復(fù)合濾層深床濾池用于污水深度處理

楊瑾濤

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

健康的城市水環(huán)境是現(xiàn)代化城市的一個(gè)基本標(biāo)志，現(xiàn)階段城鎮(zhèn)污水廠尾水已成為影響水環(huán)境質(zhì)量的重要因素[1]，而全面提升城鎮(zhèn)污水廠出水水質(zhì)是改善城市水環(huán)境質(zhì)量的重要舉措。2017年，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》對(duì)水環(huán)境質(zhì)量和城鎮(zhèn)污水廠升級(jí)改造都提出了明確的要求[2]，全面改善水質(zhì)，提高水環(huán)境質(zhì)量至關(guān)重要。

為了進(jìn)一步去除城市污水中氮、磷、懸浮物等污染物，污水廠在二級(jí)處理工藝后增設(shè)深度處理工藝，使其出水達(dá)到更高的排放標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。現(xiàn)有的深度處理工藝在一定程度上能夠提高污水廠出水水質(zhì)，但在實(shí)際運(yùn)行中仍存在一些問題[5-6]。如混凝沉淀過濾組合工藝只能去除少量有機(jī)氮，對(duì)無機(jī)氮幾乎無去除效果，很難降低總氮含量；膜過濾工藝可以有效去除水中的污染物，但處理成本較高，對(duì)水資源的損耗率較大[7]；胡香等[8]的研究表明，在投加適量碳源的條件下，反硝化濾池對(duì)總氮的平均去除率為61.7%，對(duì)硝酸鹽氮的平均去除率為63.3%。呂瑞濱等[9]分析深床濾池工藝在污水處理廠應(yīng)用效果，關(guān)鍵因素之一就是碳源投加。深床濾池工藝的脫氮效能與微生物可降解的碳源量成正比，而污水廠二級(jí)出水中碳源含量較低，且主要以難降解有機(jī)物為主。因此，單純采用深床濾池工藝很難實(shí)現(xiàn)良好的處理效能，需通過外加碳源來保證脫氮效能，但增加處理成本[10-11]，同時(shí)，碳源投加量還隨著環(huán)境溫度、水中溶解氧含量等因素不斷調(diào)整，增加水廠運(yùn)營(yíng)管理難度。針對(duì)現(xiàn)有深度處理工藝中存在的不足，以污水廠二級(jí)出水的水質(zhì)特征為基礎(chǔ)，構(gòu)建復(fù)合濾層深床濾池，在不外加碳源的基礎(chǔ)上，通過鐵碳內(nèi)電解工藝、生物工藝和過濾工藝有效結(jié)合，改善有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)，有效利用污水中殘留的有機(jī)物進(jìn)行生物降解作用，旨在全面提升二級(jí)出水水質(zhì)，改善水環(huán)境質(zhì)量。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

復(fù)合濾層深床濾池工藝是由深床濾池工藝延伸出來的新型污水深度處理工藝，復(fù)合濾層深床濾池由3部分組成：鐵碳材料層、生物活性炭層、石英砂濾層。鐵碳材料層通過內(nèi)電解工藝改善污水中有機(jī)物結(jié)構(gòu)，提高污水可生化性，強(qiáng)化后續(xù)生物工藝的處理效能，還能夠破壞水中的顯色基團(tuán)，降低色度。生物活性炭層通過生物降解作用對(duì)總氮、總磷、有機(jī)物等污染物進(jìn)行去除。石英砂濾層有效去除水中的懸浮物，進(jìn)一步保證出水水質(zhì)。各個(gè)單元互相配合，進(jìn)而達(dá)到全面改善水質(zhì)的目的。

如圖1所示，生產(chǎn)性試驗(yàn)裝置采用復(fù)合濾層深床過濾器，過濾器主要材質(zhì)為金屬質(zhì)(內(nèi)涂防腐材料)，其截面為圓形，直徑為2 m。進(jìn)水為南京J污水處理廠二沉池出水，通過潛污泵將其提升至復(fù)合濾層深床濾池過濾器，采用頂部進(jìn)水，底部出水的運(yùn)行方式，運(yùn)行濾速為2 m/h[12]。裝置采用氣洗—水洗方式進(jìn)行反沖洗，氣洗強(qiáng)度為10 L/(m2·s)，沖洗時(shí)間為3 min，水洗強(qiáng)度為8 L/(m2·s)，沖洗時(shí)間為5 min。鐵碳材料為圓柱狀，直徑為2～4 mm，長(zhǎng)度為6～10 mm。其中：鐵碳質(zhì)量比為2∶1，抗壓強(qiáng)度≥1 100 kg/cm3，堆密度在1.0～1.2 g/cm3；活性炭濾料是椰殼顆粒碳，碘值在500～600 mg/g，粒徑為3～8目；石英砂粒徑為0.5～1 mm，孔隙率為45%，比重為2.66 g/cm3；填料層的高度分別為0.8、1.5、0.6 m。

圖1 裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Device

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

本研究選擇南京J污水處理廠作為試驗(yàn)基地，該水廠處理規(guī)模為67萬t/d。水廠采用的工藝流程如圖2所示。

圖2 南京J污水處理廠工藝流程圖Fig.2 Technological Process of Nanjing J WWTP

檢測(cè)南京J污水處理廠二級(jí)出水的總氮、硝酸鹽氮、氨氮、總磷、CODCr等污染物指標(biāo)的濃度，結(jié)合水廠化驗(yàn)室提供的檢測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)近1年水廠二級(jí)出水中各項(xiàng)污染物濃度，結(jié)果如表1所示。

表1 南京J污水處理廠二級(jí)出水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Secondary Effluent Quality Index of Nanjing J WWTP

由表1可知，經(jīng)過二級(jí)生物工藝處理后，南京J污水處理廠出水水質(zhì)較好，大部分污染物指標(biāo)均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)，但是總氮、總磷仍存在超標(biāo)的情況；同時(shí)，還檢測(cè)二級(jí)出水渾濁度、色度、BOD5/CODCr的年平均值分別為6 NTU、13、0.092。

1.3 分析項(xiàng)目、方法及試劑

各指標(biāo)分析方法均參考國(guó)家環(huán)保總局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)。總氮采用過硫酸鉀消解-紫外分光光度法；硝酸鹽氮采用紫外分光光度法；氨氮采用納氏試劑光度法；亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；CODCr采用重鉻酸鹽法；BOD5采用稀釋接種法；總磷采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法；渾濁度采用便攜式濁度計(jì)法；色度采用便攜式色度儀法。

主要試驗(yàn)試劑：氫氧化鈉、硝酸鉀、鹽酸、過硫酸鉀、氯化銨、納氏試劑、磷酸二氫鉀、鉬酸銨、酒石酸銻鉀、濃硫酸、磷酸、重鉻酸鉀、硫酸銀、硫酸汞、鄰菲羅啉等；試驗(yàn)中所用水為超純水(由Mill-Q純水凈化系統(tǒng)制備)。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合濾層深床濾池工藝對(duì)二級(jí)出水中污染物的去除效能

通過對(duì)南京J污水處理廠二級(jí)出水中各項(xiàng)污染物指標(biāo)進(jìn)行為期1年的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該水廠處理效能較好，二級(jí)出水水質(zhì)基本滿足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，但是在運(yùn)行過程中仍存在部分指標(biāo)不達(dá)標(biāo)的情況，特別是在冬季，處理效能不能得到保證。因此，以該水廠作為試驗(yàn)基地來探究復(fù)合濾層深床濾池工藝對(duì)二級(jí)出水水質(zhì)改善效果有重要意義。在試驗(yàn)過程中，同時(shí)檢測(cè)復(fù)合濾層深床濾池裝置進(jìn)水和出水中總氮、硝酸鹽氮、氨氮、CODCr、總磷、渾濁度、色度等污染物指標(biāo)的濃度，明確對(duì)各項(xiàng)污染物的去除效果，為復(fù)合濾層深床濾池用于污水深度處理提供理論依據(jù)。

2.1.1 氮類污染物的去除效能

連續(xù)運(yùn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)裝置，掛膜成熟后檢測(cè)進(jìn)出水中總氮、硝酸鹽氮、氨氮濃度，結(jié)果如圖3所示。

圖3 對(duì)氮類污染物的去除效能 (a) 總氮；(b) 硝酸鹽氮；(c) 氨氮Fig.3 Removal Efficiency of Nitrogen Pollutants (a) Total Nitrogen; (b) Nitrate Nitrogen;(c) Ammonia Nitrogen

由圖3可知，復(fù)合濾層深床濾池裝置對(duì)總氮、硝酸鹽氮、氨氮的平均去除量分別為2.91、2.57、0.28 mg/L。對(duì)硝酸鹽氮的去除量占據(jù)總氮去除量的88.3%，這也進(jìn)一步表明城鎮(zhèn)污水處理廠二級(jí)出水中硝酸鹽氮為總氮的主要成分，降低總氮的濃度，主要是去除硝酸鹽氮的含量。鐵碳材料層出水中氮類污染物的濃度并沒有出現(xiàn)明顯變化，表明鐵碳材料層對(duì)氮類污染物去除效果較小。沿著水流方向，0～50、50～100、100～150 cm的生物濾層對(duì)總氮去除所貢獻(xiàn)的比重分別為60.45%、23.28%、11.20%。對(duì)總氮的去除效能沿程降低，對(duì)氨氮的去除效能也出現(xiàn)類似的規(guī)律，分析認(rèn)為0～50 cm的生物濾層最先與二級(jí)出水接觸，水中的有機(jī)物、氮類污染物的濃度較高，有利于反硝化微生物的生長(zhǎng)繁殖。同時(shí)，由于鐵碳濾料層的存在，在鐵碳材料內(nèi)部發(fā)生的原電池反應(yīng)消耗了水中的溶解氧[13]，為反硝化微生物的生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的缺氧環(huán)境，有利于反硝化過程的進(jìn)行。鐵碳內(nèi)電解反應(yīng)產(chǎn)生的亞鐵離子和還原態(tài)氫可以作為自養(yǎng)反硝化微生物還原硝酸鹽氮的電子供體，能夠有效促進(jìn)后續(xù)生物反硝化過程的進(jìn)行，加強(qiáng)生物反硝化的脫氮效能[14]。

2.1.2 有機(jī)物的去除效能

為了明確復(fù)合濾層深床濾池工藝對(duì)二級(jí)出水中有機(jī)物的去除效能以及對(duì)其可生化性的改善程度，在生物活性炭濾層掛膜成熟后，分析裝置進(jìn)出水中有機(jī)物濃度的變化以及鐵碳材料層進(jìn)出水可生化性的變化，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 對(duì)有機(jī)物的去除效能Fig.4 Removal Efficiency of Organic Compounds

圖5 二級(jí)出水可生化性的變化Fig.5 Change of Biodegradability in Secondary Effluent

由圖4可知：進(jìn)水CODCr的平均濃度為34.19 mg/L，復(fù)合濾層深床濾池裝置對(duì)CODCr的平均去除量為18.95 mg/L；0～50、50～100、100～150 cm生物濾層對(duì)CODCr去除量占總?cè)コ康谋戎胤謩e為64.76%、27.48%、7.73%，這與對(duì)總氮的去除規(guī)律相似。由圖5可知，二級(jí)出水經(jīng)過鐵碳材料層處理后，可生化性得到有效改善，水中BOD5的平均濃度由3.05 mg/L增至9.33 mg/L，B/C由0.094增至0.288。表明水溶液中易被微生物利用的有機(jī)物含量增加，有利于生物活性炭濾層中微生物的生長(zhǎng)繁殖，這也是該工藝能有效去除有機(jī)物、氮類污染物的直接原因。

2.1.3 總磷的去除效能

由圖6可知，進(jìn)水總磷的平均濃度為1.02 mg/L，復(fù)合濾層深床濾池工藝對(duì)總磷的平均去除量為0.670 mg/L，鐵碳內(nèi)電解層對(duì)總磷的平均去除量為0.278 mg/L，占比為41.49%。鐵碳內(nèi)電解層對(duì)總磷具有良好的去除效能，這是因?yàn)殍F碳內(nèi)電解層內(nèi)部發(fā)生的原電池反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物鐵離子與磷酸根形成磷酸鐵沉淀；另一方面，鐵離子水解產(chǎn)生的氫氧化鐵膠體具有良好的絮凝作用，與磷酸根發(fā)生共沉淀作用，能有效去除總磷[15]。同時(shí)，鐵碳內(nèi)電解反應(yīng)的產(chǎn)物促進(jìn)了后續(xù)微生物的生物量以及種類，加強(qiáng)了生物除磷的效果。

圖6 對(duì)總磷的去除效能Fig.6 Removal Efficiency of Total Phosphorus

2.1.4 渾濁度和色度的去除效能

為了進(jìn)一步考察復(fù)合濾層深床濾池工藝對(duì)二級(jí)出水的物理感官性指標(biāo)改善效果，連續(xù)檢測(cè)裝置進(jìn)出水中渾濁度、色度的變化情況，結(jié)果如圖7所示。

圖7 對(duì)渾濁度、色度的去除效能Fig.7 Removal Efficiency of Turbidity and Chroma

由圖7可知，進(jìn)水的渾濁度在1.8～3.1 NTU，出水渾濁度穩(wěn)定在0.3 NTU以下，反沖洗前后渾濁度偶有上升，但整體分析，復(fù)合濾層深床濾池裝置對(duì)渾濁度具有良好的去除效果。進(jìn)水的色度在9.4～13.5，均值為11.6，出水的色度均值為1.3，去除率達(dá)88.8%，表明復(fù)合濾層深床濾池工藝能夠有效去除色度。裝置出水中色度和渾濁度這2個(gè)指標(biāo)不僅滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅳ類水的要求。由此可知，復(fù)合濾層深床濾池工藝可以有效改善二級(jí)出水的感官性指標(biāo)，具有良好的應(yīng)用前景。

2.2 處理成本分析

2.2.1 建設(shè)成本

根據(jù)該工藝的形式及運(yùn)行參數(shù)的控制，結(jié)合目前污水廠已建深床濾池的建設(shè)成本，估算復(fù)合濾層深床濾池的建設(shè)成本約為400～450元/(m3·d)。考慮到部分水廠已設(shè)置有混凝、沉淀、過濾的污水深度處理裝置，可以將現(xiàn)有的深度處理裝置進(jìn)行適當(dāng)改造以節(jié)約建設(shè)成本，可降低約50～100元/(m3·d)。

2.2.2 運(yùn)行費(fèi)用

復(fù)合濾層深床濾池的運(yùn)行結(jié)果表明，在運(yùn)行過程中主要涉及的運(yùn)行費(fèi)用包括反沖洗費(fèi)用、運(yùn)行中動(dòng)力費(fèi)用及鐵碳層中的更換費(fèi)用，各部分費(fèi)用的基本計(jì)算如下。

反沖洗費(fèi)用：約為0.01元/m3。

動(dòng)力費(fèi)用：根據(jù)實(shí)際結(jié)果，運(yùn)行中動(dòng)力費(fèi)用主要來源于對(duì)二沉池出水的動(dòng)力提升，由現(xiàn)場(chǎng)反饋的信息可知，該部分費(fèi)用約為每處理單位水量需消耗的動(dòng)力費(fèi)用，即0.02元/m3。

鐵碳更換費(fèi)用：鐵碳單價(jià)為4 200元/t，處理單位水量需消耗鐵碳5 g/m3，則鐵碳費(fèi)用約為0.021元/m3；更換過程人工費(fèi)用約為0.01元/m3。

總運(yùn)行費(fèi)用：0.01+0.02+0.021+0.01=0.061元/m3，單位水量處理成本的增加量在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。

3 結(jié)論

(1)在水溫為19～24 ℃、濾速為2 m/h條件下，復(fù)合濾層深床濾池工藝對(duì)總氮、硝酸鹽氮、氨氮、CODCr、總磷、渾濁度、色度的平均去除率為33.3%、32.2%、73.4%、55.4%、65.2%、91.2%、88.8%。二級(jí)出水經(jīng)過鐵碳材料層處理后，可生化得到很大改善，BOD5的平均濃度由3.05 mg/L增至9.33 mg/L，BOD5/CODCr由0.094增至0.288。

(2)復(fù)合濾層深床濾池工藝能有效提高污水廠二級(jí)出水的水質(zhì)，可以同步去除二級(jí)出水中氮、磷、有機(jī)物、渾濁度和色度等污染物，處理效能較好且穩(wěn)定，同時(shí)，每噸水處理成本增加的費(fèi)用約為0.061元，在合理的范圍之內(nèi)。因此，具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的改善具有重要的意義。