接續A2O的氣浮過濾污水深度處理工藝研究

楊 墨，田中凱，鄧 濤，杜 敬，劉 毛，王旭峰，車 暉

(1. 中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430010；2. 武漢市城市排水發展有限公司，武漢 430010；3. 武漢大學土木建筑工程學院，武漢 430072)

根據《水污染防治行動計劃》關于“強化城鎮生活污染治理。加快城鎮污水處理設施建設與改造。現有城鎮污水處理設施，要因地制宜進行改造，2020年底前達到相應排放標準或再生利用要求。敏感區域(重點湖泊、重點水庫、近岸海域匯水區域)城鎮污水處理設施應于2017年底前達到一級A排放標準。建成區水體水質達不到地表水Ⅳ類標準的城市，新建城鎮污水處理設施要執行一級A排放標準”的要求，我國城鎮污水處理廠升級改造工程迫在眉睫[1]。在此背景下，本文探究了混凝-溶氣氣浮-過濾工藝在城市生活污水深度處理方面的可行性，以武漢市某污水處理廠A2O工藝二沉池出水為原水，進行了混凝-溶氣氣浮-過濾深度處理工藝中試研究，并對分流比、加藥量及表面負荷三個重要影響因素進行了三因素三水平正交實驗，同時進行了9 d的連續流實驗，得到了具有重要參考價值的實驗結果，有助于混凝-溶氣氣浮-過濾工藝在污水深度處理方面的實際推廣應用。

1 混凝-溶氣氣浮-過濾工藝

氣浮工藝是利用微氣泡與目標去除物及其聚合體結合，形成夾氣絮體。夾氣絮體在浮力的作用下上浮到液相表面形成穩定的浮渣層，并最終伴隨浮渣層的去除從液相主體中分離[2]。與沉淀工藝相比，氣浮工藝尤其適用于低密度分散懸浮物，在同等水量下所需藥劑量較少[3]。自20世紀70年代以來，氣浮工藝已較成熟地應用于城市給水處理[4]、湖泊等高藻類水體處理[5]，同時在煉油、造紙、印染、電力、電鍍、化工、化纖、毛紡、皮革、電泳漆、食品、機械等行業廢水處理領域也有廣泛應用[6-8]，用于城市生活污水深度處理的研究并不多。

生活污水經過二級處理后, 水中多為粒徑小、密度低的雜質, 由它們與微氣泡形成的夾氣絮體密度小, 便于上浮, 適于

采用氣浮工藝進行處理[9]。本文研究的混凝-溶氣氣浮-過濾工藝流程如圖 1所示：大部分原水與混凝劑混合，進入絮凝池進行絮凝反應，小部分原水進入溶氣罐與空氣混合形成溶氣水，在氣浮池接觸區原水與溶氣水混合后進入分離區，附著污染物的微氣泡上浮形成浮渣層，凈化后的水由底部的集水系統收集后排出。取一部分氣浮凈化后的水，接入過濾設備過濾。

圖1 混凝-溶氣氣浮-過濾工藝流程圖Fig.1 The flow chart of coagulation-dissolved air flotation-filtration process

2 材料與方法

2.1 主要材料、試劑與儀器

原水：武漢市某污水處理廠A2O工藝二沉池出水，具體水質參數如表1所示。

絮凝劑：液態聚合硫酸鋁鐵(PAFS)，采用污水處理廠儲藥池內濃度為200 g/L原液配制。

表1 原水水質Tab.1 Raw water quality

主要檢測指標為濁度、COD及TP。其中COD測定采用HACH COD預制試劑(0.7～40 mg/L)，TP采用HACH TP預制試劑(0.06～3.5 mg/L)，濁度測定采用HACH DP2100便攜式濁度儀。

儀器：HACH DRB200消解儀，HACH DR2800便攜式分光光度計，HACH DP2100便攜式濁度儀。

2.2 中試模型及運行參數

混凝氣浮一體化中試裝置分為絮凝區、接觸區、分離區與集水區4部分，有效容積9.0 m3，設計處理能力18 m3/h，氣浮池水力停留時間15 min。溶氣罐壓力設定為0.25～0.35 MPa，罐內填充空心塑料球。部分氣浮池出水引入到一套小型過濾裝置進行砂濾處理，采用恒流量過濾方式，濾池設計濾速10 m/h，濾池反沖洗周期24 h，濾柱D×H=0.1 m×2.7 m，濾料采用石英砂，高1 000 mm。混凝-溶氣氣浮-過濾裝置如圖 2所示。

圖2 中試模型圖Fig.2 Pilot model diagram

2.3 實驗方案

2.3.1 正交實驗

氣浮工藝處理高藻、低溫低濁、有天然色度、腐殖質含量較高等水質，影響應用效果的因素包括原水條件、混凝條件、絮凝條件、表面負荷、分流比、氣浮池的形式和尺寸、脫氣系統、循環系統和排渣方式[10]。研究表明混凝預處理效果、微氣泡尺寸以及氣浮池水力特征對氣浮凈水效果有重要影響[11]，故在本次污水深度處理中試研究試驗中，主要研究加藥量、分流比、表面負荷3個重要因素對氣浮實驗效果的影響程度，各因素的水平見表 2，故按照三因素三水平正交實驗設計表共有9組實驗，具體分配結果見表4。

2.3.2 連續運行實驗

在正常工作條件下，調節影響因素的不同水平進行連續試驗，運行參數如表 3所示，每個工況連續運行24 h，取裝置連續運行2 h出水水樣(始)和連續運行24 h出水水樣(終)進行檢測。

表2 各因素的水平列表Tab.2 List of factors’ levels

表3 連續運行參數表Tab.3 List of continuous operation parameter

3 結果與討論

3.1 正交實驗結果

按照三因素三水平正交實驗設計表(L9)進行實驗，實驗結果見表 4。利用Excel軟件對表 4中數據進行處理，得到因素加藥量、分流比、表面負荷對濁度、COD及總磷的去除效果影響，如表5～表7所示。

表 4 三因素三水平正交實驗分配及結果Tab.4 Disposition and results of orthogonal experimental design L9 (33)

由表 5可知，對于氣浮池出水濁度來說，分流比因素的極差R為0.55，加藥量因素的極差R為4.39，表面負荷因素的極差R為1.25，各因素對濁度去除效果影響大小順序為加藥量>表面負荷>分流比。由表 6可知，對于氣浮池出水COD來說，

表5 濁度去除率 %

表6 COD去除率 %

表7 總磷去除率 %

分流比因素的極差R為3.37，加藥量因素的極差R為8.07，表面負荷因素的極差R為0.25，各因素對COD去除率影響大小順序為加藥量>分流比>表面負荷。由表 7可知，對于氣浮池出水TP來說，分流比因素的極差R為0.19，加藥量因素的極差R為2.04，表面負荷因素的極差R為0.51，各因素對TP去除效果影響大小順序為加藥量>表面負荷>分流比。綜上可知，加藥量對濁度、COD、總磷去除效果影響均最為顯著，在工藝應用中應重點考慮加藥量的取值。

從實驗結果來看，加藥量對出水濁度、COD和TP的去除效果影響最大，同時由表5～表7可知，加藥量越大，去除效果越好，但加藥量由5 m/L增加至10 mg/L時，COD指標去除率增幅達20%以上，其他指標略微增加，加藥量由10 m/L增加至15 mg/L時，各指標去除率都只增加2%～4%，從效果經濟兩方面衡量，最佳投藥量可取10 mg/L。同樣可以看到在不同分流比條件下，濁度和總磷去除率變化不大，而當分流比由8%增加至12%時，COD去除率增加了10%，由12%繼續增加至16%時，COD去除率又略微減小，可能是分流比太少時溶氣水流量太少，降低氣浮效果，而當分流比太大時，進入溶氣罐的原水量大，且未經混凝處理，也會導致去除率變小，所以最佳分流比建議取值12%。而對于表面負荷來說，其對各指標的去除效果比較穩定，而在實際工程中，表面負荷越大，占地越小，所以推薦表面負荷11.11 m3/(m2·h)。

3.2 連續運行實驗結果

連續運行實驗出水濁度、COD及TP分別如圖3～圖5所示。由圖 3可知，盡管原水濁度不斷波動，氣浮池出水濁度始終低于1 NTU，相同工況下連續運行24 h(圖中“終”)出水濁度略微大于連續運行2 h(圖中“始”)出水濁度，其原因是排渣周期過長，泥渣層過厚，一部分浮渣隨出水流出使得濁度增大。濾池出水小于0.5 NTU，且相對穩定，“始”與“終”差別不大，且不同工況之間差別也不大。原水濁度發生波動時，氣浮池與濾池出水濁度相對穩定，這一現象表明分流比和加藥量的小幅波動對本工藝出水濁度影響不大，本工藝具有一定的抗沖擊負荷能力且工藝參數具有一定的可調性。

由圖 4可知，本工藝對COD的去除效果好且運行穩定，連續運行條件下，氣浮池與濾池出水COD值在10 mg/L上下浮動，低于《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中Ⅱ類水體COD限值。氣浮工藝能去除大部分的COD而過濾對COD基本沒有去除效果，大部分“終”出水COD要略大于“始”出水COD，其原因同樣與泥渣排除不及時有關。

由圖 5可知，連續運行條件下，原水TP在0.2～0.4 mg/L之間波動，而本工藝氣浮池出水TP大部分低于0.1 mg/L，濾池出水低于0.05 mg/L，低于《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中Ⅲ類水體TP限值。“終”出水TP要略大于“始”出水TP，其原因與濁度情況類似，且出水TP濃度隨著加藥量增加而減少。

綜上可知，混凝-溶氣氣浮-過濾工藝在污水深度處理連續運行時，即使原水水質發生波動也具有非常好的穩定性，適合于工程應用推廣，但應注意氣浮池排渣周期不能太長，否則會導致氣浮池出水效果變差。

圖3 出水濁度圖Fig.3 Turbidity diagram of effluent

圖4 出水COD圖Fig.4 COD concentration diagram of effluent

圖5 出水TP圖Fig.5 TP concentration diagram of effluent

3.3 運行成本分析

以表面負荷11.11 m3/(m2·h)、加藥量10 mg/L、分流比12%的推薦最佳工況為條件來分析氣浮工藝運行費用。

在工程應用中，進水一般通過水位高程設計來實現，可不用單獨提升，因此本工藝主要運行設備有溶氣水泵和空氣壓縮機。溶氣水泵揚程按30 m計算，空氣壓縮機功率為3 kW，開啟時間按每小時6 min計算，則總電耗為每小時0.543 kWh，電費單價按武漢市工業類電價0.95 元/kWh計算，則每小時電費為0.516 元，單位水處理電耗為0.026 元/m3。混凝劑按污水處理廠購買價1 200 元/t計算，則單位水處理藥劑費為0.012 元/m3。故在只考慮電費和藥劑費的情況下，本工藝單位水處理成本為0.039 元/m3。

4 結 語

(1)對氣浮池而言，加藥量對氣浮池出水濁度的去除效果影響最大、分流比對濁度去除效果影響最小；加藥量對氣浮池出水COD的去除效果影響最大、表面負荷池對COD去除效果影響最小；加藥量對氣浮池出水TP的去除效果影響最大，分流比和表面負荷對TP去除效果均較小。

(2)綜合考慮處理效果和經濟兩方面的約束，確定在本實驗條件下，工藝最佳運行條件為表面負荷11.11 m3/(m2·h)、加藥量10 mg/L、分流比12%。同時在最佳運行條件下，只考慮電費和藥劑費的單位水處理成本為0.039 元/m3。

(3)在固定表面負荷10 m3/(m2·h)條件下進行連續運行實驗，改變加藥量與表面負荷的條件，工藝出水監測指標穩定。氣浮池出水濁度始終低于1 NTU，濾池出水濁度低于0.5 NTU；氣浮池與濾池出水COD濃度在10 mg/L上下小幅浮動，低于《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中Ⅱ類水體COD限值；出水TP大部分低于0.1 mg/L，濾池出水低于0.05 mg/L，低于《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中Ⅲ類水體TP限值。

(4)從正交試驗中可看出加藥量對工藝出水濁度、COD和TP的去除效果影響均最大，若在工程實際應用時，應對加藥量取值進行進一步的實驗優選。從連續運行實驗可以看出工藝在原水水質波動時濁度、COD、總磷指標都很

低，且各項出水指標都很穩定，說明本工藝有非常好的工程應用前景。

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