一体化活化硅藻土反应器应用于污水深度处理的中试研究.pdf

水 污 染 治 理 一体化活化硅藻土反应器应用于污水 深度处理的中试研究 * 李尔 1 曾祥英 1 陈莉 2 范跃华 3 1. 武汉市政工程设计研究院有限责任公司，武汉430015;2. 湖北省质量技术监督局，武汉430000; 3. 华中科技大学环境科学与工程学院， 武汉430074 摘要 开发了一种新型的污水深度处理反应器 一体化活化硅藻土反应器， 并对其性能和净水效果进行了研究。结 果表明 与常用的混凝剂 PAC、 硫酸铝相比， 活化硅藻土对污水厂尾水中的 SS、 NH3-N、 COD、 BOD5、 TP、 TN、 UV254等污 染物指标的去除效果更好且其处理成本也较低; 当原水流量和水质变化时， 一体化活化硅藻土反应器具有一定的抵抗 冲击负荷的能力， 并能确保出水水质稳定， 基本达到 GB 189182002 中的一级 A 排放标准。 关键词 活化硅藻土;污水深度处理;一体化活化硅藻土反应器;中试 STUDY ON THE ADVANCED TREATMENT OF WASTEWATER BY INTEGRATED ACTIVATED DIATOMACEOUS EARTH REACTOR Li Er1Zeng Xiangying1Chen Li2Fan Yuehua3 1. Wuhan Municipal Engineering Design and Research Institute， Wuhan 430015，China; 2. Hubei Bureau of Quality and Technical Supervision， Wuhan 430000，China; 3. School of Environment Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology HUST ， Wuhan 430074，China AbstractIn this paper，a new reactor of advanced wastewater treatment，integrated activated diatomaceous earth reactor IADERwas developed. The treatment effect of the activated diatomaceous earth ADEand the perance of IADER were studied. The results indicated that compared with the common coagulant such as PAC and Al2 SO4 318H2O，the removal ratesofSS，NH3-N，COD，BOD5，TP，TNandUV254byADEwerehigherthanthosebyPACand Al2 SO4 318H2O. Moreover when the flow rate and water quality of raw water change，the IADER can resist the impact load，and stabilize water quality of effluent，make respectively and make it satisfy discharge standard A of the first order specified in GB 189182002. Keywordsactivated diatomaceous earth;advanced treatment of wastewater;integrated activated diatomaceous earth reactor; pilot research * 武汉市建委重点科研项目 200816 。 0引言 为了适应社会对水环境质量改善的要求， 不少在 运行的污水处理厂面临着提高尾水水质的问题， 相关 的污水处理厂都在积极进行着升级改造， 而寻找经济 合理的深度处理工艺和药剂成为了研究的重点。硅 藻土是硅藻类植物残骸经长期自然作用形成的生物 沉积岩， 其主要成分是 SiO2、 Al2O3、 Fe2O3等， 因其比 表面积及孔隙率较大常被用作助滤剂或滤料， 但其中 的 Al2O3和 Fe2O3等成分的净水能力往往未得到充 分利用， 为此本研究开发了基于活化硅藻土的一体化 反应器并将其应用于污水厂的深度处理中。本文的 主要目的是研究该反应器在污水深度处理方面的性 能及其净水剂 活化硅藻土的净水效果。 1试验装置与方法 1. 1试验材料 1. 1. 1试验原水 试验原水取自武汉市武昌龙王嘴污水处理厂的 1 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 尾水 该 污 水 厂 于 2003 年 6 月 投 产， 现 状 工 艺 按 GB 189182002城镇污水处理厂污染物排放标准 一级 B 排放标准 设计， 该原水主要水质指标范围如 表 1 所示。 表 1原水主要水质指标 水质指标 ρ SS / mgL － 1 ρ NH3-N / mgL － 1 ρ COD / mgL － 1 ρ BOD5 / mgL － 1 ρ TP / mgL － 1 ρ TN / mgL － 1 UV254/ cm － 1 数值范围15 ～ 205. 5 ～ 7. 950 ～ 6013. 5 ～ 19. 50. 8 ～ 1. 314 ～ 190. 115 ～ 0. 155 1. 1. 2活化硅藻土 试验所用的硅藻土 取自湖北省随州市硅藻土 矿 区 其 主 要 成 分 含 量SiO271. 35 、Al2O3 16. 86 、 Fe2O32. 6 、 K2O 2. 94 、 Na2O 0. 84 、 灰 分及其他杂质 5. 41 。活化硅藻土溶液是硅藻土经 稀硫酸浸泡溶解活化后所得， 根据前期研究的结果， 本试 验 中 硅 藻 土 的 最 佳 活 化 条 件 为 硫 酸 浓 度 12. 3 ， 用酸当量比 1. 1， 活化时间3 d。另外本研究 中的 PAC 采用精制聚合氯化铝 Al2O3含量 35 、 硫酸铝采用化学纯 Al2 SO4 318H2O Al2O3含量 16 。 1. 2中试试验模型装置 中试试验模型装置如图 1 所示， 设计最大处理水 量1. 5 m3/h。其中一体化活化硅藻土反应器长2 m， 宽0. 3 m， 高0. 28 m， 分 5 个区 折板絮凝区、 迷宫絮凝 沉淀区、 气浮区、 斜板沉淀区、 涂膜过滤区， 其中折板 絮凝区中折板长0. 19 m， 波峰间距0. 01 m， 波谷间距 0. 28 m， 折板倾角 45， 有 10 个缩放单元， 整个折板 絮凝区长1. 35 m， 高0. 30 m。迷宫絮凝沉淀区分为 10 个区格， 每个区格长0. 2 m， 宽0. 03 m。斜板沉淀 区利用一体化反应器的底板作为滑泥板， 整个斜板长 1. 7 m， 宽0. 28 m， 一体化反应器倾斜 45， 以便沉淀 区滑泥。气 浮 区 长0. 3 m， 宽0. 3 m， 高0. 28 m。另 外， 尼可尼泵是一种可同时吸气吸水的新型溶气泵， 吸气量可达设计处理水量的 8 ～ 10 ， 所形成的微 细气泡直径为 20 ～ 30 μm， 该泵可取代常规复杂的溶 气系统。硅藻土涂膜过滤区采用三根开孔的 UPVC 管 孔径5 mm， 开孔率 1. 5 作为硅藻土过滤元件， 管径DN45 mm， 长0. 9 m。 图 1试验模型装置 一体化活化硅藻土反应器工作过程分 3 个阶段 过滤区预涂膜过程、 净水过程和反冲洗过程。1 预 涂膜过程是在硅藻土涂膜过滤区的过滤元件上形成 硅藻土滤膜， 其操作过程为阀门 1， 4， 6 开启， 其他阀 门关闭， 将活化硅藻土溶液泵入一体化活化硅藻土反 应器中， 部分硅藻土被截留在滤元上， 未涂上的硅藻 土残渣经硅藻土回流管回流到硅藻土溶液箱内， 直至 回流管中的出水为清水时此过程停止。2 净水过程 是将活化硅藻土溶液作为混凝剂与原水经原水泵混 合后进入一体化活化硅藻土反应器， 经折板絮凝、 迷 宫絮凝沉淀、 气浮、 斜板沉淀、 硅藻土涂膜过滤后出水 进入清水箱， 气浮所需的溶气水由尼可尼泵同时吸气 吸清水 清水来自于清水箱 经溶气水管进入反应器 中。此过程中阀门 1， 2， 5， 7， 10 开启， 其他阀门关闭。 2 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 3 反冲洗过程主要采用气冲、 气水冲、 水冲三种方 式， 此时尼可尼泵作为反冲洗泵工作， 可单独吸气、 吸 气水、 吸水进行反冲。此过程阀门 3， 6， 8， 10 开启， 其 他阀门关闭。定期开启阀门 3、 阀门 9 排渣。 2试验结果及分析 2. 1活化硅藻土与常规混凝剂处理效果的比较 相同原水条件下， 投加有效成分相同的硅藻土 20 mg/L， 活化后投加 、 PAC 10. 6 mg/L 、 硫酸铝 23. 2 mg/L 硅藻土按 Al2O3和 Fe2O3计、 PAC 和硫 酸铝 按 Al2O3计对 原 水 中 的 SS、NH3-N、COD、 BOD5、 TP、 TN、 UV254等的去除率及处理后水质情况的 小试结果如图 2 所示。相同投加量 20 mg/L 的活 化硅藻土、 PAC、 硫酸铝对原水中的 SS、 NH3-N、 COD、 BOD5、 TP、 TN、 UV254等的去除率及处理后水质情况的 小试结果如图 3 所示。图 2 和图 3 中的数据为多次 试 验 的 平 均 值。 原 水 水 质 指 标 如 下ρ SS 20 mg/L， ρ NH3-N 7. 9 mg/L， ρ COD 55. 2 mg/L， ρ BOD5 18 mg/L， ρ TP 0. 9 mg/L， ρ TN 18. 3 mg/L， UV254 0. 145 cm － 1， 根据前期研 究的结果， 该水质 条件 下 硅 藻 土 的 最 佳 投 加 量 为 20 mg/L。 a去除率; b处理后水质指标 图 2有效成分相同的不同混凝剂小试结果对比 分析图 2、 图 3 可知， 有效成分当量相同和投加 a去除率;b处理后水质指标 图 3等投加量不同混凝剂小试试验结果对比 量相同时活化硅藻土对各指标的去除效果都明显高 于 PAC 及硫酸铝， 主要原因是活化硅藻土比表面积 和孔隙率较大， 且含有大量的 SiO2， 除了混凝作用还 具有较强的吸附作用。另外， 在本试验条件下活化硅 藻土能确保 SS、 COD、 NH3-N、 TP 等指标达到一级 A 标准， 而 BOD5和 TN 则略高于该标准。根据传统理 论 BOD5和 TN 的去除主要须依靠生物作用。故如进 一步降解 BOD5和 TN， 则需增设生物处理工艺。而 经硅藻土处理后的出水因其污染物质已部分去除， 故 其处理成本较直接采用生物处理工艺要低。另外经 计算活化硅藻土的成本 含活化所需的硫酸费用 为 580 元 /t， 低于 PAC 约1 400 元 /t 和硫酸铝 约 850 元 /t 。综上， 活化硅藻土作为净水剂经济性方面优 于 PAC、 硫酸铝。 2. 2不同原水水质水量条件下一体化活化硅藻土反 应器的处理效果 1 不同流量下的原水经一体化活化硅藻土反应 器后的去除率及出水水质情况如图 4 所示， 其中原水 水质 指 标 如 下 ρ SS 17. 5 mg/L， ρ NH3-N 6. 7 mg/L，ρ COD 58 mg/L，ρ BOD5 14. 5 mg/L， ρ TP 1 mg/L， ρ TN 17. 8 mg/L， UV254 0. 133 cm － 1; 流量分别为 Q 1 0. 7 m3/h， Q2 3 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 1. 0 m3/h和 Q3 1. 3 m3/h 各流量条件下硅藻土按 前期研究所确定的最佳投加量投加， 分别为15. 3， 18. 6， 22. 2 mg/L。 a去除率; b出水水质指标 图 4不同流量下一体化活化硅藻土反应器 处理效果对比 由图 4 可知， 当流量变化时， 一体化活化硅藻土 反应器对 SS 的去除率可达 75 以上， NH3-N的去除 率可达 24. 5 以 上， COD 去 除 率 可 达 43 以 上， BOD5的去除率可达 30 以上， TN 的去除率可达 24. 4 以上， TP 的去除率达到 60 以上， UV254去除 率可达 61. 5 以上。流量减少 30 或增加 30 以 Q 1. 0 m3/h为比较标准， 下同 ， SS 的去除率均值分 别增加 1. 1 和下降 1. 9 ， NH3-N的去除率均值分 别增加 1. 6 和下降 3. 1 ， COD 的去除率均值分别 增加 1. 3 和下降 2. 7 ， BOD5的去除率均值分别增 加 6. 7 和下降 10 ， TN 的去除率均值分别增加 7. 4 和下降 13 ， TP 的去除率均值分别增加 2. 7 和下降 1. 6 ， UV254的去除率均值分别增加 2. 4 和 下降 1. 6 。另外， 各项出水水质指标中除 BOD5和 TN 略高于一级 A 排放标准外， SS、 COD、 NH3-N、 TP 等均达到了该标准。故从总体上看， 本反应器具有一 定的抵抗水量变化冲击的能力。由图 4 还可知相对 其他水质指标而言， 本反应器的水量变化对 BOD5和 TN 的去除效果影响更大。 2 不同水质的原水经一体化活化硅藻土反应器 处 理 后 试 验 结 果 如 图 5 所 示，其 中 流 量 Q 1. 0 m3/h，原 水 水 质 指 标 为水 样 1ρ SS 20 mg/L， ρ NH3-N 7. 3 mg/L， ρ COD 59 mg/L， ρ BOD5 18. 5 mg/L， ρ TP 1. 2 mg/L， ρ TN 18. 8 mg/L， UV254 0. 151 cm － 1; 水 样 2 ρ SS16. 8 mg/L， ρ NH3-N6. 3 mg/L， ρ COD 54 mg/L， ρ BOD5 16. 5 mg/L， ρ TP 0. 95 mg/L， ρ TN 16. 6 mg/L，UV254 0. 135 cm － 1;水 样 3 ρ SS14. 5 mg/L， ρ NH3-N5. 6 mg/L， ρ COD 50 mg/L， ρ BOD5 14. 2 mg/L， ρ TP 0. 85 mg/L， ρ TN 14. 8 mg/L， UV254 0. 120 cm － 1 各水样中 硅藻土按前期研究所确定的最佳投加量投加， 分别为 21. 2， 17. 9， 14. 5 mg/L 。图 5a 中的水质变化率是以 水样 2 的进出水水质指标为比较标准。 a进、 出水水质变化率 以水样 2 为比较标准 ; b出水水质指标 图 5不同原水水质下一体化活化硅藻土 反应器处理效果对比 由图 5 可知， 当原水水质变化时 水样 1 各水质 指标的变化率为 9. 3 ～ 19 ， 水样 3 各水质指标的 变化率为 － 7. 4 ～ 13. 7 ， 一体化活化硅藻土反应 器出水水质指标的变化率 水样 1 各水质指标变化率 下转第 28 页 4 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 解作用， 提高了污水的可生化性， 尤其是一些难好氧 降解的有机氮化合物经厌氧降解后转变为氨氮， 提高 了焦化水的可生化性和碳源的有效利用率， 为脱氮和 硝化创造了有利条件。 2. 3影响 COD、 氨氮等降解的因素 2. 3. 1水力停留时间 HRT 与降解效率的关系 HRT 是一个涉及到基建投资、 占地面积等因素 的重要参数， 包括厌氧、 缺氧、 好氧 3 部分。通过试 验， HRT 在 27 ～ 35 h比较合适。试验选择 HRT 为 32 h， 即厌氧6 h， 缺氧8 h， 好氧18 h。此时 COD、 氨氮 等指标的去除率都能达到最高值。 2. 3. 2pH 值对硝化反应的影响 细菌需要在合适的 pH 值范围内才能生存， pH 值影响硝化反应及反硝化反应的速率， 影响硝酸盐和 亚硝酸盐的比值， 另外， pH 值是用酸碱来调节的， 因 此， 它还影响运行费用。通过试验确定厌氧段及缺氧 段 pH 值控制范围为 8. 2 ～ 7. 6， 好氧段为 7. 4 ～ 7. 0。 2. 3. 3回流比与脱氮率的关系 在单级 A/O 流程中， 最大脱氮率 R 与硝化液回 流比 r 存在着如下关系R r/ 1 r 。在碳源充足 的条件下， 增加回流比可提高脱氮率。通过试验观察 到， 在回流比较小时， 随着回流比的增大， 总氮脱除率 迅速提高， 但当回流比达到 5 以上时， 再增大回流比， 总氮脱除率上升幅度就很小了， 但回流比增大， 动力 消耗也增加。综合考虑回流比取 5. 5 较合适。 2. 3. 4碳氮比对脱氮率的影响 低碳氮比有利于硝化反应， 而高碳氮比对脱氮反 应有利， 碳氮比是控制脱氮率的主要因素之一。根据 实践， 一般认为 ρ BOD5 /ρ TN ≥4 ～ 5， ρ COD / ρ TN ≥9 时， 可不外加碳源而完全脱氮。鞍钢化工 总厂 的 ρ BOD5 /ρ TN平均值为 2. 66，ρ COD / ρ TN 平均值为 7. 48， 若非外加碳源， 不可能完全脱 氮， 实际脱氮率为 71 ， 与此值是吻合的。投加甲醇 等有机物， 可增加碳氮比， 提高脱氮率， 但会提高运行 成本， 造成二次污染。 参考文献 ［1 ］ 何燧源. 环境化学［M］ . 4 版. 上海 华东理工大学出版社， 2000 186- 190. ［2 ］ 鞠兴华， 王喜全. 厌氧 － 好氧处理马铃薯加工废水［J］ . 贵州 环保科技， 1999， 5 1 25- 27. ［3 ］ 郭大陆. 焦化水氨氮、 COD 降解技术中试研究报告［J］ . 鞍钢 环保， 1998， 6 1 37- 48. 作者通信处王喜全114051辽宁省鞍山市辽宁科技大学化工 学院环境工程系 电话 0412 5929634 E- mailwxq_as 163. com 2010 － 04 － 30 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 4 页 为 1. 1 ～ 5. 6 ， 水 样 3 各 水 质 指 标 变 化 率 为 － 3. 4 ～ 6. 2 较之进水有明显的下降， 尤以 SS、 NH3-N和 TP 等的出水变化率较为稳定。另外， 各项 出水水质指标中 SS、 COD、 NH3-N、 TP 等指标均达到 一级 A 排放标准， BOD5和 TN 则接近于该标准。故 本反应器具有一定的承受水质变化冲击的能力。 3结论 1 相对 PAC 和硫酸铝等常规混凝剂， 活化硅藻 土因存在混凝吸附双重作用， 故对污水厂尾水中的 SS、 NH3-N、 COD、 BOD5、 TP、 TN、 UV254等的去除具有 明显优势， 且其价格相对便宜。 2 当原水流量和水质变化时， 一体化活化硅藻 土反应器具有一定的承受冲击负荷的能力， 并能确保 出水水质稳定， 基本达到 GB 189182002 一级 A 排 放标准。 3 本研究中的一体化活化硅藻土反应器可应用 于污水厂深度处理中， 以提高尾水水质。 参考文献 ［1 ］ Aldegs Y，Khraisheh M，Tutunji M F. 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