高效沉淀池混凝劑應(yīng)用現(xiàn)狀研究

韓新盛 李永剛 靳千千 鄭世超

（北京興源水務(wù)有限公司 北京 102600）

引言

中國的經(jīng)濟高速發(fā)展帶來的城鎮(zhèn)化和工業(yè)化使得人口在城鎮(zhèn)的部分區(qū)域愈發(fā)集中，城鎮(zhèn)用水緊張、水資源污染和環(huán)境污染等一系列問題也隨之而來。作為地區(qū)水資源開發(fā)、利用系統(tǒng)中不可缺少的一環(huán)，污水處理廠的污水處理能力受到的關(guān)注愈來愈多。國家的《水污染防治行動計劃》規(guī)定現(xiàn)有的或是即將建設(shè)的城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施于2020 年底前到達相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)或再生利用要求，重點湖泊、重點水庫、近岸海域匯水區(qū)域等敏感區(qū)域和新建的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)中的一級A 標(biāo)準(zhǔn)[1]。目前，我國城市(鎮(zhèn))污水處理廠常用的傳統(tǒng)活性污泥法(CAS)、A/O 工藝、A2/O 工藝、氧化溝(OD)工藝、SBR 及其改良工藝等已經(jīng)很難達到GB18918—2002 中的一級A 標(biāo)準(zhǔn)。本文從高效沉淀池入手，通過分析其工作原理探究混凝劑在污水處理中的作用，以及其對今后污水處理廠高效沉淀池運行的借鑒、創(chuàng)新、發(fā)展具有的重要意義。

1 高效沉淀池的作用及原理

1.1 高效沉淀池的作用

我國城鎮(zhèn)污水處理廠普遍采用的CAS、A2/O、MBR 等處理工藝經(jīng)過長久的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，在實際運行過程中污水處理性能穩(wěn)定，能夠去除廢水中40%～60%的色度，80%～90%的BOD5和90%以上的化學(xué)需氧量(COD)，且能夠同步進行脫氮除磷，但想要進一步提高出水的有機物去除率和脫氮除磷率就會非常困難[2][3]。因此,原污水處理廠和即將投建的污水處理廠有必要引入先進的物理化學(xué)工藝處理二次廢水，以應(yīng)對新排放標(biāo)準(zhǔn)中更加嚴格的BOD5、SS、TN、NH3-N、TP等指標(biāo)。GB18918—2002 一級A 標(biāo)準(zhǔn)和一級B 標(biāo)準(zhǔn)部分的水質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。

表1 GB18918—2002 中一級A 標(biāo)準(zhǔn)和一級B 標(biāo)準(zhǔn)部分排放指標(biāo)

常用的高級處理工藝主要集中在成熟的混凝沉淀-過濾上，通過混凝沉淀降低原水各種高分子有機物、濁度、部分重金屬、色度等，但污水中低濃度的膠體和動物浮游物使凝結(jié)過程中形成的絮凝物沉淀性能有限，無法滿足污水深度處理的需要[3]。法國Degremont 公司發(fā)現(xiàn)，在高效沉淀池中添加高分子絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)能使沉淀池形成具有良好沉淀性能的絮凝物，污水的COD、SS 和TP 去除率得以提高。該處理過程在之后的應(yīng)用中逐漸發(fā)展完善，加在污水處理工藝末端能夠顯著降低污水中COD 和BOD、SS、氮、磷及其他鹽類的濃度。而國內(nèi)污水處理廠通常是通過增設(shè)高效沉淀池以及配套工藝，增加污水中SS 的去除率，達到提高出水水質(zhì)的目的。SS 主要是由活性污泥的絮凝體構(gòu)成，絮凝體通常會帶有30%～75%的BOD5、8%～10%的TN 以及3%～6%的TP，因此在深度處理中提高SS 去除率的同時也會降低出水的其他指標(biāo)[2]。高效沉淀池不但具有處理效率高、占地面積小、工程投資費用低等特點，而且適用于各種水質(zhì)，不受溫度、pH、溶解氧含量的影響，針對水質(zhì)水量突發(fā)性的變化也能及時做出應(yīng)對措施，保證出水水質(zhì)達標(biāo)。某工業(yè)園區(qū)污水處理廠食品加工、電子、云母加工等工業(yè)廢水占85%，擴建及提標(biāo)改造增加了高效沉淀池等工藝后，出水COD 和氨氮達到《湖南省城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB43/T1546—2018）二級標(biāo)準(zhǔn)，其他指標(biāo)均達到了GB18918—2002 一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)[4]。

1.2 高效沉淀池的工作原理

高效沉淀池的工作原理和工藝流程如圖1所示。

圖1 高效沉淀池的工作原理示意圖(a)和工藝流程圖(b)

高效沉淀池由快速攪拌區(qū)(混凝區(qū))、慢速攪拌區(qū)(絮凝區(qū))、反應(yīng)池(預(yù)沉淀區(qū))、斜管沉淀區(qū)、出水渠、污泥回流系統(tǒng)和剩余污泥排泥系統(tǒng)組成。高效沉淀池進水在快速攪拌區(qū)與混凝劑混合，使細散顆粒和膠體物質(zhì)脫穩(wěn)，經(jīng)葉輪推流攪拌完成快速凝聚反應(yīng)，結(jié)成較小的絮凝體，接著流動到慢速攪拌區(qū)后與絮凝劑混合獲得大量高密度均質(zhì)的礬花。隨后在反應(yīng)池內(nèi)的絮體會相互接觸碰撞形成較大的絮凝顆粒，這些絮凝顆粒在重力作用下沉降至反應(yīng)池底端，剩余的絮體通過自下而上的斜管沉淀區(qū)接觸、凝結(jié)成絮凝顆粒，并在重力的作用下完成沉淀[5]。澄清的出水經(jīng)斜管上部由出水渠流出，而沉淀形成的污泥由中心傳動刮泥機刮至底部集泥斗形成濃縮污泥，一部分濃縮污泥經(jīng)污泥回流系統(tǒng)進入快速攪拌區(qū)以循環(huán)利用，其余的濃縮污泥作為剩余污泥經(jīng)排泥系統(tǒng)排出至污泥處置系統(tǒng)，與生化系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余污泥一并脫水處理。

2 高效沉淀池混凝劑的應(yīng)用

在污水處理領(lǐng)域，混凝劑常用來強化固液分離，能夠在強化污水初次沉淀、浮選處理、活性污泥法之后的二次沉淀方面發(fā)揮重要作用，也常用于污水三級處理或深度處理過程中以達到去除污水SS、TP、微生物、病原菌、乳化油、重金屬離子等污染物的目的。常用的混凝劑可分為無機混凝劑、有機高分子混凝劑和微生物混凝劑。無機混凝劑又分為無機低分子混凝劑，如硫酸鋁和三氯化鐵；無機高分子混凝劑，如聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鐵（PFS）。有機高分子混凝劑則以PAM 為代表，它能適用多種絮凝對象，應(yīng)用較為廣泛。微生物絮凝劑則是利用生物技術(shù)從微生物或其分泌物中提取、純化得到的一種安全、高效、能自然降解的新型水處理劑，已發(fā)現(xiàn)具有絮凝性的微生物在17 種以上，包括霉菌、細菌、放線菌和酵母菌等。目前，國內(nèi)高效沉淀池常用的混凝劑為無機混凝劑和有機高分子混凝劑。

2.1 無機低分子混凝劑

無機低分子絮凝劑具有經(jīng)濟實惠、用法簡單等優(yōu)點。硫酸鋁是廢水處理中使用較多的混凝劑之一，運輸方便、操作簡單、混凝效果好，但極易受溫度影響，水溫低時硫酸鋁水解困難，形成的絮體較松散，混凝效果變差。慈溪市東部污水處理廠處理規(guī)模為10 萬m3/d，分2 期建設(shè)，污水主要由40%的工業(yè)廢水和60%的生活污水組成，工業(yè)企業(yè)排水成分復(fù)雜，污水處理廠經(jīng)常面臨無規(guī)律的進水沖擊負荷[6]。而出水執(zhí)行的是浙江省《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 33/2169—2018)，出水TP 要求小于0.3 mg/L，為此高效沉淀池投加的硫酸鋁通常維持在較高的水平。而為了實現(xiàn)精確加藥，降低藥劑消耗量，提高污水處理廠的運行效率，陳珺等[6]針對硫酸鋁的除磷機理展開研究，發(fā)現(xiàn)化學(xué)除磷新機理的關(guān)鍵之處在與金屬水合氧化物(HMO)與磷酸鹽的相互作用，一方面HMO 的老化程度越高磷酸鹽擴散就越困難，另一方面混合速度越快HMO 上較多的“表面位點”越容易與磷酸鹽的表面進行絡(luò)合反應(yīng)。基于此新機理，陳珺等[6]建立了在線分析儀和加藥泵、控制器的智能化管理控制系統(tǒng)進行實時控制，使出水磷酸鹽始終要設(shè)定的0.18 mg/L附近波動，基本實現(xiàn)了精確加藥的目的，并使硫酸鋁平均投加濃度降低了26%，藥劑消耗量降低了32%。

傳統(tǒng)鐵鹽混凝劑中只有三氯化鐵在實際生產(chǎn)中使用的相對較多，但生產(chǎn)成本高、價格昂貴，且受氯氣貨源限制導(dǎo)致產(chǎn)品有限[7]。此外，三氯化鐵無論是液體狀態(tài)還是固體狀態(tài)都存在運輸困難和儲存困難的問題，在污水處理廠使用過程中存在著諸多不便。何亮亮等[8]針對三氯化鐵在廢水中絮凝性能的研究中發(fā)現(xiàn)，它在處理含磷模擬廢水的實際投加量是理論值的3 倍，在處理其他含重金屬模擬廢水時最佳的加藥量為40mg/L。

2.2 無機高分子混凝劑

無機高分子混凝劑是基于傳統(tǒng)鋁鹽、鐵鹽的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的污水處理混凝劑，價格低廉且凝聚性能較好、密集度高、沉降速度快、適用pH 范圍廣[7]。相比于傳統(tǒng)鋁鹽、鐵鹽，無機高分子混凝劑在儲存、運輸、使用等方面也更加便捷安全，其中具有代表性的就是PAC和PFS。

PAC 是一種應(yīng)用很廣的水處理劑。目前，一致認同的混凝機理為PAC 中的Al(Ⅲ)鹽水解—聚合產(chǎn)物對其進行電性中和、脫穩(wěn)和吸附架橋作用生成粗顆粒絮凝體對污水中膠體顆粒或膠體污染物進行混凝去除。PAC 在污水處理中的作用可歸納為3 點，即①對污水中膠體顆粒污染物進行電性中和、脫穩(wěn)的凝聚作用；②已凝聚的次生粗大顆粒進行吸附架橋的絮凝作用；③通過吸附和絡(luò)合作用去除污水中游離的有害離子[9]。

PFS 在污水處理中的應(yīng)用也較為廣泛，它主要的混凝機理可以歸結(jié)為壓縮雙電子層作用、吸附和電荷中和作用、網(wǎng)捕作用以及吸附架橋作用。其中，壓縮雙電層作用是指當(dāng)同號電荷膠粒之間存在的靜電斥力其大于膠體的布朗運動動能時，就會導(dǎo)致膠體長期穩(wěn)定、舊置不沉，向溶液中投加PFS 會增大溶液主體中的離子強度，使膠團的擴散層受壓變薄，排斥勢能低至不能阻礙膠粒互相聚集時便轉(zhuǎn)變成了脫穩(wěn)狀態(tài)，直至擴散層極致壓縮時膠體的相互碰撞便能促進凝聚；吸附和電荷中和作用是指當(dāng)投加的PFS 在一定條件下水解成類似于雙親分子的絡(luò)離子和多核絡(luò)離子時，這些離子會進入到固液界面被電位離子吸附并中和ζ 電位，致使膠體脫穩(wěn)；網(wǎng)捕作用是指水中的膠粒和細微懸浮物常會被加藥所形成的沉淀捕抓，如若沉淀物帶正電荷就能更快地網(wǎng)捕廢水中帶負電荷的膠體了；吸附、架橋作用是指具有先行結(jié)構(gòu)的聚鐵高聚物能以搭橋的方式吸附、鏈接兩個相距較遠的膠粒，形成微粒—高分子—微粒的結(jié)構(gòu)，同時各個高分子相互搭接形成更大的絮體而沉降[10]。

2.3 有機高分子混凝劑

人工合成的有機高分子混凝劑在污水處理中應(yīng)用廣泛，其中非常具有代表性的是PAM，它是水溶性高分子聚合物，具有良好的絮凝性，按離子特性分別有非離子、陰離子、陽離子、兩性型4 種類型，常作為助凝劑、絮凝劑和污泥脫水劑使用。由于PAM 具有長鏈(線)狀的分子結(jié)構(gòu)并含有大量的活性基團，在污水處理中常通過吸附架橋作用、吸附—電性中和作用和網(wǎng)捕—卷掃作用起到絮凝作用，清除污水中的雜質(zhì)，達到水質(zhì)凈化的目的[11]。

而在污水處理過程中，PAM 常常作為助凝劑與無機高分子混凝劑(PAC、PFS 等)組合使用，以達到更好凈水效果。莫碧琴等[12]在研究海產(chǎn)品加工高磷廢水處理時發(fā)現(xiàn)，加工廢水含磷成分以焦磷酸鹽、三聚磷酸鹽、六偏磷酸鹽為主，極難處理且直接加PAC 成本較高。但若與PAM 組合使用，僅需要0.5g/L 的PAC 和0.05g/L的PAM 就可實現(xiàn)經(jīng)濟高效的除磷效果。關(guān)曉楠[13]在研究煤化工循環(huán)水排污水處理工藝時發(fā)現(xiàn)，采用投加PFS 和PAM 的高效沉淀池具有較強的抗沖擊能力，處理結(jié)束后水質(zhì)表現(xiàn)狀態(tài)高度穩(wěn)定，綜合性技術(shù)效果狀態(tài)良好，且能獲取良好的經(jīng)濟效益。

結(jié)語

經(jīng)濟高速發(fā)展和人口愈發(fā)集中對我國污水處理廠出水水質(zhì)提出了更高的要求，高效沉淀池以其占地面積小、處理效率高、適用范圍廣、出水水質(zhì)高等優(yōu)點在深度處理工藝中備受青睞。混凝劑的選用對高效沉淀池的出水水質(zhì)起著至關(guān)重要的作用，能夠有效降低污水中的SS、膠體污染物、TP 等指標(biāo)，選擇恰當(dāng)?shù)幕炷齽┎坏軌蛴行岣叱鏊|(zhì)以達到GB18918—2002 一級A 標(biāo)準(zhǔn)，還能夠獲得良好的經(jīng)濟效益。

由于我國高效沉淀池工藝起步相對較晚，在混凝劑的選用和使用方面仍有許多問題亟需去研究和探討，以應(yīng)對各種污水處理廠深度處理的需要。一是針對混凝劑改性方面的研究，通過改性提高絮凝吸附性能、降低沉淀時間或是有針對性地提高對某種污染物的吸附能力；二是更改使用方法，如在混凝區(qū)和絮凝區(qū)之間投加磁介質(zhì)以提高泥水分離效率，或是在沉淀區(qū)投加活性炭粉末以吸附去除難溶性的COD，穩(wěn)定或提升出水水質(zhì)。