2.0m3/h，回流比為10%～13.3%。

新型氣浮設(shè)備未設(shè)橋式刮渣機(jī)，通過控制水位去除水面的浮渣，電動(dòng)出水閥安裝在出水管上，通過定時(shí)器來控制電動(dòng)出水閥的開閉。當(dāng)電動(dòng)出水閥關(guān)閉時(shí)，氣浮機(jī)停止出水，氣浮池內(nèi)水位上升，將水面上的浮渣排入排渣槽，實(shí)現(xiàn)固液分離。

1.2.2 裝置主要特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的氣浮工藝相比，該新型氣浮工藝的主要特點(diǎn)是：采用上向流氣浮，水流上升與浮渣上浮同方向，表面負(fù)荷高。

主流的氣浮反應(yīng)器分離段構(gòu)造是水從上向下流動(dòng)，在水向下流動(dòng)的過程中浮渣向上分離，由于水流方向與浮渣的分離方向相反，因此可稱為異向流氣浮。異向流氣浮向下的水流速度不能過快，否則容易造成出水帶浮渣，影響處理效果。異向流氣浮反應(yīng)器的表面負(fù)荷一般在5.4～9m3/（m2·h）之間。

該新型氣浮的分離段采用下進(jìn)水上向流結(jié)構(gòu)，絮凝后的水與溶氣水在進(jìn)入分離段之前混合并在分離段下部布水，在底部接觸區(qū)微氣泡與微絮體進(jìn)一步接觸，形成絮體與氣泡結(jié)合體，然后水繼續(xù)上升到分離區(qū)。分離區(qū)設(shè)獨(dú)特結(jié)構(gòu)的分離器，該分離器是一種斜板結(jié)構(gòu)，在斜板上端設(shè)集水槽。水進(jìn)入分離區(qū)后，首先在斜板的作用下產(chǎn)生浮渣分離效果，在兩層斜板之間形成浮渣和清水分層，浮渣將貼著上斜板下部在水流推動(dòng)和浮力的作用下向上流動(dòng)形成浮渣層，清水層向上推動(dòng)，在分離器上端通過集水槽收集，通過各集水槽上的支管與匯水管連接，最終進(jìn)入清水池。氣浮包括絮凝、絮體與微氣泡結(jié)合、絮體/氣泡結(jié)合體與水分離三個(gè)主要過程。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)藥劑共兩種，分別是聚合氯化鋁（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM），試驗(yàn)期間PAC投加量為15.1、27.5、32、36.7mg/L，PAM投加量為0.5、0.6、0.6～0.7、0.77mg/L。

試驗(yàn)周期跨越了春、夏、秋、冬四季，其水溫在17～29℃之間波動(dòng)。經(jīng)前期試驗(yàn)摸索適當(dāng)?shù)倪M(jìn)水流量、混凝劑投加量、回流比之后，進(jìn)行分段試驗(yàn)研究。分段試驗(yàn)一：只投加PAC試驗(yàn)和PAC、PAM同時(shí)投加試驗(yàn)；分段試驗(yàn)二：考察不同季節(jié)時(shí)溫度對(duì)氣浮效果的影響，同時(shí)將新型氣浮池出水與污水處理廠高效沉淀池出水進(jìn)行對(duì)比。

02 結(jié)果與討論

2.1 除磷效果

2.1.1 與污水廠高效沉淀池的對(duì)比

新型氣浮設(shè)備所在污水處理廠采用 “高效沉淀池+V型濾池” 三級(jí)處理工藝，因氣浮設(shè)備未設(shè)置濾池，將其出水TP濃度與該廠高效沉淀池出水TP濃度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖2。氣浮設(shè)備出水TP最低為0.09mg/L，最高為0.35mg/L，平均為0.24mg/L；污水廠出水TP最低為0.16mg/L，最高為0.63mg/L，平均值為0.38mg/L。由此可見，二沉池出水經(jīng)氣浮處理后比污水廠高效沉淀池出水TP濃度更低且穩(wěn)定，說明氣浮工藝用于污水廠深度除磷是可行的，且除磷效果較高效沉淀池好，經(jīng)出水平均值對(duì)比，氣浮工藝的除磷效率較高效沉淀池高36.8%。另外，從整個(gè)運(yùn)行過程來看，污水廠出水TP濃度受季節(jié)影響較大，而新型氣浮設(shè)備受季節(jié)影響小，且可維持出水TP濃度處于較低水平，為污水廠出水TP達(dá)標(biāo)提供了保障，并且該氣浮裝置的處理量可以達(dá)到360m3/d，占地面積只有6.08m2，相較于一般的氣浮設(shè)備，占地面積要小。

將檢測的出水TP濃度劃分為4個(gè)階段，統(tǒng)計(jì)各個(gè)階段所包含的天數(shù)并計(jì)算其占比。結(jié)果顯示，氣浮池出水TP為0～0.2、0.2～0.3、0.3～0.5、>0.5mg/L的天數(shù)分別為9、17、10、0d，相應(yīng)占比分別為25%、47.2%、27.8%、0，而污水廠高效沉淀池的相應(yīng)值分別為2、3、27、4d和5.6%、8.3%、75%、11.1%?？梢娦滦蜌飧〕爻鏊甌P大部分在0.2～0.3mg/L之間，污水廠高效沉淀池的出水TP大部分在0.3～0.5mg/L之間，表明新型氣浮池的除磷效果遠(yuǎn)優(yōu)于污水廠的高效沉淀池，即便在二沉池的出水SS過高時(shí)中試設(shè)備也能取得較好的除磷效果，出水水質(zhì)達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 藥劑對(duì)除磷效果的影響

為有效去除水中的懸浮物，考察了PAC和PAM對(duì)氣浮效果的影響，結(jié)果如圖3所示。投加PAC和PAC+PAM的氣浮出水TP濃度變化趨勢一致，總體上PAC+PAM的出水水質(zhì)略優(yōu)于PAC。試驗(yàn)期間，兩種投藥方式下的出水TP濃度均低于0.3mg/L，且均遠(yuǎn)低于同時(shí)期污水廠出水磷濃度，表明兩種投藥方式都可作為二沉池出水深度除磷的備選。

將投加PAC與PAC+PAM的出水總磷濃度數(shù)據(jù)劃分為5個(gè)區(qū)域，并將其在各個(gè)區(qū)域的天數(shù)進(jìn)行匯總，結(jié)果如表1所示。同時(shí)加入PAC和PAM與僅投加PAC的除磷效果差異較小，當(dāng)僅投加PAC時(shí)TP平均去除率為68.8%，同時(shí)加入PAC和PAM時(shí)，總磷平均去除率為69.2%。由于二者的TP去除率差異較小，且均能滿足出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，故在實(shí)際工程中可以只投加PAC。

2.1.3 季節(jié)變化對(duì)除磷效果的影響

此氣浮設(shè)備運(yùn)行的周期較長，其間跨越了多個(gè)季節(jié)，由于各個(gè)季節(jié)的溫度不同，導(dǎo)致原水水溫存在差異。為探究水溫對(duì)氣浮設(shè)備去除TP的影響，選取夏季、秋季、冬季的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果見圖4。

在進(jìn)水流量為15m³/h時(shí)，選取夏、秋、冬季各連續(xù)22d數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其中夏季出水TP最大值為0.47mg/L，最小值為0.09mg/L，平均值為0.26mg/L；秋季出水TP最大值為0.39mg/L，最小值為0.12mg/L，平均值為0.24mg/L；冬季出水TP最大值為0.39mg/L，最小值為0.13mg/L，平均值為0.28mg/L?？梢?，三者的平均值都在0.3mg/L以下且相差不大，即氣浮池對(duì)TP的去除效果并沒有太大波動(dòng)。將各個(gè)季節(jié)的出水總磷濃度的數(shù)據(jù)分為5個(gè)區(qū)域，對(duì)其出水總磷在各個(gè)區(qū)域的天數(shù)進(jìn)行匯總比較，結(jié)果見表2。

夏季的水溫基本上在28℃左右，最高能達(dá)到29℃以上，而冬季的水溫都在18 ℃左右，兩者相差10℃，然而夏季和冬季的出水TP濃度差異較小，并沒有因溫度降低而使出水TP濃度大幅度上升，即水溫對(duì)氣浮池去除TP的影響并不大，三個(gè)季節(jié)都能保證出水總磷濃度在0.5mg/L以下，并且大部分時(shí)間出水TP濃度都保持在0.3mg/L以下。

2.1.4 高SS濃度時(shí)的除磷效果

試驗(yàn)前期正值冬季，該污水處理廠二沉池出水懸浮物濃度較高，其SS為400～800mg/L，出水渾濁，相關(guān)指標(biāo)無法達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。氣浮設(shè)備處理水量為15m3/h，回流比為15%，PAC的投加量為30mg/L，不投加PAM，考察氣浮設(shè)備對(duì)二沉池出水總磷的去除效果。二沉池出水懸浮物濃度高， TP大部分黏附于懸浮物上，經(jīng)測試TP濃度超過2.0mg/L。實(shí)際測試氣浮設(shè)備進(jìn)水TP濃度時(shí)，將水樣靜沉30min，取上清液測量，氣浮設(shè)備出水水樣不靜沉。進(jìn)行了5d的取樣測試，每天上午和下午各取一次樣，氣浮設(shè)備對(duì)TP的去除效果如圖5所示。

在二沉池出水懸浮物濃度高達(dá)400～800mg/L時(shí)，出水中大量的磷以顆粒磷的形式存在，同時(shí)溶解性的磷可與混凝劑（PAC）結(jié)合并析出，然而都可通過氣浮被良好地去除。將進(jìn)水水樣靜沉30min后上清液中TP濃度為1.2～1.5mg/L，經(jīng)氣浮處理后降至0.4mg/L以下，由此可見混凝、氣浮除了去除顆粒態(tài)磷外，對(duì)溶解性磷也有良好的去除效果。新型氣浮工藝通過微氣泡與水中的溶解性磷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成懸浮態(tài)磷，同顆粒態(tài)磷一起被去除。

2.2 新型氣浮設(shè)備對(duì)SS的去除

2.2.1 投加PAM對(duì)出水SS的影響

穩(wěn)定進(jìn)水流量為12m³/h，表面負(fù)荷為6.7m³/（m²·h），回流比為15%，PAC投加量為20mg/L，PAM投加量為0.6mg/L，每天上午投加PAC、下午同時(shí)投加PAC和PAM，結(jié)果如圖6所示。可見，新型氣浮系統(tǒng)只加PAC即可將SS濃度降到20mg/L以下，PAM的加入對(duì)處理效果影響不大。目前，應(yīng)用較多的加磁混凝沉淀池和加砂混凝沉淀池等需引入密度大的細(xì)小顆粒物質(zhì)，顆粒物質(zhì)與懸浮物結(jié)合方可加快懸浮物的沉降，縮短沉降時(shí)間，提高沉降效果，因此這兩種工藝都需要投加PAM。而氣浮工藝采用微小氣泡代替顆粒物，微小氣泡不需PAM即可與懸浮物產(chǎn)生良好的結(jié)合，達(dá)到去除SS效果，降低了運(yùn)行成本。

2.2.2 表面負(fù)荷對(duì)出水SS的影響

穩(wěn)定PAC投加量為20mg/L，不加PAM，回流比為15%。試驗(yàn)前10d分離池的表面負(fù)荷上午為4.5m3/（m²·h）、下午為6.0m³/（m²·h），后10d上午為7.5m³/（m²·h）、下午為9.0m³/（m²·h）。新型氣浮設(shè)備出水SS濃度隨分離池表面負(fù)荷的變化見圖7。

由圖7可知，新型氣浮設(shè)備分離池表面負(fù)荷≤6.0m³/（m²·h）時(shí)，出水SS濃度維持在20mg/L以下，并且保持相對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)表面負(fù)荷≥7.5m3/（m2·h）時(shí)，出水SS濃度波動(dòng)大，部分時(shí)段出水SS超過20mg/L，表明氣浮工藝應(yīng)選擇適宜的進(jìn)水負(fù)荷，否則會(huì)影響后續(xù)出水水質(zhì)。負(fù)荷較高時(shí)，氣浮設(shè)備所產(chǎn)生的微氣泡不能有效與污水中懸浮物接觸，難以去除水中過量的懸浮物，導(dǎo)致出水水質(zhì)變差。

2.2.3 回流比對(duì)出水SS的影響

穩(wěn)定進(jìn)水流量為12m³/h，表面負(fù)荷為6.0m³/（m²·h），PAC投加量為20mg/L，不投加PAM，調(diào)整回流比為8%、12%、16%，氣浮設(shè)備出水SS濃度隨回流比的變化如圖8所示。當(dāng)回流比為8%時(shí)，出水SS濃度高、波動(dòng)大，可達(dá)到80mg/L以上；當(dāng)回流比為12%時(shí)，出水SS仍波動(dòng)較大，平均為25.31mg/L；當(dāng)回流比為16%時(shí)，氣浮出水SS濃度<20mg/L，說明提高回流比可提高對(duì)SS的去除率。

03 經(jīng)濟(jì)效益分析

污水處理運(yùn)行成本主要包括：人工費(fèi)、電費(fèi)和藥劑費(fèi)。其中，新型氣浮裝置的主要用電設(shè)備包括回流泵及空壓機(jī)，高效沉淀池的用電設(shè)備包括回流污泥泵及剩余污泥泵等；高效沉淀池的藥劑費(fèi)包括PAC與PAM的費(fèi)用，而新型氣浮設(shè)備所需藥劑只有PAC。

在相同的進(jìn)水流量（15m³/h）、回流比（15%），以及同等的處理效果下，該新型氣浮設(shè)備的電費(fèi)成本為0.019元/m³，高效沉淀池的電費(fèi)成本為0.026元/m³。新型氣浮設(shè)備所加藥劑是有效成分為30%的PAC，投加量為20mg/L，則藥劑費(fèi)為0.048元/m³；高效沉淀池需同時(shí)加入PAC及PAM，藥劑費(fèi)為0.059元/m³。

根據(jù)上述分析，同時(shí)考慮到兩種工藝人工成本基本相當(dāng)?shù)那闆r，新型氣浮設(shè)備和高效沉淀池的運(yùn)行成本分別為0.067、0.085元/m³（不考慮人工費(fèi)），即新型氣浮池的運(yùn)行費(fèi)用更低。

04 結(jié)論

① 二沉池出水中不僅含有顆粒態(tài)磷還含有溶解性磷，采用新型氣浮池，只需投加PAC即可使出水TP濃度滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，且處理效果不受溫度影響。

② 當(dāng)新型氣浮設(shè)備的表面負(fù)荷為6.0m³/（m²·h）和回流比不小于15%時(shí)，其對(duì)二沉池出水SS的去除效果較好，出水SS維持在20mg/L以下。

③ 新型氣浮設(shè)備處理二沉池出水的電費(fèi)及藥劑費(fèi)成本為0.067元/m³，相對(duì)高效沉淀池工藝更經(jīng)濟(jì)。