多級精細過濾在含油廢水中的應用研究

李 劍 杜躍鵬 李子靖 左曉明

（北京匯天運維技術服務有限責任公司，北京 102400）

過濾作為給水工藝中最重要的環節，在市政給水處理中廣泛應用[1]，推廣效果很好。對更難處理的工業廢水來說，常規過濾的表現不盡理想，尤其是含油廢水[2]。本文以含油廢水為例，對多級精細過濾處理進行研究。

1 多級精細過濾原理

含油廢水與常規廢水最大特點是油田廢水密度小，多級精細采用粗粒化方法，利用油、水兩相對聚結材料親合力相差懸殊的特性，當含油廢水通過填充著聚結材料的床層時，油粒被材料捕獲滯留在材料表面和孔隙內。隨著捕獲油粒的增加，油粒間會產生變形，合并聚結成較大的油粒，以此對油進行去除。

在一體化過濾裝置中，雜質在濾料的理論分布與實踐存在一定的偏差，尤其是下向流過濾中，經過反沖洗后的過濾裝置，很容易造成濾料倒置，粒徑從下至上逐漸變大。因此產生了“反粒度過濾”的概念，濾水從底部的粗濾料進入，穿透粗濾料濾層后進入上層的細濾料流出，雖然有效解決了下向流空隙的浪費問題，但是容易造成濾料流失。多級過濾方法是由多個均質過濾柱組成，可以解決在一體化過濾裝置中濾料流失的問題，整個過濾單元分為2～3個過濾柱，每個過濾柱的濾料為均質濾料，不均勻系數K80＜1.3。通過多級過濾設置，既可以滿足反粒度過濾的要求，又可以采用粗粒化去除含油廢水，降低混凝藥劑的投加量，從而降低成本。

2 過濾試驗

2.1 配置10-50NTU濁度液

配制400NTU福爾馬肼標準液，準確稱取1.0g硫酸肼和10.0g六次甲基四胺粉末分別溶于蒸餾水中，溶液混勻后，稀釋至100mL容量瓶，在恒溫箱靜置24h后稀釋至400NTU。根據需要將溶液稀釋至目標溶液。

2.2 過濾柱

過濾柱采用兩根高1.5m，直徑100mm的圓柱形有機玻璃過濾柱。承托層鋪設200mm鵝卵石，承托層底部以有機玻璃穿孔板阻隔，方便均勻配水。濾料為1.2～1.6mm粒徑濾球，一級過濾濾料1.6mm，二級過濾1.2mm，K80均為1.3，鋪設厚度為700mm。

2.3 過濾

通過旁通管出水控制均勻濾速，保持在10m/h。每5min或者2min取樣測量出水濁度，并繪制濁度變化曲線，當出水濁度趨于進水濁度時，濾料吸附攔截將近飽和，停止過濾，選取該時刻點為過濾時間。配制30NTU濁度水過濾，按照不同時間點取樣測量濁度，并繪制曲線如圖1所示。當過濾30min時，出水濁度趨于穩定，選取30min作為過濾時間。

圖1 過濾出水曲線

圖2 廢水處理工藝

2.4 對比試驗

設計對比試驗，按照上述條件在濾料1.6mm情況下進行一級過濾和二級過濾對比試驗。

一級過濾，進水濁度18.2NTU，數據見表1。二級過濾，進水濁度13.9NTU，數據見表2。

表1 一級過濾出水濁度

表2 二級過濾出水濁度

當進水濁度（18.2NTU）較高時，一級過濾效果欠佳，去除率僅為25%。當進水濁度（13.9NTU）較低時，第二級過濾效果去除率為50%，經兩級過濾后，水中濁度可降至7以下，去除率高于60%。

3 試驗模型

3.1 SS與濁度

對配置濁度溶液水，使用濁度儀測定濁度，按照《水質懸浮物的測定》（GB 11901—89）水質懸浮物的測定方法測定SS，試驗結果見表3。

表3 濁度與SS對應數據

通過模擬計算得到公式（1）。

式中：Y為固體懸浮物濃度，mg/L；X為濁度，NTU。將Y=1、Y=2、Y=3帶入公式（1）中，得到X=1.08、X=1.72、X=2.36。

3.2 亞硫酸鈉與含氧量

對二級出水進行亞硫酸鈉滴定試驗。亞硫酸鈉溶液的配置溶度為0.109g/mL，對200mL水樣進行滴定。通過軟件模擬，得到亞硫酸鈉使用量與水樣含量的關系，見表4。

表4 含氧量試驗數據

亞硫酸鈉使用量的計算過程如公式（2）所示。

式中：A為亞硫酸鈉使用量，kg，B為含氧量，mg/L，其中B≤5mg/L。

3.3 試驗結果

使用公式（1）對試驗出水水質進行判斷。

通過兩種方法統計藥用量，記錄進水總量和試驗結束后使用的藥量，計算噸水處理用藥量。在試驗過程中，取某段時間藥用量，采用實時監控，同時可以觀察投藥過程是否穩定。對統計到兩組數據求平均得到藥用量，見表5。

表5 試驗結論

4 濾料與油的黏附性

4.1 試驗過程及條件

從調節池直接取未加藥的原水過濾，使用試驗制備的小型過濾裝置[5]，原水的信息：濁度34.4NTU，含油量10.980mg/L。濾料：1.25～1.6mm，厚度為730mm。承托層：4～20mm（石子），厚度190mm。濾速：25m/h。

4.2 試驗數據及結果

將所有過濾水收集到一個水桶中，濁度為25NTU，含油量為4.6869mg/L。本次試驗過濾速度較快，如果原水補充不及時，就會出現斷流現象。查看濾料發現經過本次試驗后，濾料沒有出現板結現象，取出濾料用水沖洗，發現濾料上的油污能被沖洗掉，試驗數據見表6。

表6 試驗數據

4.3 試驗結論

當過濾柱前端狀態控制良好，濾速為32m/h時，一級出水可以滿足A3標準，二級出水可以滿足A2標準。

根據實際含氧量需要，按照公式（2）調整亞硫酸鈉的投加量，對水中的含氧量進行消解。

考慮經濟和使用效果確定最佳的投藥方案：PAC為46.095g/t，PAM為1.962g/t，CaO為64.479g/t。

本次試驗用的濾料親油性能差，可以長期使用不用擔心板結，采用氣水反沖洗或脈沖反沖洗可有效防止板結。

5 技術參數

在含油廢水中，與一般過濾方式相比，多級精細過濾方式采用兩個獨立的過濾器，上層鋪設改性陶瓷濾料，鋪設厚度為700mm，承托層鋪設200mm鵝卵石。一級過濾陶瓷濾料濾徑為1.6mm，二級過濾陶瓷濾料濾徑為1.2mm，K80均為1.3。

當過濾濾速為10m/h～20m/h時，出水指標滿足A1標準，但是藥劑成本較高。當濾速為32m/h時，一級出水可以滿足A3標準，二級出水可以滿足A2標準。當濾速為25m/h時，出水指標和藥劑成本達到最佳平衡值。因此一級過濾濾速為32m/h，二級濾速為25m/h。

當采用較高反沖洗強度16L/（m2·s）時，初始反沖洗出水濁度最高，反沖洗出水趨于平穩的用時最短，反沖洗效率為最高，其濾料膨脹率達到50%～60%。當反沖洗強度為8L/（m2·s）時，初始反沖洗出水濁度最低，濾料并沒有完全清洗徹底，膨脹率僅為10%，反沖洗強度不足以使整個濾料呈流化態，反沖洗效率較低。反沖洗強度12L/（m2·s）時，濾料膨脹率為30%，清洗效果適中。采用多級均質濾料，不存在濾層結構擾動干擾，因此采用16L/（m2·s）的反沖洗強度。

針對含油廢水粗粒化處理方法，選用傳統的膜處理與活性炭吸附等方式盡管處理效果好，但是成本較高，材料重生困難，而傳統的石英砂、無煙煤等濾料在含油廢水中的應用效果較差。陶粒濾料選用陶土添加成孔劑、黏溶劑，經球磨、篩分、成型、煅燒而成，具有表面堅硬，內部多微孔，比表面積大，空隙率高、疏油性等特點。用于含油廢水處理，具有截污能力強、過濾周期長、過濾水頭損失小、反沖洗耗水量低等特點，因此采用陶瓷濾料。

6 技術應用

6.1 基本情況

以山東某集團大豆油廢水為例[3]，其中蛋白廢水5000m3/d，pH約為4，COD為18000mg/L。含油29.2mg/L，SS為4000mg/L～6000mg/L，NH4+-N為100mg/L。果糖廢水2500m3/d，pH為1～13，COD為1500mg/L～3000mg/L，BOD/COD為0.7。玉米淀粉1500m3/d，COD為7000mg/L～9000mg/L，SO42-為100mg/L。

6.2 處理工藝

大豆油廢水經過前段氣浮處理后采用多級過濾工藝如圖3所示。首先，根據加藥后的液體顏色變化決定混凝劑投加藥量[4]，采用回轉式氣浮裝置對懸浮物進行初步去除，去除效率為50%，出水SS約為2000mg/L。其次，進入多級過濾裝置，采用1.6mm和1.2mm濾料過濾裝置，最后，出水COD為150mg/L～200mg/L，含油低于1mg/L。

6.3 工藝特點

該粗粒化裝置采用以疏油性的陶瓷濾料作為粗粒化材料[6]，在含油廢水分散油珠粗粒化并連續出水的同時可同步清洗濾料。廢水中的細小分散油珠主要通過碰撞聚結作用，相互接觸聚結成較大的油珠，浮力大于重力后，油滴從填料中脫離，浮上水面后被去除。在運行過程中，采用連續進水的方式，當裝置中的浮油層累計足夠厚時，打開浮油管的閥門，將浮油排出，凈化后的出水從出水管流出，進入下一個裝置。隨著運行時間的增加，聚結材料表面會沉積油泥或其他懸浮顆粒。

反沖洗進水管位于濾床中心，當反沖洗時，開啟沖洗水泵，將高位水箱內的清水泵入罐體底部，進行反洗，反洗進水管出來的高壓水在進水管和提升管間形成了負壓區，使提升管底部的濾料被壓入提升管中，而提升管外側的填料則沿斜面不斷地滑到提升管底部，隨高壓水進入提升管，進入提升管內的填料在管內劇烈地碰撞摩擦，將顆粒表面黏附的雜質去掉，隨后填料經傘形滑落到填料層頂，使填料層得到更新，從而做到內循環反沖洗。

多級精細過濾裝置的特點是多級濾床分別設置，可根據出水水質要求調節各級的濾床面積或者改變過濾級數，當材料表面被油膜包住，過濾水頭不斷增加，當增至一定值后，開始反沖洗，在反沖洗水的沖力與浮力下，油膜脫離濾料最終與反沖洗水一同排出裝置。經過多級精細過濾裝置的處理，不僅可以進一步去除廢水中的油珠，還可以去除一部分極難處理的溶解油，出水含油量可低至約2mg/L，甚至接近1mg/L。

目前需要兩種濾料，一種是平均粒徑為4mm的陶瓷濾料，抗壓強度為20MPa～25MPa，濾料表面粗糙，擬用作污水處理時生物污泥掛膜的載體。另一種是平均粒徑為0.6～1.0mm的陶瓷濾料，抗壓強度為50MPa，濾料表面較光滑。對該濾料表面進行改性，第一段工藝為粗粒化，裝置中為疏油性的濾料，進水含油量控制在20mg/L以下，當含油污水流經時，粗粒化材料是疏油的。第二段工藝為精細過濾，裝置中為親油性濾料，分散油珠潤濕附著在濾料表面，隨反沖洗水一同脫離濾料，同時濾料重生。

7 結論

采用多級精細過濾利用粗粒化方法對含油廢水進行處理，可降低藥耗，并采用反粒度過濾方式解決粗粒化濾料膨脹產生的問題，通過試驗和實際應用驗證了其可行性。

多級精細過濾裝置的特點在于分別設置，可根據出水水質要求調節各級的濾床面積或者改變過濾級數，利用過濾材料的親疏水性分離油水。

濾料對粗粒化精細過濾有較大影響，本次試驗用的濾料親油性能差，可以長期使用不用擔心板結，采用氣水反沖洗或脈沖反沖洗可有效防止板結。

內置濾料采用陶瓷濾料，濾料表面形成有大量可吸附物質的孔洞，通過增加比表面積，以提高濾料的吸附能力。裝置結構緊湊巧妙，多級過濾集于一個罐體中，占地小且可根據出水效果改變級數。

對比含油廢水過濾的反沖洗與天然濁度廢水過的反沖洗，含油廢水更難處理。因此處理含油廢水不僅應考慮過濾效果，還應結合反沖洗效果。