混凝沉淀法應用于高濃度鐵離子廢水的探索

天津市靜海縣天宇科技園污水處理廠處理規模15 000m3/d，采用奧貝爾氧化溝處理工藝，處理后污水要求達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B標準。其進水中總鐵濃度高達70mg/L以上，有機物濃度較低，在運行中發現生物池內污泥濃度無增長，微生物生長代謝緩慢，微生物數量少且多為肉足蟲和纖毛蟲，鐘蟲數量少，累枝無法形成，活性污泥結構松散，污泥容積指數偏低，上清液中細小顆粒多，懸浮物經常性超標。

要改善活性污泥沉降性能可以通過投加碳源實現，但成本較高。本文通過試驗探索混凝沉淀法改善活性污泥沉降性能的可行性和經濟性。

1 混凝沉淀小試

1.1 藥劑選定

由于廠內原設計有化學除磷，因此優先考慮原設計藥劑固體聚合氯化鋁（PAC，純度30%）；原污水已經含有大量鐵離子，因此不能考慮再投加鐵鹽；如聚合氯化鋁效果不佳，可考慮使用高分子絮凝劑聚丙烯酰胺（PAM，純度90%，系廠內脫水機所用藥劑）。

1.2 小試目的

通過試驗手段得出何種藥劑、以何種投加量能夠改善本廠生物池活性污泥沉降性能、最終使得出水穩定達標的結論。

1.3 小試過程

由于條件所限，試驗只能用大燒杯模擬生物池，采用手動攪拌方式。

1.3.1 單獨使用PAC小試

1）試驗過程設計

本廠原化學除磷工藝設計投加PAC溶液濃度為5%，試驗原計劃同樣采用該濃度配制PAC溶液，但在試驗中發現微量滴入PAC溶液則出現礬花，則將試驗溶液濃度調整為2%。

（1）確定形成礬花所用PAC的最小量。慢速攪拌燒杯中1 000mL生物池混合液，每次增加0.5mLPAC投加量，直至出現礬花為止。這時的PAC量作為形成礬花的最小投加量[1]。

（2）取1 000mL燒杯6個，分別加入1 000mL生物池混合液。

（3）確定試驗時的投加量。根據步驟1得出的形成礬花最小PAC投加量，取其1/4作為1號燒杯的PAC投加量，取其2倍作為6號燒杯的PAC投加量，用依次增加PAC投加量相等的方法求出2～5號燒杯PAC投加量，PAC分別加入1～6號燒杯中[2]。

（4）勻速攪拌10min，靜止30min，觀察沉降比，取上清液檢測SS。

（5）取原混合液同樣體積，攪拌同樣時間，靜止30 min，做對比試驗。

2）試驗結果

（1）形成礬花的最小混凝劑投加量為1mL，因此6個燒杯的混凝劑投加量分別為 0.25、0.6、0.95、1.3、1.65、2mL。

（2）原生物池混合液沉降比極低，但沉淀后上清液渾濁，部分細小顆粒污泥不能沉淀。

（3）1～6號燒杯加入不同劑量PAC溶液后，1號和2號燒杯混合液沒有明顯變化，3～6號燒杯混合液出現不同程度礬花，但礬花均呈現懸浮狀態，不能沉淀，無法取到上清液，因此并未做化驗檢測。

（4）由此判斷單一投加PAC溶液不能改善本廠生物池活性污泥的沉降性能。

（5）從視覺觀察PAC溶液投加量達到1.3mL時，出現礬花較大，上清液出現薄層清液，但不能達到正常運行水平。

1.3.2 PAC和PA M配合使用小試

單獨使用PAC不能達到提高活性污泥沉降性能的作用，因此考慮添加PAM作為助凝劑，試驗其是否能夠達到理想效果。

1）試驗過程設計

本廠污泥脫水工藝所用絮凝劑為PAM，其配藥濃度為4‰，用于生物池混凝沉淀，考慮到對投藥泵的保護和遠程輸送的問題，溶液濃度不易過高，因此配制溶液濃度定為1‰。試驗通過向已加入一定量的PAC溶液（1 000mL混合液中加入1.3mLPAC溶液）的生物池混合液中加入不同量的PAM溶液，測試活性污泥沉降性能和上清液SS，確定最佳PAM投加量。

2）試驗結果

（1）礬花下沉的最小PAM投加量為1mL，因此6個燒杯的 PAM投加量分別為 0.25、0.6、0.95、1.3、1.65、2 mL。

（2）試驗數據見表1。

表1 投加PAC的同時加入不同量PAM的試驗數據

（3）由此判斷PAC和PAM配合使用能夠改善本廠生物池活性污泥的沉降性能且1 000mL的生物池混合液內加入1.3mLPAC和1.3mLPAM時效果最好，沉降比為33%，SS去除率達到68%。此時PAC和PAM的質量比為 20∶1，PAC投藥濃度為 26mg/L（純藥濃度），PAM投藥濃度為1.3mg/L（純藥濃度）。

1.3.3 單獨使用PA M小試

根據部分研究成果，PAM單獨使用投藥濃度為2 mg/L，PAC和PAM配合使用，質量比30∶1，PAM投藥濃度僅為0.1mg/L[3～5]。本次小試數據遠遠高于上述研究，因此對單獨使用PAM作為混凝劑的情況進行試驗。

1）試驗過程設計

PAM溶液濃度仍采用1‰。

2）試驗結果

（1）形成礬花的最小PAM投加量為1.5mL，因此6個燒杯的混凝劑投加量分別為 0.4、0.9、1.4、1.9、2.4、3mL。

（2）試驗數據記錄見表2。

表2 單獨使用PAM小試數據

（3）由此判斷單一投加PAM溶液能夠改善本廠生物池活性污泥的沉降性能且1 000mL生物池混合液中加入PAM2.4mL以上時效果較為明顯，沉降比在30%左右，SS去除率能達到50%以上。此時PAM的投藥濃度為2.4mg/L，與已有研究成果[3～5]基本相符。

1.4 小試結果

1）單獨加入PAC不能達到理想的沉降效果。

2）PAC和PAM配合使用，能夠有效的改善生物池活性污泥沉降性能。經小試，結果發現1 000mL混合液內投加2%的PAC溶液1.3mL和1‰的PAM溶液1.3mL沉降效果較理想。即PAC和PAM質量比為20∶1，1 t水投加PAC和PAM混合溶液為1.3 L，換算成藥劑量約為88.11 g，其中 PAC（30%）86.67 g，PAM（90%）1.44 g。

3）單獨使用PAM同樣能夠有效改善生物池活性污泥沉降性能。經小試，結果發現1 000mL混合液內投加1‰的PAM溶液2.4mL沉降效果較理想。即1 t水投加PAM溶液 2.4mL，換算成 PAM（90%）約為 2.67 g。

4）以市場價優等固體 PAC（30%）2 400元 /t，固體PAM（90%）30 000元/t計算，PAC和PAM配合使用每噸水混凝工藝藥劑成本為0.25元，單獨使用PAM每噸水混凝工藝藥劑成本為0.08元。因此，雖大量使用PAM對設備有一定的損害，但僅從藥劑成本角度考慮的話，單獨使用PAM較為經濟。

2 生產性試驗

小試結果顯示單獨使用PAM作為混凝劑使用較為經濟實用，但這一結論與目前已有的研究成果并不一致，因此在生產性試驗階段，仍考慮對PAC和PAM配合使用以及PAM單獨使用的運行效果進行比較，進一步考察哪種運行方式更為科學、更為經濟有效。此外，小試結論得出的混凝工藝藥劑噸水成本最低為0.08元，成本較高。在生產性試驗中，由于混凝時間和攪拌強度都高于小試，因此考慮酌情減少投藥量，以測試更為經濟的最佳藥劑投加量。

2.1 試驗過程

2.1.1 PAC和PA M配合使用試驗

1）PAC和PAM固定比例（質量比20∶1），不斷減少混合藥劑投加量進行階段性試驗，投加濃度(以純PAM計)分別取 1.3、1.1、0.9、0.7、0.5、0.3、0.1mg/L，每種混合藥劑投加量測試3 d，取SS平均去除率和SVI平均數作為數據參考，進行比較，考察哪種投藥濃度更為經濟實用。試驗數據見表3。

表3 PAC和PAM固定比例試驗數據

圖1和圖2分別反映了PAC和PAM固定比例投加時，隨著投加藥劑量的變化出水水質和污泥沉降性能的變化情況。

圖1 在PAC和PAM固定比例條件下SS去除率隨投藥濃度變化曲線

圖2 在PAC和PAM固定比例條件下SVI隨投藥濃度變化曲線

由圖1和圖2可以看到，當投加濃度 (以純PAM計)降到0.9mg/L后，雖然SS平均去除率仍能夠達到50%以上，但SVI明顯升高，觀察生物池活性污泥明顯可以觀察到污泥沉降性能變差，因此在保持PAC和PAM固定比例（質量比20∶1）的條件下，投加濃度(以純PAM計)1.1 mg/L為最佳投加濃度。

2）PAC投加量（采用上一步試驗得出的最佳投加量1.1mg/L）保持不變，不斷減少PAM投加濃度，分別取1.1、0.9、0.7、0.5mg/L，即改變 PAC和 PAM的投加比例，每種比例測試3 d，取SS平均去除率和SVI平均數作為數據參考，進行比較，考察能否通過改變投加比例進一步降低成本。試驗數據見表4。圖3和圖4分別反映了PAC投加量不變時，隨著PAM投加量的變化出水水質和污泥沉降性能的變化情況。

表4 PAC投加量保持不變試驗數據

圖3 在PAC投加量保持不變條件下SS去除率隨PAM投藥濃度變化曲線

圖4 在PAC投加量保持不變條件下SVI隨PAM投藥濃度變化曲線

由圖3和圖4可以看到，當PAC投加量（1.1 mg/L）保持不變時，隨著PAM投加量的減少，SS平均去除率呈下降趨勢，SVI呈上升趨勢，由于考慮出水超標排放問題，因此試驗沒有進行到設計的PAM投加濃度到0.1mg/L。當PAM投加濃度降到0.9mg/L后，雖然SS平均去除率仍能夠達到50%以上，但SVI明顯升高，觀察生物池活性污泥明顯可以觀察到污泥沉降性能變差，因此最佳投加濃度仍為 (以純PAM計)1.1mg/L，PAC和PAM質量比20∶1。

2.1.2 PA M單獨使用試驗

以小試中PAM最佳投加濃度作為起始點，不斷降低投藥濃度進行試驗，分別取 2.4、2.2、2、1.8、1.6、1.4、1.2mg/L，每種加藥濃度測試3 d，取SS平均去除率和SVI平均數作為數據參考，進行比較，考察哪種投藥濃度更為經濟實用。試驗數據見表5。圖5和圖6分別反映了PAM單獨使用時，隨著投加量的變化出水水質和污泥沉降性能的變化情況。

表5 PAM單獨使用試驗數據

圖5 PAM單獨使用時SS去除率隨投藥濃度變化曲線

圖6 PAM單獨使用時SVI隨投藥濃度變化曲線

由圖5和圖6可以看到，當PAM投加濃度降到1.8 mg/L后，雖然SS平均去除率仍能夠達到50%以上，但出水SS明顯升高，SVI明顯減低，觀察生物池活性污泥雖然沉降速度很快，但上清液開始渾濁，漂浮細小顆粒物增多。因此在單獨使用PAM條件下，2mg/L為PAM最佳投加濃度。

2.2 試驗結果分析

由于生產性試驗無法達到試驗室試驗的精確度，主要體現在進水水量和進水水質的不可控性。水質和水量無法達到恒定，因此只能通過多次試驗觀察趨勢，而由于調試時間有限，每種濃度的試驗只能進行3 d，其中存在個例現象，不能完全代表運行趨勢，這是本次生產性試驗的缺陷。雖然受條件所限，不能達到理想的試驗精度，但本次試驗仍得到了一定的試驗成果，給今后的運行摸索提供了依據。

本次生產性試驗得出結論：PAC和PAM配合使用時，PAC和PAM質量比應為20∶1，最佳投加濃度 (以純PAM計)為1.1mg/L；單獨使用PAM時，PAM最佳投加濃度為2mg/L。核算混凝工藝的藥劑成本，PAC和PAM配合噸水藥劑成本為0.21元，單獨使用PAM時噸水藥劑成本為0.07元。從藥劑成本較低考慮，單獨使用PAM最為經濟有效。

3 結論

1）單獨使用PAC加入生物池混合液能夠出現礬花，但礬花呈懸浮狀態，不沉淀，不能改善活性污泥沉降性能。

2）PAC和PAM配合使用能夠有效改善活性污泥沉降性能，小試確定PAC和PAM質量比為20∶1，最佳投加濃度(以純PAM計)為1.3mg/L；生產性試驗確定PAC和PAM質量比為20∶1，最佳投加濃度(以純PAM計)為1.1mg/L。

3）PAM單獨使用也能夠有效改善活性污泥沉降性能，小試確定PAM最佳投加濃度為2.4mg/L；生產性試驗確定PAM最佳投加濃度為2mg/L。

4）從藥劑成本角度考慮，單獨使用PAM最為經濟有效。

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