化学生物联合絮凝的污水强化一级处理工艺

化学-生物联合絮凝的污水强化一级处理工艺郑兴灿，张悦，陈立　（中国市政工程华北设计研究院，天津300074）摘要：在化学絮凝沉淀处理技术和生物絮凝吸附处理技术集成研究的基础上，提出了化学-生物联合絮凝沉淀法污水强化一级处理工艺，并详细介绍了该处理工艺的构成、原理和特性。现场试验的结果表明了这一工艺在节省药剂、减少污泥产量、提高处理系统的可靠性与运行灵活性等方面具有一定的优势。　关键词：城市污水；化学絮凝；生物絮凝；空气搅拌；污泥回流近年来，城市污水强化一级处理技术的研究和应用在我国引起排水同行的关注。不少排水工作者提出在近期内先建一级半处理厂，经过化学强化一级处理(投加化学药剂)或生物絮凝吸附强化一级处理，以较少的投资削减较大的污染负荷，取得较好的投资环境效益，待有条件时再建成完整的二级处理工艺。这种分阶段建设方案对我国确实具有现实意义。　对于强化一级处理，采用空气混合絮凝反应和污泥回流，利用外加的化学絮凝沉淀剂和污水中的天然生物絮凝剂，可达到经济有效地高程度去除磷酸盐与SS、中等程度地去除COD、BOD5的目的。因此，可以把这种以化学絮凝沉淀作用为主、生物絮凝起重要辅助作用的工艺称为化学-生物联合絮凝沉淀强化一级处理工艺。　1工艺的构成该工艺由絮凝反应池、沉淀池、污泥回流和空气混合系统构成(见图1)。污水经过机械处理及提升后进入絮凝反应池，通过投加化学药剂与空气混合实现化学-生物联合絮凝，形成沉降性能良好的污泥絮体和磷酸盐化学沉淀物，然后在沉淀池完成固液分离。快速混合时间为1min左右(采用机械或空气混合)，絮凝反应池的停留时间按生物絮凝反应控制(30min左右)，沉淀池的停留时间为15h左右，污泥回流比根据实际需要在一定范围内调节。化学药剂投加量主要根据进水磷浓度和除磷要求确定，PAM投加量为0.1～0.5mg/L。　2原理与特性21　污水中污染物的粒径分布及去除方法城市污水中有机污染物的粒径一般在001～100μm范围内，初沉出水的污染物粒径＜50μm。在城市污水研究中，污水中的有机污染物被依次用沉淀、离心和过滤划分为4种不同粒径的部分，即可沉组分(＞100μm)、超胶体组分(1～100μm)、胶体组分(0.1～1.0μm)和溶解组分(＜01μm)，其中可沉部分约占25%，超胶体组分约占20%，胶体组分约占15%，溶解组分约占40%。各种污水处理单元技术的有效性受到污染物粒径的影响，不同的单元技术有不同的适用粒径范围，沉淀适用于10μm以上的粒径，化学混凝适用于0.1～1.0μm的粒径，活性污泥的适用粒径范围最广，从10-5～10μm以上。污水中粒径＜0.1μm的有机物实际上都是溶解性的，虽然非溶解组分(＞0.1μm)在活性污泥法中也能被去除，但主要是被生物絮体捕获，然后被微生物转化或分解。22　工艺的特点技术分析和试验研究结果表明，将化学絮凝强化处理与生物絮凝强化处理相结合，以化学强化絮凝沉淀作用为主，生物絮凝沉淀作用为辅，可以取长补短，达到处理效果稳定可靠、明显降低药剂消耗量、减小污泥产生量、降低处理成本的目的。通过化学絮凝沉淀作用、生物絮凝与不完全氧化作用，可以提高和保证SS、COD、BOD、TP的去除效果，去除率一般为COD：60%～80%、BOD5：60%～80%、SS：80%～90%、TP：75%～90%、TN：25%左右。　以空气混合絮凝反应和污泥回流为特征的化学-生物联合絮凝沉淀工艺具有下列特点：　①试验研究结果表明，与单纯的化学絮凝沉淀处理相比，可以节省药剂20%以上。由于药中国城镇水网剂消耗量减小和空气混合絮凝反应过程的生物氧化作用使污泥量有较明显的降低，从而使污泥固体总量减少20%以上。　②根据某城市现场试验结果，按照设计进水水质在满足处理出水水质要求的情况下，单纯化学絮凝沉淀处理的药剂投加量为Al∶P(摩尔比)＝(3～4)∶1(考虑进水浓度的波动，实际投加量要高于此值)；聚铝与PAM复配化学絮凝沉淀的Al∶P摩尔比为26∶1；化学-生物联合絮凝沉淀处理的Al∶P摩尔比为(15～2)∶1，复配PAM有助于进一步降低药剂投加量和降低污泥含水率。　③在采用空气混合絮凝反应的情况下，处理系统可按3种方式运行：化学絮凝沉淀强化一级处理、化学-生物联合絮凝沉淀强化一级处理、生物絮凝沉淀强化一级处理，以适用不同时期水质水量的变化，运行灵活性明显提高。　④试验测试表明，在单纯化学絮凝沉淀处理中，化学除磷所需的药剂投加量为：Al3+(或Fe3+)∶P摩尔比为3∶1以上，一般情况下约为4∶1。必须过量投加的主要原因有两个方面，其一是原污水中的其他组分与药剂发生非除磷的竞争性化学絮凝沉淀反应；其二是Al3+与Fe3+的磷酸盐沉淀物一般颗粒小、分散程度较高，并且通常与污水中难以沉淀的悬浮颗粒结合在一起(这一点与污水三级处理和一般的水处理不同)，如果没有絮凝作用的话很难沉淀下来，因此必须投加明显过量的药剂，生成大量具有很强絮凝吸附作用的氢氧化铝(或氢氧化铁)，使悬浮物和分散的金属磷酸盐沉淀物能够得到有效的絮凝沉淀去除。而在化学-生物联合絮凝沉淀工艺中，化学絮凝、生物絮凝与不完全氧化作用实现了悬浮固体颗粒与金属磷酸盐沉淀物的凝聚及污水中溶解性组分的转化(去除)，减小了非除磷的竞争性化学絮凝沉淀反应，且不再需要投加明显过量的药剂来生成大量的氢氧化铝(或氢氧化铁)以保证絮凝作用，从而使药剂消耗量明显减少(Al3+或Fe3+∶P摩尔比＝15～20)，并提高了除磷效果(如果生物处理程度提高，药剂投加量可以进一步减少，在常规活性污泥系统中Al3+或Fe3+∶P摩尔比可以降低到10～15)。　⑤化学-生物联合絮凝沉淀处理系统通过污泥回流和保持较高的反应池污泥浓度，一方面提高了化学药剂的有效利用率，生成的氢氧化铝或氢氧化铁回流到反应池后可以继续与磷酸盐反应生成沉淀物，降低药剂消耗量；另一方面，污泥回流可以加快絮状物的形成，加上污泥浓度的提高，在沉淀池中迅速形成污泥层，增强网捕过滤作用，可明显改善分散性悬浮物和金属磷酸盐细微沉淀物的固液分离和沉淀去除效果，加快絮凝沉淀物在沉淀池中的沉淀。除此之外，污泥回流还可以提高污泥的密度。　⑥在空气混合絮凝反应情况下，增加污泥回流和生物絮凝作用可以明显改善絮凝反应条件，这是因为混合絮凝反应的效果取决于G·C·t　值(G：速度梯度，C：反应池悬浮颗粒〈污泥〉浓度，t：絮凝反应时间)。在化学-生物联合絮凝沉淀运行方式中，反应池污泥浓度为1000～4000mg/L，是无回流化学絮凝沉淀的5～20倍，混合和絮凝反应得到了有效保证。　⑦在单纯的化学絮凝沉淀处理中，投药量与进水浓度变化的协调和同步控制非常困难。比如说，最佳投药量(Al3+或Fe3+∶P摩尔比)为35时，如果投药量低于此值，则不能达到预期的处理效果；如果超出此值，则药剂明显浪费。污水处理厂的进水磷浓度往往是高度不稳定和波动的(如2～6mg/L)，而这种波动值又是难以连续预测的，在实际运行中只能设定一个投加值，而这个设定的投加值一般情况下只能依据最高平均值(如5mg/L)或最高值确定(如6mg/L)，以保证所有情况下都能满足处理出水水质要求，这就必然导致药剂的浪费。而化学-生物联合絮凝沉淀处理系统的反应池中污泥浓度较高，对进水水量和水质浓度的变化具有明显的缓冲作用，处理系统内的实际金属离子(Al3+或Fe3+)∶P摩尔比可以得到较有效和稳定的控制，明显缓解了药剂投加量与水质浓度变化不协调和难以控制的问题，连续投药的投药量可以根据进水磷浓度平均值(如4mg/L)和最佳摩尔比确定，从而减小药剂的浪费。3化学絮凝药剂的选择，磷酸铝沉淀物最低溶解度的pH值为65，污水pH值一般在65～75。在污水三级处理中，采用铁盐的絮体较密实，含水率低于铝盐所产生的污泥，但在一级强化处理中，差别不大。铁盐的弱点主要表现为腐蚀性强、处理出水的色度较高，聚铁对悬浮物的去除效果较差。硫酸亚铁(或酸洗废液)需要氧化预处理(加氯)转化成高铁，才能发挥絮凝沉淀作用。　在一级化学强化处理中，影响污泥含水率的主要因素是药剂投加量。在污泥总量中，金属氢氧化物所占比例越大，含水率可能越高；投加摩尔比越大，则金属氢氧化物所占比例越大。因此药剂消耗量的降低不仅节省药剂费，而且减少污泥生成量，并提高污泥的含固率。　根据多种类型药剂的实际污水比较试验结果，三氯化铁、硫酸铝、聚铁也有较好的去除效果，但采用聚铝的效果最好。聚铝与PAM复配时，药剂消耗量有较明显的降低，如采用化学-生物联合絮凝沉淀处理可以进一步降低药剂投加量。复配PAM有助于污泥浓缩性能的改善和药剂消耗量的进一步降低。　4混合与絮凝反应实施方式的选择混合与絮凝方式包括水力混合絮凝反应、机械混合絮凝反应和空气混合絮凝反应。　空气混合絮凝反应的优点是控制简易、运行维护工作量较小、处理效果好、可节省药剂。根据水处理方面的文献报道，空气絮凝优于机械絮凝，主要体现在：水中空气泡进行特殊的机械搅拌，在气泡表面形成固相水解产物的微晶体，多余二氧化碳从水中分离出去，空气中的氧对有机物进行生物氧化，絮凝条件得到改善。目前国外大部分化学除磷污水处理厂的药剂投加点均设在曝气池，通过空气混合与絮凝反应，取得理想的除磷效果。　与机械絮凝相比，空气絮凝的另一重要特性是可以按多种方式运行，根据进水水质、水量和季节的变化进行灵活切换，在满足处理要求的情况下降低运行费用，优化运行。　41　按化学絮凝处理方式运行按化学絮凝处理方式运行时，仅提供适当强度的混合作用，在快速混合池投加药剂，在絮凝(慢速)混合池复配投加PAM以改善絮凝效果，降低药剂投加量，其能耗与机械混合相近。一般而言，在高强度空气混合区(快速混合，G＝200～300N·s/m2，停留时间为0.5～1.0min)投加药剂，在絮凝反应区(慢速混合，G＝70～40N·s/m2，停留时间20～25min)完成磷酸盐化学沉淀反应与絮凝反应。42　按化学-生物絮凝处理方式运行空气混合可以强化进水悬浮固体的活化、生物絮凝作用，反应池污泥浓度越高，供气越充足，效果越好。根据实际需要，回流比可以在10%～50%的范围内调节，使絮凝反应池的悬浮固体浓度在10～4g/m3范围调整，其供气能耗高于机械混合和单纯空气混合化学絮凝。通常在反应池前端反应区(回流污泥所含药剂与磷的沉淀反应，生物活化和氧化反应)的停留时间为10～15min；在高强度空气混合(快速混合)区投加药剂(聚铝)，快速混合所需的速度梯度为300m/(s·m)，停留时间为0.5min；在絮凝反应(慢速混合)区，絮凝混合所需的速度梯度为70～40m/(s·m)，停留时间为10～15min；PAM的投加点在絮凝反应(慢速混合)区出口端与沉淀池之间，利用跌水混合，投加PAM0.1～0.3mg/L(在生物絮凝发挥作用的工况下，PAM投加量有所降低)，进一步改善分散性絮体的固液分离效果，降低污泥含水率，提高排放污泥的浓度。43　按空气生物絮凝方式运行在进水有机物浓度和磷浓度较低的情况下，可以按此方式运行。通过增加污泥回流比，强化生物絮凝和生物氧化作用，不投加化学药剂(聚铝)就可满足处理要求，必要时可投加少量PAM以改善生物絮体的固液分离性能。　5结语　中国城镇水网我国的城市污水中碳/氮比普遍偏低，国家《污水综合排放标准》具有除磷要求高、氨氮和总氮去除要求不太高的特点。因此，对于中高浓度污水(BOD5在200mg/L左右及以上)，采用生物除磷及脱氮工艺是比较合适的选择，但对于低浓度(BOD为120mg/L左右)和超低浓度(BOD5为60mg/L左右)污水，生物除磷处理往往难以满足处理要求，需要增加化学除磷处理。另一方面，随着污染物总量控制观念和污水处理目标分阶段实施观念的产生和逐步得到接受，以化学絮凝沉淀法和生物絮凝吸附法为主导的污水强化一级处理技术