混凝污泥回流強(qiáng)化混凝深度處理制藥廢水研究

孫一鳴

（廣州市城市管理技術(shù)研究中心 廣東廣州 510170）

引言

制藥廢水含無(wú)機(jī)鹽高、色度大、生物毒性高、有機(jī)污染物質(zhì)復(fù)雜, 其中有不少屬于難生化降解的有機(jī)物質(zhì), 并可在環(huán)境中存留相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間[1]。這些特點(diǎn)導(dǎo)致采用傳統(tǒng)的工藝難以將制藥廢水處理達(dá)標(biāo)甚至回用[2]，通常需要在后端加上合適的深度處理系統(tǒng)來(lái)解決這一問(wèn)題[3]。目前，混凝沉淀工藝是國(guó)內(nèi)外廢水處理中最常用的工藝之一，該工藝可用于深度處理制藥廢水[4],具有效果好、費(fèi)用低、性價(jià)比高、使用維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)[5]。但是混凝沉淀工藝會(huì)產(chǎn)生過(guò)量污泥，這些污泥如果直接排放，由于殘留金屬含量高且難以生物降解，需進(jìn)行額外的污泥處置處理[6]，既污染環(huán)境又浪費(fèi)資源，因此實(shí)現(xiàn)處理與回用十分必要。混凝污泥中含有較多的氫氧化鋁、氫氧化鐵和過(guò)量的藥劑，將其回流與混凝劑等搭配使用，可作為額外添加的混凝劑，提供更多的吸附點(diǎn)位，在其他條件不變時(shí)，搭配工藝不但可以減少混凝劑的投加量, 還可以減少污泥的處置費(fèi)用[7][8]。而且回流污泥向廢水中提供了很多成熟絮體，這些絮體具有良好的結(jié)構(gòu)，可作為新形成絮體的核心或主體，從而使絮體間相互碰撞的概率得到大幅增加，絮體結(jié)構(gòu)更加緊實(shí)，增強(qiáng)了對(duì)污染物的去除能力[9]。

許多研究認(rèn)為，粉末活性炭不僅能很好地吸附有機(jī)污染物，還能降低廢水的色度，去除水體臭味。Zhan J 等[10]將顆粒狀活性炭作為電極，使用電化學(xué)與臭氧氧化相結(jié)合的工藝處理制藥廢水，發(fā)現(xiàn)TOC 的去除率較2 種工藝單獨(dú)使用時(shí)的23%和43%提高至71%。針對(duì)以上情況，本研究提出將粉末活性炭搭配混凝污泥回流工藝，考察對(duì)SS、有機(jī)物的處理效能。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)主要材料

200 目粉末活性炭，聚合氯化鋁。

1.2 燒杯試驗(yàn)

把盛有原水的燒杯置于磁力攪拌器上，先投加聚合氯化鋁和回流污泥，以300r/min 的速率快攪1min，然后以50r/min 的速率慢攪15min，最后沉淀20min 后測(cè)定上清液的SS、COD 和TOC等污染物指標(biāo)。搭配粉末活性炭工藝時(shí)，先在水中投加粉末活性炭，以200r/min 的速率中速攪拌吸附30min，其他程序與前述相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥回流工藝的處理效能

2.1.1 有機(jī)物去除效果

聚合氯化鋁投加濃度為120mg/L，考察污泥回流比分別為2%、4%、6%、8%、10%時(shí)的COD 和TOC 去除率，如圖1 所示。結(jié)果表明，相比常規(guī)工藝，當(dāng)回流比為0%時(shí)，采用混凝污泥回流工藝可以明顯提升有機(jī)物去除率，但在其他不同回流比時(shí)的有機(jī)物去除率差別不大。當(dāng)回流比分別為2%、6%時(shí)，COD 去除率和TOC 去除率分別達(dá)到最高，為54.74%和51.33%，較常規(guī)工藝分別提高了7.5%、10%。

圖1 COD 和TOC 去除率隨污泥回流比的變化

由于TOC 在一定程度上可以體現(xiàn)溶解性有機(jī)物的含量,因此說(shuō)明加入回流污泥后，不僅可以吸附懸浮顆粒，去除其中的有機(jī)物，而且對(duì)去除溶解性有機(jī)物也有良好的作用。究其原因，可能是由于加入回流污泥后，絮體結(jié)構(gòu)得到了改善，絮體比表面積加大，從而使絮體的吸附能力增強(qiáng)。

2.1.2 SS去除效果

不同回流比時(shí)的SS 去除率和Zeta 電位如圖2 所示。SS 去除率結(jié)果顯示，污泥回流工藝有助于加強(qiáng)SS 的去除效果，去除率曲線呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)。當(dāng)污泥回流比為4%時(shí)，SS 去除率達(dá)到最佳，為91.79%，比普通工藝提高了7%。這可能是由于回流污泥中含有沒(méi)完全利用的有效成分，從而促進(jìn)了混凝吸附過(guò)程的電中和作用，同時(shí)污泥中的膠體可以增加廢水中的SS 數(shù)量，從而增大它們互相之間的碰撞幾率。

圖2 SS 去除率和Zeta 電位隨污泥回流比的變化

Zeta 電位變化顯示，隨著污泥回流比的升高，Zeta 電位也逐漸升高。在回流比為2%和4%時(shí)，回流工藝對(duì)COD 和SS 的去除效果分別達(dá)到最佳，此時(shí)，Zeta 電位為-0.37 mV 和1.4mV，均在零點(diǎn)附近，說(shuō)明回流污泥發(fā)揮作用的主要機(jī)理是吸附電中和。

2.2 粉末活性炭搭配污泥回流工藝的處理效能

2.2.1 有機(jī)物去除效果

設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)條件如表1 所示。選用投加濃度為120mg/L 的PAC 作為混凝劑，測(cè)試在3 個(gè)活性炭濃度和3 個(gè)污泥回流比條件下，廢水中COD、TOC 和SS 的去除率。

表1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)條件

COD、TOC 的去除率如圖3 所示。采用粉末活性炭與污泥回流的搭配工藝，COD、TOC 的去除率比單獨(dú)采用常規(guī)工藝和污泥回流工藝都要高。最佳條件為粉末活性炭投加量300mg/L，污泥回流比分別是6%和4%，此時(shí)出水的COD和TOC 達(dá)到最低，為31.96 mg/L 和12.18 mg/L，去除率為84.02%和62.83%，比常規(guī)工藝提高了36.78%和21.5%。

圖3 有機(jī)物去除率隨污泥回流比和活性炭投加量的變化

結(jié)果還顯示，在中等及以上污泥回流比時(shí)的有機(jī)物去除效果明顯好于較低污泥回流比時(shí)，在高活性炭投加量時(shí)的有機(jī)物去除效果明顯好于在低投加量時(shí)。原因可能是在污泥回流比較低時(shí)，有效成分主要以高電量高聚物的狀態(tài)存在，而這種狀態(tài)發(fā)揮作用的主要機(jī)理為吸附電中和；當(dāng)污泥回流比升高時(shí)，部分高電量的高聚物就會(huì)匯聚成分子量更大的膠體顆粒，發(fā)揮網(wǎng)捕卷掃的作用。同時(shí)，粉末活性炭的投加量越大，能吸附的有機(jī)物就越多。因此，粉末活性炭與污泥回流的搭配工藝，可以增強(qiáng)COD 和TOC 去除效能的機(jī)理是膠體顆粒和粉末活性炭發(fā)揮了吸附電中和、網(wǎng)捕卷掃和吸附作用。

2.2.2 SS 去除效果

SS 去除率如圖4 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，當(dāng)活性炭投加量為100 ～300mg/L，污泥回流比在4%～8%時(shí)，搭配工藝的SS 去除率均優(yōu)于常規(guī)工藝。當(dāng)粉末活性炭濃度為200mg/L，回流量為4%時(shí)，SS 去除率達(dá)到最大，為91.36%，相比常規(guī)工藝僅提高了6.62%。這可能是由于活性炭顆粒作為膠粒核心，優(yōu)化了膠體結(jié)構(gòu)。

圖4 不同PAC、污泥投加量下的SS 去除率

實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，在不同的粉末活性炭投加量下，SS 去除率基本一致，但在不同污泥回流比下的SS 去除率差異卻比較大，且污泥回流比在4%、6%時(shí)的SS 去除率高于在8%時(shí)。這可能是由于回流比較高時(shí)，膠體中吸附的SS 會(huì)重新釋放到原水中去，膠體自身還會(huì)破碎生成較小的SS，使得SS 濃度升高，處理效率降低。

2.3 經(jīng)濟(jì)性研究

根據(jù)聚合氯化鋁1200 元/t、粉末活性炭3000 元/t 和運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)幾種工藝的處理成本進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，但僅包含上述2 種成本，不包含建/構(gòu)筑物成本、設(shè)備購(gòu)買費(fèi)、設(shè)備損耗費(fèi)及污泥處理費(fèi)等。

按照每t 水投加聚合氯化鋁120g、粉末活性炭200g 和聚鋁污泥0.1m3m 的藥劑量，污泥回流泵額定功率0.75kW、額定流量10m3/h、效率50%，電價(jià)0.6 元/kWh 的條件，計(jì)算幾種工藝的廢水處理成本。①混凝污泥回流運(yùn)行成本為0.1÷10×0.75÷50%×0.6=0.009元/t；②常規(guī)工藝（A工藝）處理成本為120×1200×10-6=0.144元/t；③混凝污泥回流工藝（B 工藝）處理成本為120×1200×10-6+0.009=0.153 元/t；④粉末活性炭與混凝污泥回流搭配工藝（C 工藝）處理成本為200×3000×10-6+0.153=0.753 元/t。

再結(jié)合幾種工藝的去除效果，得出每kg 的COD 和SS 處理成本，如表2 所示。根據(jù)結(jié)果可知，由于投加藥劑種類的增多和污泥回流運(yùn)行成本的增加，3 種工藝每t 水的處理成本依次升高。其中，B 工藝的單位COD 和SS 處理成本最低，C 工藝的單位COD 和SS 處理成本最高。這是由于B 工藝的污泥回流量不高，所需電費(fèi)較低；而粉末活性炭的投加量和單價(jià)都較高，大幅增加了C 工藝的處理成本。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)靈活選擇工藝。在滿足廢水處理要求的前提下，優(yōu)先選擇處理成本更低的B 工藝；在廢水處理要求較嚴(yán)格時(shí)，可以選擇去除率更高的C 工藝。

表2 不同工藝的單位污染物去除成本

結(jié)論

相較于傳統(tǒng)工藝，混凝污泥回流工藝可以提升污染物的處理效率，當(dāng)回流比分別為2%、4%和6%時(shí)，COD、SS 和TOC 的去除率達(dá)到最高，分別為54.74%、91.79%和51.33%，較常規(guī)工藝各提升了7.5%、7%和10%。根據(jù)Zeta 電位變化結(jié)果，該工藝對(duì)污染物達(dá)到最佳去除效果時(shí)的Zeta 電位均在等電點(diǎn)附近，說(shuō)明混凝污泥所起的主要作用是吸附電中和。

采用粉末活性炭與污泥回流的搭配工藝時(shí)，當(dāng)混凝污泥回流比分別為4%、4%和6%，粉末活性炭投加量分別為200mg/L、300mg/L 和300 mg/L 時(shí)， SS、TOC 和COD 的去除率分別最大，為91.36%、62.83%和84.02%，較常規(guī)工藝各提升了6.62%、21.5%和36.78%。當(dāng)采用中等及以上濃度的粉末活性炭和中等及以下的污泥回流比時(shí)，有機(jī)物的去除效果更好。另外，粉末活性炭的投加量變化對(duì)SS 去除率的影響較小。

經(jīng)濟(jì)性研究表明，雖然粉末活性炭與污泥回流搭配工藝的處理效果最好，但混凝污泥回流工藝的單位COD 和SS 處理成本最低，分別為1.44元/kg 和4.17 元/kg。因此，在滿足廢水處理要求的前提下，可優(yōu)先選擇混凝污泥回流工藝。