氧化-微絮凝-高速过滤应用于再生水生产的研究.pdf

氧化 - 微絮凝 - 高速过滤应用于再生水生产的研究 ＊ 贾仁勇 1,2 孙力平 2 韦 立 3 李秀敏 4 齐兆涛 2 衣雪松 2 1. 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海 200092; 2.天津城市建设学院环境与市政工程系, 天津 300384; 3.天津市园林规划设计院, 天津 300211; 4. 天津中水有限责任公司, 天津 300061 摘要 以中国北方缺水地区污水再生利用为目标 , 采用常规滤料双层过滤探讨高速微絮凝、氧化过滤再生水处理技术, 试验通过不同的滤料级配、滤层厚度的对比试验; 采用 3种混凝剂和3 种助凝剂做筛选试验, 发现采用1 混凝剂, HFO 助凝剂做絮凝氧化剂效果较理想, 得出高速微絮凝氧化过滤工艺处理城市污水厂二级出水的工艺是可行的。 试验装 置的滤池单位面积周期产水量为50 m3 m2h, 最佳工艺条件下出水浊度去除率为 92. 21, 平均浊度为 0. 889NTU; COD 去除率为 55. 58, 平均为22. 33 mg L; PO3 - 4-P去除率为 84, 平均为0. 135 mg L; 色度去除率为 80. 7, 平均为 1. 45 度, 完全符合GB T18920-2002城市污水再生利用城市杂用水质要求。 关键词 氧化; 微絮凝; 高速过滤; 再生水 TREATMENT OF THE SECONDARY EFFLUENT OF MUNICIPAL WASTEWATER BY OXIDATION-MICROFLOCCULATION -HIGH SPEED FILTRATION PROCESS Jia Renyong1 ,2 Sun Liping2 Wei Li3 Li Xiumin4 Qi Zhaotao2 Yi Xuesong2 1. State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Tongji University , Shanghai 200092, China; 2. Department of Environmental and Municipal Engineering , Tianjin Institute of Urban Construction, Tianjin 300384, China; 3. Tianjin Institute of Landscape Planning Design, Tianjin 300211, China; 4.Tianjin Reclaimed Water Co. , Ltd, Tianjin 300061, China Abstract Sewage recycle is one of the most effective s that can be adoptedto settle such problems asthe shortage of water and the water pollution inNorthern China. In order to find a high -efficiency and low-cost sewage recycle process, the secondary effluent of municipalwastewater is treated by using the double -layer filter of normal medium and the process of down -flow-high-speed filtration under the situation of flocculation and oxidation. Through comparing, the influence of the filterability caused by changing the filter bed and pretreatment ways are studied.The oxidation -microflocculation -high speed filtration process is proved to be practicable, and oxidant HFO and coagulant 1 give a good perance in the experiments.Water yield from the filter bed per unit area in each cycle is 50 m3 m2h , the average turbidity of the effluent is 0. 889NTU, and the removal rate is 92. 21; COD removal rate is 55. 58, with an average of 22. 33 mg L;PO3 - 4 -P removal rate is 84, the average is 0. 135 mg L;chroma removal rate is 80. 7, with an average of 1. 45, thewater quality of the finaleffluentmeets the water quality standard for urbanmiscellaneouswater consumption of GB T18920 -2002. Keywords oxidation; microflocculation; high speed filtration;reclaimedwater ＊天津市重大科技攻关项目 043112011 。 0 引言 再生水是指各种排水经处理后 ,达到规定的水质 标准 ,可在生活 、 环境等范围内杂用的非饮用水。 目前, 超滤 、 反渗透等工艺在再生水生产中已经 有了一定程度的应用, 但限于我国的经济水平 ,短期 内普及深度处理技术尚不可能 。因此, 如何利用现有 净水工艺来提高水质及产水量成为研究的重要方向。 国内的研究主要集中在氧化剂预氧化、 高效混凝剂的 研制来强化过滤 ,李桂平等 [ 1] 采用微絮凝-直接过滤 工艺对城市二级污水进行深度处理研究, 结果表明, 微絮凝 - 直接过滤对PO 3- 4- P去除率大于 98,同时 对COD 和 SS 有较好的去除效果。国外 Cikurel 等 [ 2] 的研究认为 ,当不加混凝剂时, 二级污水的直接过滤 效果不佳; Jaap 等 [ 3] 对荷兰的城市污水进行双层滤料 高速过滤 最高滤速为30 m h 处理 , 通过投加 FeCl3 58 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期 絮凝剂进行微絮凝过滤, 取得了良好的效果。本试验 将助凝剂 HFO 强化微絮凝 -双层滤料高速过滤技 术应用于再生水的生产, 取得了良好的效果 ,有效提 高了周期产水量 。 1 试验 1. 1 进水水质及试验装置 试验用水取自天津某污水厂二级处理出水,该水 厂的水质年变化及测定进 、 出水水质所用方法和试剂 见表 1。 表 1 试验用水水质及分析方法 参数浊度 NTU ρ COD mgL- 1 ρ PO3- 4 -P mgL- 1 p H色度 倍 数值3. 5 ～ 15 . 5 14. 64～ 67 . 60 . 096～ 1 . 27 . 0～ 7 . 54 . 5～ 8 . 0 分析方法仪器法重铬酸钾法 钼锑抗分 光光度法 电极法稀释倍数法 试验装置为高速过滤装置一套 见图 1 , 滤柱为 有机玻璃材料, 高为2. 5 m ,直径70 mm,滤层在高度上 与生产滤池按 1∶ 1 设计 ,试验中 A 、B 滤柱采用不同 的滤料级配和深度, 承托层为级配卵石, 高20 cm 。 图 1 试验装置示意 1. 2 试验方法 在烧杯试验和直接过滤的基础上, 试验采用 1 等3 种混凝剂,HFO 等 3 种助凝剂做筛选试验 ,得出 1 混凝剂的最佳用量为3 mg L , 助凝剂 HFO 的最佳 用量为0. 9 mg L 。 试验采用等水头变滤速下向流的方式,以滤速和 出水浊度为周期控制指标 , 在滤速低于30 m h、出水 浊度高于 5NTU 时停止过滤进行反冲洗, 反冲洗采用 气冲、气水冲和水冲的3 段式冲洗方式 。A 滤柱分析 了在滤料粒径较小, 滤层厚度较低的情况下不加助凝 剂过滤和微絮凝 -过滤的处理效果。增大滤料粒径 后,过水通道尺寸加大,过滤水流阻力减弱,从而过滤 周期延长, 产水量增加 , 但是在滤层厚度不变的情况 下,增加了过滤过程浊度泄露的机率, 为防止该情况 的发生 , 必须增加滤层厚度, 因此, 相对于 A 柱, B 柱 采用了加大滤料粒径和滤层厚度的工艺 ,同时分析了 投加助凝剂对处理效果的影响 ,助凝剂直接投加到高 位水箱 ,混凝剂由蠕动泵投加到进水管道中 ,设定混 凝剂在管道中的停留时间为 45～ 60 s。 2 结果与讨论 2. 1 滤速 、 浊度和产水量的变化 在过滤过程中, 分析了2 个滤柱 4 种工况的处理 效果, 发现滤速的衰减 、产水量的增加以及浊度的变 化趋势有一定相关性 。其中,A 柱不加絮凝剂的过滤 方式下浊度的去除要差于其他过滤方式 ,且浊度泄露 出现的时间早; 与A 滤柱相比, 由于加大了滤料粒径 和滤层厚度 ,在相同的絮凝过滤条件下 , B 滤柱的过 滤速度明显的高于 A 柱 ,最大滤速达到74 m h, 二者 的处理效果相似 ,但是,B 柱的过滤成熟期较长; B 柱 经过 HFO 氧化 -微絮凝高速过滤后 , 出水的各项参 数都有了较大幅度的提高。鉴于各种过滤方式的滤 速、 产水量以及浊度变化的相似性, 在此以 B 柱氧 化-微絮凝高速过滤的滤速变化、 产水量及出水浊度 的变化说明三者之间变化的相关性。试验结果如 图2、图 3所示 。 由于过滤主要是悬浮颗粒与滤料颗粒之间黏附 59 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期 图 2 滤速和产水量随时间的变化 图 3 浊度随过滤时间的变化 作用的结果 ,而在颗粒黏附作用的同时 , 还存在由于 孔隙中水流剪力作用而导致颗粒从滤料表面脱落的 趋势 。黏附力和水流剪力的相对大小, 决定了颗粒黏 附和脱落的程度 [ 4] 。由图 2、图 3 可知, 在过滤的初 期,滤层黏附的悬浮颗粒较少 ,孔隙率大 ,因此滤速较 高 74 m h ,悬浮颗粒易随高速水流穿透滤层, 浊度 的去除效果较差 ,此时黏附作用占优势 , 水流剪力较 小。随着过滤的进行, 滤层中杂质逐渐增多 ,形成了 以滤料颗粒为中心的絮团 ,絮团对水中的悬浮颗粒有 较强的黏附和机械截留作用, 所以在过滤进行 3～ 4 h 以后出水水质达到最佳, 而杂质在滤层中的积累导致 有效过水断面面积减小, 滤池整体滤速迅速下降, 滤 层内的局部滤速却迅速增加, 滤料黏附的颗粒在水流 剪力的作用下脱落, 使下层滤料的黏附作用渐次得到 发挥 ,也保证了出水水质的稳定 。在过滤进行20 h以 后,由于滤层中截留了大量悬浮颗粒, 孔隙率大大减 少,整体滤速由最初的74 m h下降到 30 ～ 40 m h, 滤 层内局部滤速产生的水流剪力过大 ,使黏附在滤料颗 粒上的杂质随水流流出滤层, 产生了浊度泄漏现象, 出水浊度由稳定期的 0. 89NTU 逐渐增加到 2NTU 以 上。通过对产水量的线性分析知,产水量随过滤过程 呈线性 R 2 0. 9898 稳定增长 ,但由于滤速是逐渐下 降的, 所以其线性分析的斜率仅为 0. 0959,但是滤池 单位面积周期产水量为50 m 3 m2h , 且出水水质良 好,这恰恰体现了高速过滤在进水适当预处理条件下 的优势。 2. 2 滤柱A 、 B 的处理效果比较 在试验中分析了滤柱 A、B 在 4 种工况下的处理 效果, 其中, 滤柱 A 的工况一、二的进水分别为未经 过预处理和经过了絮凝预处理的; 滤柱 B 的工况三、 四的进水是经过了絮凝预处理和絮凝氧化预处理的, 每种工况共进行了 15 个周期。1 混凝剂投加量为 3 mg L,助凝剂 HFO 投加量为0. 9 mg L, 处理出水的 水质指标去除率变化范围及过滤过程的相关参数见 表2。 表 2 滤柱 A、B 的不同工况出水水质参数比较 滤柱工况 最大滤速 mh- 1 过滤周期 h浊度去除率 COD 去除率 PO3 - 4 - P去除率 色度去除率 A一552478. 6～ 87 . 86. 5～ 28. 915. 2～ 30 . 463. 8～ 69. 6 二5522～ 2375. 6～ 94 . 220. 4～ 41. 576. 6～ 84 . 863. 8～ 76. 3 B三7423. 479. 5～ 90 . 530. 4～ 39. 760. 4～ 85 . 748. 6～ 74. 4 四742290. 8～ 93 . 343. 2～ 65. 874. 3～ 89 . 172. 7～ 89. 2 根据表 2 所示, 在增大滤料的粒径和滤层厚度 后,过滤的最大滤速有了显著的提高, 这使高速过滤 的滤池单位面积周期产水量得到了大大提高 ,同时也 由于周期产水量的增加, 使过滤周期变短 ,这与水中 的悬浮颗粒在滤层中积累及脱落有关 。分析出水浊 度、 COD、 PO 3- 4- P和色度去除率的变化发现, 由于增 加了滤层厚度 , 所以增大滤料粒径并没有使滤柱 B 的出水水质变差 ,但是与工况二相比, 工况三由于滤 柱 B 的滤层孔隙率大 ,滤速的大幅提高导致出水的 整体效果要差于滤柱 A 的出水 。在投加 1 混凝剂 后,其他工况的PO 3- 4-P的去除率都较工况一有了大 幅度的提高 ,其主要原因为 1 混凝剂在水中的水解 产物与PO 3- 4- P反应产生沉淀 , 使PO 3- 4- P的去除率 提高了 40以上。 水中的浊度与有机物关系密 切 [ 5- 6] , 在试验中 , 浊度和 COD 的去除也体现了这一 点。工况四在投加助凝剂 HFO 后, 出水浊度、COD、 PO 3- 4-P和色度去除率均较前 3 种工况有了很大提 高。通过以上的数据分析可知 , 加大滤料粒径、提高 60 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期 滤层厚度以提高过滤速度 ,增加周期产水量的方法是 切实可行的。 2. 3 滤柱 B 不同工况的结果分析 采用滤柱 B 进行了工况三 微絮凝 -高速过滤 和工况四 HFO 预氧化 - 微絮凝 - 高速过滤 的 12 个 周期的试验对比 , 分析助凝剂 HFO 对高速过滤处理 效果以及两种工况的处理效果稳定性的影响 。 2. 3. 1 出水浊度和 COD 的变化分析 在12 个周期的高速过滤过程中浊度和 COD 的 变化结果见图 4、图 5。工况三的进水平均浊度为 11. 55NTU, 出水平均浊度为 1. 767NTU, 浊度的平均去 除率为 85. 14, 进水平均 ρ COD 为50. 44 mg L , 出 水平均ρ COD 为32. 33 mg L , COD 的平均去除率为 35. 69; 工况四的进水平均浊度为 11. 48NTU, 出水 平均 浊 度 为 0. 889NTU, 浊 度 的 平 均 去 除 率 为 92. 21, 进水平均 ρ COD 为50. 17 mg L, 出水平均 ρ COD为 22. 33 mg L , COD 的 平 均 去 除 率 为 55. 58。结合图4 和图 5 可知 , 工况三的浊度的去 除率可维持在 80以上, 但是波动性大, 去除率在 79. 5～ 90. 5, COD 的去除率在 30～ 40; 而工 况四的去除率在90 以上, 经过12 个周期的过滤 ,出 水的水质稳定 , 浊度去除率在 90. 8～ 93. 3,COD 去除率 43. 2～ 65. 8。有机物在水中的大量存在 使水中的胶体颗粒能够和有机物之间互相作用,从而 在胶体颗粒表面形成一层天然有机涂层 。工况四的 助凝剂 HFO 可以利用其强氧化性 , 通过改变和破坏 胶体颗粒表面的有机涂层和水中溶解性有机物的结 构,降低胶体颗粒表面负电荷和双电层排斥作用、改 变有机物的亲水性结构, 使混凝剂更加有利于直接和 胶体颗粒及水中溶解性有机物作用 ,达到有利于有机 物和浊度降低的效果。同时 ,HFO 在反应过程中产 生的副产物可以吸附溶解水中的有机物 、 胶体颗粒表 面有机涂层上的有机物, 进而直接作用于胶体颗粒表 面吸附胶体。该产物的吸附作用可以促进和加快絮 体的形成和长大 ,在高速条件下, 防止了絮体颗粒穿 透滤层 ,促进了滤料对絮体的截留, 保证了对有机物 和浊度的去除效果。 2. 3. 2 出水PO 3- 4- P和色度的变化分析 根据各个周期的数据统计结果如图 6、图 7 所 示,在进水PO 3- 4- P浓度和色度分别为0. 85 mg L和 7. 7 度的情况下 ,工况三的出水平均 ρ PO 3- 4- P 和 色度分别为0. 196 mg L和 2. 46 度 , 平均去除率为 图 4 不同工况出水浊度去除率的变化 图 5 不同工况出水 COD 去除率的变化 74. 9 和 66,工况四的出水平均 ρ PO 3- 4- P 浓度 和色度分别为0. 135 mg L和 1. 45 度 , 平均去除率为 84和 80. 7, 两种工况都表现出了良好的处理性 能,工况四的处理效果更稳定 , 其对PO 3- 4- P去除的 良好表现是在 HFO 的助凝作用下 , 絮凝沉淀产生的 结果 ,而由于二级出水的色度属于“真色” ,对其色度 具有良好去除效果的主要原因除了 HFO 较强的氧化 能力外 ,还在于氧化过程中产生的副产物的吸附作 用、 接触絮凝、 氧化分解以及难溶化合物的吸附共沉 等作用。综上所述, 工况四应用于再生水的生产对水 体中的PO 3- 4- P和真色度具有更加稳定和良好的处 理效果。 图 6 不同工况出水PO3 - 4 - P去除率的变化 3 结论 通过对高速过滤进水进行不同方式的预处理及 61 环 境 工 程 2009年 4 月第27 卷第2 期 图 7 不同工况出水色度去除率的变化 采用不同的滤料粒径和厚度处理再生水的试验分析 可以得出以下结论 1在起始滤速高达74 m h的情况下 ,采用合理的 滤料粒径和滤层厚度可以保证处理出水的水质稳定 达标 ,滤池单位面积周期产水量为50 m 3 m2 h 。 2对高速过滤进水进行微絮凝预处理后的出水 水质明显好于不加混凝剂直接过滤的出水水质,且由 于1 混凝剂的作用使出水PO3- 4-P和 COD 的去除率 有了大幅提高。 3助凝剂 HFO 具有良好的氧化助凝作用 ,使高 速过滤工艺对二级出水具有稳定的处理效率 ,出水浊 度、COD、PO 3- 4- P 和 色 度 的平 均 去 除 率分 别 为 92. 21、55. 58、84和 80. 7, 出 水 符 合 GB T18920-2002 所规定的城市杂用水水质要求。 4高速过滤作为传统的再生水处理工艺的改进 工艺, 其优点为在进水经过助凝剂 HFO 和微絮凝预 处理后, 处理效率稳定 , 周期产水量大, 出水水质良 好,且工艺操作简单易行 ,设备维修方便 ,投资少。 参考文献 [ 1] 李桂平, 栾兆坤. 微絮凝 -直接过滤工艺在城市污水深度处理 中的应用研究[ J] . 环境污染治理技术与设备, 2002,3 4 65 -68. 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[ 6] 王洪山. 水中有机物与水中浊度之相关性[ J] . 中国给水排水, 1991, 7 2 30 -32. 作者通信处 贾仁勇 200092 上海市杨浦区密云路 528 弄博士生 3楼 601 -4 室 电话 021 65985889 E -mail jiarenyong 126. com 2008- 04-08 收稿 上接第 14页 4 结论 实验结果表明, 将预荷电装置安装在电除尘器烟 道中, 能够有效提高粉尘的凝并效果, 其中小粒径粉 尘的粒子个数百分比可降低 25左右 ; 凝并电场的 最佳频率在 80Hz 左右 ; 交流电场的凝并效果优于直 流电场 ; 凝并电场的电场强度在 450 ～ 600 V cm 为 宜。将预荷电装置安装于电除尘烟道中 ,既可以省去 额外的安装空间 , 又可通过粉尘凝并提高粉尘粒径, 从而减少电除尘器级数, 有效地减少电除尘器的体 积,为解决电除尘器现存的“细微粉尘捕集效率低”和 “除尘器体积庞大”这两大难题提供了技术支持。 参考文献 [ 1] Mikael O Ohlstrom, Kari E J Lehtinen, Mikko Moisio , et al.Fine- particle emissions of energy production in Finland[ J] .Atmospheric Environment 2000, 34 3701-3711. [ 2] GB13223- 2003 火电厂大气污染排放标准[ S] . [ 3] KanazawaS,OhkuboT. Submicronparticleagglomeration andprecipitation by using a bipolar charging [ J] . Electrostatics, 1993,27 193- 209. [ 4] WatanabeT ,TochikuboF,KoizumiY. Submicronparticle agglomeration by an electrostatic agglomerator [ J] . Electrostatics, 1995, 43 367-383. 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