陶粒-超濾組合工藝處理水廠生產廢水

盛銘軍,張 雪,林 濤,莫嘉晨,鐘婷婷,葛鑫燃

(1.蘇州市供排水管理處,江蘇蘇州 215001;2.蘇州市自來水有限公司,江蘇蘇州 215002;3.河海大學環境學院,江蘇南京210000)

近年來,由于我國城市人口密集、資源環境壓力不斷增大,水質型缺水和水源型缺水的雙重考驗加快了我國節水型社會的建設進程。作為城鎮供水的重要環節,水廠在運行過程中產生的生產廢水具有資源化的巨大潛力,其中包括沉淀池排泥水和炭/砂濾池反沖洗水[1]。生產廢水中的懸浮物質含量較高,渾濁度波動大,同時有機物、消毒副產物(DBPs)、金屬離子和細菌微生物的含量均高于原水[2],如何對其安全回用受到了廣泛的研究討論[3]。超濾工藝對水中的顆粒物、膠體、細菌、大分子物質有很好的截留作用[4],可以有效地保障其出水水質生物安全,是水廠生產廢水安全回用的重要技術[5-6]。然而生產廢水的高渾濁度特性會對膜材料造成威脅,影響超濾正常運行,因此,在超濾前增設預處理工藝具有必要性[7-8]。

陶粒濾料由于其內部多孔,比表面積大且化學和熱穩定性好,具有輕質、多孔、易掛膜和生物相容性好等優點[9],目前已被應用于水中氮磷[10]、金屬[11]、COD[12]、渾濁度[13]等指標的控制技術中。針對生產廢水的高渾濁度問題,陶粒預處理能夠初步凈化水質,有效防止后續工藝中超濾膜材料的損傷。而陶粒-超濾的組合工藝能夠進一步保證優異的凈水效能,滿足安全回用的要求。

因此,本研究以水廠生產廢水為研究對象,確定了陶粒濾料作為預處理時的最佳流向工況,從物理、化學和生物角度考察了陶粒-超濾組合工藝的凈水效能,評價了工藝出水回用原水的可行性。

1 試驗裝置與方法

1.1 生產廢水水質

試驗所用生產廢水取自江蘇省某水廠,由濃縮池上清液、炭濾池反沖洗水和砂濾池反沖洗水組成。表1為試驗期間濃縮池上清液和炭/砂濾池反沖洗水的水質特性。

表1 水廠廢水的水質特性

1.2 試驗原理及裝置

針對濃縮池上清液和濾池反沖洗水中富集的大量顆粒物、有機物、金屬元素以及病原微生物,在超濾膜處理回用前采取陶粒過濾的預處理方式,防止超濾膜污染的加快。陶粒對有機物中極性分子和不飽和分子具有較高的選擇吸附優勢,對飲用水中常見的污染物氨的吸附能力也很強。因此,將陶粒作為預處理工藝,與超濾技術的機械篩分作用組合,通過考察生產廢水的水質變化來評價該組合工藝的凈化效能,實現生產廢水的安全回用。

試驗采用以陶粒過濾為預處理,以超濾工藝為核心處理工藝的中試裝置對生產廢水進行回收研究。圖1為中試工藝流程。試驗裝置主要由陶粒過濾柱和超濾膜處理裝置組成,其中陶粒柱進水連接水廠回用水池,出水連接超濾膜處理裝置;超濾膜裝置出水連接后臭氧活性炭池,其反沖洗水以及反沖洗產生的底泥分別進入配水井和排泥池。陶粒的主要原料是偏鋁硅酸鹽,產品呈深褐色或灰褐色,直徑為1.0～2.0 mm。共包括16根陶粒過濾柱,每根柱內陶粒厚度為2.4 m,堆積密度為1.0～1.6 g/cm3,空隙率為40%～55%,比表面積為1.1×104cm2/g,鹽酸可溶率≤0.3%,且溶出物不含對人體有害的微量元素。超濾工藝裝置采用海南立升公司提供的LW6-0980-PF外壓式超濾膜組件。膜絲由改性聚偏二氟乙烯(PVDF)制成,親水性良好,內徑為1.0 mm,外徑為2.0 mm,公稱膜孔徑為0.02 μm,采用不對稱結構,具備良好的抗污染性和較高的機械強度。

圖1 中試工藝流程

1.3 試驗過程及方法

試驗以蘇州市某水廠生產廢水為研究對象,對其水質進行2次/d的取樣監測,水質參數包括TOC、CODMn、渾濁度、硝酸鹽氮、氨氮、總氮、有機物三維熒光、有機物分子量分布、DBPs、臭和味等。在25 ℃的溫度下,陶粒柱過濾運行周期設置為30 min,反沖洗程序依次為300 s陶粒氣沖、250 s陶粒氣水聯合反沖以及10 min陶粒下排污。超濾柱運行周期設置為30 min,反沖洗程序依次為180 s間歇氣沖、90 s氣水反洗、60 s排污。化學清洗周期為14 d。

在確定陶粒過濾柱的重要運行工況(流向、濾速)后,研究陶粒預處理以及超濾處理后出水的水質指標,包括渾濁度、有機污染物、微生物及嗅味物質、DBPs和重金屬濃度5個方面。檢測方法如表2所示。

表2 水質參數檢測方法

三維熒光光譜測定采用熒光分光光度計(F-7000,Hitachi,日本),激發波長(Ex)和發射波長(Em)掃描值均設為200～600 nm,掃描間隔為5 nm,激發和發射單色器的狹縫寬度為5 nm,掃描速率為12 000 nm/min。

DBPs生成勢測定方法如下:將水樣預先通過0.45 μm濾膜預處理去除顆粒物質,以次氯酸鈉為消毒劑,設定投氯量并密閉反應24 h,測定水中DBPs濃度。分別測定三氯甲烷(TCM)、一氯二溴甲烷(DBCM)、二氯一溴甲烷(BDCM)、三溴甲烷(TBM)4種含碳消毒副產物(C-DBPs)和三氯乙腈(TCAN)、二氯乙腈(DCAN)、溴氯乙腈(BCAN)、二溴乙腈(DBAN)4種含氮消毒副產物(N-DBPs)。C-DBPs的測定采用《水質 揮發性鹵代烴的測定 頂空氣相色譜法》(HJ 620—2011)標準方法,N-DBPs的測定采用頂空毛細管氣相色譜法。

使用顆粒計數儀進行顆粒數的檢測,包括2～3、3～5、5～7、7～10、10～15、15～20、20～25 μm和>25 μm不同粒徑顆粒的濃度。對純水進行檢測,結果顯示各粒徑顆粒濃度分別為:5 個/mL(2～3 μm)、2 個/mL(3～5 μm)、0(>5 μm)。菌落總數采用國標法測定。

2 結果與討論

2.1 陶粒過濾流向確定

為了確定陶粒過濾作為預處理時的流向,測定了在不同流向下進出水的水質特性。進出水渾濁度及顆粒物分布如圖2所示,以2 μm顆粒數為例,上向流陶粒表現不佳,對炭/砂濾池反沖洗水該粒徑下的顆粒物去除率僅為7.52%。研究[14]表明,經過活性炭池反沖洗后的初濾水中含有的小顆粒物數量占比更大。細菌總數與直徑為2～3 μm的顆粒物數量之間存在最佳相關性,在這個粒徑范圍內的顆粒物上附著的異養菌可能導致反沖洗水中的細菌指數超標,因此,水廠有必要后續增加超濾工藝來改善水質情況。通過將上向流改為下向流,可顯著改善顆粒數去除效果,陶粒對濃縮池上清液中2 μm顆粒數去除率最高可達91.8%,相比于上向流對顆粒物的去除率提高約84%。對上/下向流陶粒的進出水水質指標監測表明(表3),上向流陶粒預處理在CODMn、TOC和鋁方面都會出現反向升高的不利現象,對后續工藝造成嚴重威脅。因此,下向流更適合于生產廢水的陶粒預處理。

圖2 陶粒上/下向流過濾進出水渾濁度及顆粒物變化

表3 陶粒上/下向流水質指標

2.2 陶粒過濾濾速確定

回用水池中以砂濾池反沖洗水為主時渾濁度較高,水池內的短時間自沉淀并不能有效地控制渾濁度。然而,尺寸大、硬度高或者形狀尖銳的顆粒污染物會對膜表面造成機械損傷。為保證超濾進水顆粒不會損傷膜表面,陶粒柱過濾作為超濾的預處理具有必要性。分析不同進水流量下陶粒的出水和超濾出水渾濁度變化,結果如表4所示。陶粒進水流量在3.5～6.0 m3/h時,高渾濁度進水濁度去除率基本穩定在50%以上,最高可達80.70%;對于低渾濁度進水,陶粒高流速進水狀態時,去除效果不佳,3.5～4.5 m3/h時,低渾濁度進水的渾濁度去除效果較好,渾濁度去除率大于52.63%。值得一提的是,當濾速為8.0 m3/h時出現陶粒出水渾濁度升高現象。這是因為在高流速條件下污染物穿透了陶粒層,陶粒之間積累的污染物在高速水流下被沖擊出來,出水渾濁度反而比進水更高。以陶粒對渾濁度平均去除率來看,4.5 m3/h為最佳進水流量。從超濾出水渾濁度看,無論進水條件如何,超濾膜通過膜孔篩分作用都可將超濾出水渾濁度控制在0.10 NTU以下。研究證明,陶粒-超濾組合工藝能夠實現生產廢水的安全回用。

表4 不同流速下生產廢水渾濁度去除率

2.3 陶粒-超濾凈水效能

本研究討論了以下向流陶粒過濾為預處理,超濾技術為核心的處理工藝對水廠生產廢水水質的凈化效能,分別從物理、化學、生物的角度考慮陶粒-超濾組合工藝回用水廠工藝中的可行性。

2.3.1 顆粒污染物

檢測水中顆粒數對于監測水中病原微生物數量及評估水處理工藝對病原微生物去除效果有重要意義[15]。由表5可知,生產廢水的顆粒物含量非常高,在高渾濁度進水下,2～3 μm顆粒物可達23 200個/mL,證明了直接回用可能會增加出廠水在病原微生物方面的風險。投加硫酸鋁的預混凝試驗是水廠處理生產廢水的常見方法[16]。從去除效果來看,陶粒對顆粒物具有較好的截留作用,對不同粒徑的顆粒物去除率約為50%;硫酸鋁的最佳投加量為10 mg/L,但其對顆粒物的控制效果不如陶粒過濾。超濾通過膜孔篩分作用,顆粒物基本去除完全,陶粒作為預處理裝置很好地去除了絕大部分大粒徑顆粒物,緩解膜過濾壓力,有效阻止膜損傷,更好地保障了超濾的長久運行。

表5 最佳流速(4.5 m3/h)下陶粒進出水與預處理出水顆粒物變化對比

2.3.2 有機污染物

由顆粒物和渾濁度去除情況確定陶粒的最佳進水流速為4.5 m3/h,由于生產廢水中氨氮含量較低,使用總氮作為含氮類物質的代表指標。在此工況下陶粒-超濾對TOC及總氮的去除效果如圖3所示,結果表明,陶粒和超濾對TOC都有一定的去除效果,陶粒對TOC的平均去除率約為13.27%,陶粒-超濾組合工藝對TOC的去除率為31.01%,超濾出水中TOC平均質量濃度約為3.2 mg/L。對比水廠歷年水質報告數據分析可知,經超濾回收后的出水可直接回用至炭濾池前端。而陶粒和超濾對總氮去除均不佳。含氮類物質去除主要靠生物作用[17],由于生產廢水的排放無規律性,不足以使微生物在陶粒上附著生長,短期內陶粒并不能形成穩定良好的生物膜并發揮生物作用。因此,總氮去除主要靠膜截留和陶粒吸附作用,去除率并不高。

圖3 陶粒-超濾對TOC及總氮的去除效果

圖4反映高渾濁度回用水池經陶粒-超濾組合工藝處理后出水中的三維熒光特性變化。由圖4可知,回用水池生產廢水中的有機物種類復雜,包括類色氨酸、類酪氨酸、溶解性微生物產物、富里酸類以及腐植酸類有機物[18],其中溶解性微生物產物含量最高,其次是腐植酸和富里酸類有機物。經陶粒處理后,5類有機物含量都有所減少。腐植酸類和富里酸類有機物是三鹵甲烷生成的重要前體物[19],因此,減少腐植酸類和富里酸類有機物的含量將降低三鹵甲烷的生成潛力。類色氨酸和溶解性微生物產物也出現了熒光減弱的現象,表明這兩類有機物的濃度也得到了降低。這兩種有機物被證明是二氯乙酰胺等DBPs的主要前體物[20],而陶?；厥丈a廢水有效地減少了這兩類有機物含量。將陶粒出水與超濾出水對比可知,超濾熒光反應更弱,說明膜后水中各類有機物含量更低。因此,超濾工藝前加入陶粒預處理,該組合工藝可有效降低炭池生產廢水中有機物的含量,減少各類DBPs前體物的濃度,提高水質的化學安全性。

圖4 陶粒-超濾處理高渾濁度回用水池三維熒光特性

2.3.3 微生物及嗅味物質

陶粒-超濾組合工藝對微生物的控制效果如表6所示。陶粒對微生物的去除率約為50%,而超濾工藝能夠實現對微生物的完全截留,有效保障出水生物安全。

表6 生產廢水經陶粒及超濾出水后的菌落總數

以2-MIB和GSM兩項指標評價水的嗅味[21],二者為萜類化合物,嗅閾值(OTC)較低,均為10 ng/L。嗅味物質試驗結果如圖5所示,生產廢水中2-MIB濃度超標,必須進行處理后回收。陶粒作為過濾預處理材料具有比表面積大的特點,其吸附作用是控制嗅味物質的主要作用之一。而陶粒在物理微觀結構方面表現出的表面粗糙多微孔特點,使其特別適合于微生物在其表面的生長、繁殖,因此,陶粒表面的生物作用能夠進一步有效地去除嗅味物質。結果表明,陶粒對2-MIB的平均去除率約為38.18%,說明陶粒作為預處理設施可以利用吸附作用對嗅味物質進行一定地去除。超濾對2-MIB的平均去除率約為64.80%,而陶粒-超濾組合工藝對2-MIB的整體平均去除率達到79.76%。10次取樣結果發現,GSM所有樣品均低于檢測限。因此,陶粒-超濾組合工藝作為生產廢水的回用設施可以充分發揮吸附與截留的協同作用,有效凈化生產廢水水質。

圖5 陶粒-超濾回收生產廢水中嗅味物質變化

2.3.4 DBPs

陶粒-超濾組合工藝進出水的DBPs生成勢變化如圖6所示。水樣中TBM和TCAN均低于檢出限,而陶粒柱過濾預處理與超濾技術都能夠對其他DBPs生成勢有一定程度上的去除。以TCM為例,生產廢水中質量濃度為40.1 μg/L,陶粒過濾預處理對其具有13.97%的去除率,而后續超濾技術能夠進一步去除19.42%,二者綜合去除率為33.39%。試驗結果表明,膜前進水陶粒過濾協同超濾可以有效控制DBPs的生成。

圖6 陶粒-超濾出水DBPs生成勢變化

2.3.5 金屬鋁

表7為陶粒-超濾組合工藝對金屬鋁的去除效能。結果表明,單獨陶粒過濾對鋁的去除效果不穩定,整體在20%以上。當生產廢水的金屬鋁質量濃度達到0.726 mg/L時,單獨陶粒過濾的去除率可以達到89.81%;但當生產廢水中鋁質量濃度為0.224 mg/L時,陶粒去除率僅為22.77%。陶粒的表面微孔以及大比表面積提高了其吸附性能,大大減少了廢水中的顆粒污染物,而顆粒上包含的復合鋁鹽也隨之得到去除。但由于顆粒上的鋁鹽并不均勻分布,陶粒對于鋁鹽的去除效果不穩定。超濾的尺寸截留作用保證了更加優秀的顆粒污染物截留率,因此,對金屬鋁含量的去除效果更加明顯,能夠將金屬鋁質量濃度控制在0.1 mg/L以下,證明其組合工藝對金屬鋁整體去除效果較好。

表7 陶粒-超濾對金屬鋁的去除效能

3 結論

(1)相比于陶粒柱下向流過濾預處理,上向流過濾可能會導致有機物濃度及渾濁度的反向升高,對后續工藝的安全運行造成威脅。而下向流陶粒能夠有效截留顆粒物,在吸附作用和陶粒表面生物作用下去除一定量污染物。下向流陶粒對2 μm顆粒數去除率最高可達91.8%,在同一流速下,渾濁度去除率相比上向流提升明顯。相比于常規的混凝沉淀,陶粒工藝能夠在不添加混凝劑的情況下截留掉大部分顆粒物,且更加環保經濟,建議采用下向流陶粒作為超濾的預處理裝置來應對高渾濁度進水問題。

(2)陶粒對渾濁度的去除效果隨著流速的增大而降低,進水流量為4.5 m3/h時,達到最佳去除效果,平均去除率為69.11%;當進水流量進一步加大時,由于濾速過快,水頭損失增大,進水穿透污染層,出水渾濁度去除效果不佳,甚至出現不降反增的現象。因此,建議最佳進水流量為4.5 m3/h。

(3)陶粒-超濾組合工藝回收高渾濁度生產廢水時,陶粒預處理能夠吸附或生物降解部分污染物,初步控制生產廢水的顆粒物,而超濾膜通過膜孔篩分作用能夠將出水渾濁度控制在0.1 NTU以下,對顆粒數的有效控制可以保證出水的生物安全。陶粒對TOC的平均去除率約為13.27%,陶粒-超濾組合工藝對TOC的去除率為31.01%,超濾出水TOC質量濃度約為3.2 mg/L,陶粒吸附和膜截留作用無法有效去除有機污染物,但能夠通過去除DBPs的前體物來控制三鹵甲烷等DBPs的生成。陶粒-超濾能夠完全截留微生物,且對嗅味物質2-MIB的整體平均去除率達到79.76%。組合工藝對金屬鋁的去除大多依靠去除顆粒物上的復合鋁鹽,因此,單獨陶粒過濾對鋁的去除效果不穩定,而超濾出水能夠將金屬鋁質量濃度穩定控制在0.1 mg/L以下。

綜上,上向流陶粒-超濾組合工藝在4.5 m3/h的進水流速下對水廠生產廢水具有穩定的凈水效能,經過與水廠各工藝出水水質對比發現,該組合工藝回收后的出水可以直接回用至炭濾池前端。