淺析城市污水廠尾水深度凈化技術(shù)研究進(jìn)展

徐明杰 劉 敏 王宇喆

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200335）

引言

城市污水廠主要負(fù)責(zé)城市生產(chǎn)生活污廢水的集中、凈化處理和排放，具有水量大、污染物成分負(fù)責(zé)、氮磷含量高、有機(jī)物含量低等特點(diǎn)，對(duì)尾水的深度處理不僅有利于減少對(duì)周邊水體的影響，還能夠提升尾水的再利用程度，有效緩解當(dāng)?shù)厮Y源緊張、短缺的現(xiàn)狀。深度處理后的尾水可用于城市綠化、道路清潔、公廁馬桶沖洗、消防等領(lǐng)域，提高水資源的利用率。

1 鐵碳微電解深度凈化技術(shù)

微電解工藝是一種工藝簡(jiǎn)單、處理效果好、成本低、適用范圍廣的處理工藝，能夠有效脫除污水廠尾水中的磷酸鹽，降低尾水中的含磷量。鐵碳微電解處理工藝中將鐵作為陽極，將活性炭、焦炭或石墨作為陰極，形成電解質(zhì)溶液環(huán)節(jié)，這相當(dāng)于在尾水中形成了無數(shù)個(gè)小原電池。

1.1 還原反應(yīng)

在酸性、中性環(huán)境下，鐵離子與氫離子反應(yīng)產(chǎn)生大量的二價(jià)鐵、還原性氫離子、自由電子，這些離子都有很強(qiáng)的還原性，能夠?qū)⑽廴境潭雀叩拇蠓肿佑袡C(jī)物還原成為污染程度更小的小分子有機(jī)物。

1.2 電泳富集

在微電解環(huán)境中，尾水會(huì)形成無數(shù)個(gè)小原電池，這使得電極之間會(huì)有無數(shù)電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，最終富集到電極附近。電子的轉(zhuǎn)移過程中帶動(dòng)原本穩(wěn)定的膠體、懸浮物向電極附近富集，這一過程就是電泳，電泳帶來尾水COD 值的進(jìn)一步下降。

1.3 混凝作用

微電解過程中陽極鐵產(chǎn)生的二價(jià)鐵是非常好的絮凝劑，在氧氣存在的情況下會(huì)二價(jià)鐵會(huì)轉(zhuǎn)化為氫氧化亞鐵、氫氧化鐵，或者形成二者的混合物，這些物質(zhì)都具有優(yōu)秀的絮凝能力，能夠?qū)⑽菜械碾y去除有機(jī)物、難溶物進(jìn)行凝聚，以物理的途徑來進(jìn)行污染物去除。

通過對(duì)比不曝氣、間歇曝氣、連續(xù)曝氣情況下鐵碳微電解對(duì)尾水中污染物的去除效果，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)尾水中磷的去除率效果最佳的是間歇曝氣，能夠?qū)樗辛缀繌?.57mg/L 降低至0.23mg/L，使尾水更加符合尾水排放或回用的需求。除了對(duì)磷含量的降低外，在應(yīng)用鐵碳微電解處理工藝時(shí)，尾水的COD 值、氮含量也有相應(yīng)的下降，平均去除率分別為55%和72%，深度處理后的出水水質(zhì)接近地表Ⅲ類水體的排放標(biāo)準(zhǔn)。在鐵碳微電解處理尾水后，技術(shù)人員需要考慮去除出水中的鐵，否則會(huì)導(dǎo)致出水的色度較高，對(duì)自然水體造成影響，常用的方式包括自然氧化法、接觸氧化法等氧化技術(shù)，配合過濾技術(shù)即可將氧化后的鐵沉淀物從出水中去除。

2 混凝沉淀深度凈化技術(shù)

混凝沉淀工藝是尾水深度處理中十分常見的一種處理工藝，能夠有效去除尾水中的膠體、懸浮物，包括無機(jī)物和有機(jī)物兩方面，對(duì)于降低尾水濁度、色度、有機(jī)物含量都有明顯效果。目前，國內(nèi)外水處理領(lǐng)域中所使用的混凝劑主要有無機(jī)和高分子有機(jī)兩種，比如聚合氯化鋁就是一種無機(jī)高分子混凝劑，主要通過氫氧根離子的架橋作用、陰離子的聚合作用、電中和作用等作用來進(jìn)行膠體、懸浮物的凈化；又比如聚丙烯酰胺是一種有機(jī)高分子聚合物，不溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑，具有優(yōu)秀的絮凝作用，能夠有效去除城市污水廠尾水中的膠體、懸浮物等污染物，提高尾水水質(zhì)。聚丙烯酰胺可以根據(jù)離子特性劃分為陰離子、陽離子、非離子、兩性離子四種，根據(jù)不同的深度處理對(duì)象進(jìn)行絮凝劑的使用。混凝劑通常不能進(jìn)行單獨(dú)使用，因?yàn)檫@種處理方式的藥劑成本非常高，而且存在著混凝沉淀后沉淀物的后續(xù)處理問題。

3 活性炭吸附深度凈化技術(shù)

活性炭吸附技術(shù)是一種公認(rèn)的成熟水處理技術(shù)，借助活性炭本身的多孔特性和巨大的比表面積，能夠形成非常有效的吸附效果，對(duì)城市污水廠尾水中的污染物都有一定的吸附和去除效果。但對(duì)于水處理領(lǐng)域而言，活性炭本身存在使用壽命短、再生能力差等問題，需要對(duì)活性炭進(jìn)行相應(yīng)的改性處理。粉狀活性炭能夠有效降低尾水色度、臭味，具有促使混凝劑發(fā)揮作用、促進(jìn)絡(luò)合物生成的效果，但這種狀態(tài)的活性炭不易回收，基本屬于一次性消耗品。煤質(zhì)順粒炭相較于粉狀活性炭可以重復(fù)使用，不容易流失，通過脫附處理能夠繼續(xù)再次投入使用，更適合用于尾水深度處理領(lǐng)域[1]。

4 膜生物反應(yīng)器深度處理組合工藝

膜生物反應(yīng)器是一種常見的組合工藝反應(yīng)器，其中主要應(yīng)用膜分離技術(shù)和生物處理技術(shù)，反應(yīng)器也劃分為生物處理單元和膜分離單元兩部分，協(xié)同作用完成對(duì)尾水的深度處理。膜生物反應(yīng)器已經(jīng)基本在中水回用領(lǐng)域中得到的應(yīng)用和推廣，這種設(shè)備在日本、英國等多個(gè)國家得到的應(yīng)用，我國部分城市也正在推廣這種深度凈化技術(shù)，用于住宅區(qū)、醫(yī)院等區(qū)域的污水處理。在2000 年的天津大學(xué)膜生物反應(yīng)器示范工程中，這個(gè)建成的膜生物反應(yīng)器深度凈化技術(shù)每天可處理污水25t，達(dá)到中水回用處理標(biāo)準(zhǔn)，能耗為每噸0.7kw·h。膜生物反應(yīng)器對(duì)城市污水廠尾水中的應(yīng)用，基本可以達(dá)到COD 去除率94%，對(duì)氮、磷、有機(jī)物的去除效率也完全能夠達(dá)到中水回用的標(biāo)準(zhǔn)。

5 生物濾池深度凈化技術(shù)

生物濾池是一種由碎石填料、塑料填料等物質(zhì)組成，其上附著生物膜的生物處理構(gòu)筑物，這種生物處理構(gòu)筑物為污水廠尾水和生物膜上的微生物提供接觸空間，利用生物膜上的微生物對(duì)尾水進(jìn)行處理。生物濾池為了保證微生物生長(zhǎng)過程中對(duì)氧氣的需求，通常會(huì)進(jìn)行曝氣設(shè)計(jì)，形成曝氣生物濾池，簡(jiǎn)寫為BAF。

5.1 布水與曝氣

生物濾池對(duì)尾水的深度處理效果與其曝氣、布水等方面操作方式有著緊密的聯(lián)系，科學(xué)的曝氣和布水能夠保證生物濾池的正常運(yùn)行，能夠保證生物膜上微生物與尾水中的污染物進(jìn)行有效接觸，保證對(duì)尾水的深度處理。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究可知，向下傾斜45°的曝氣管能夠有效降低曝氣管堵塞的可能性，保證生物濾池的正常運(yùn)行；由上至下、5:1 氣水比的間歇布水能夠有效提高尾水與微生物的接觸效果，保證生物濾池對(duì)尾水的處理效果。

5.2 濾料處理和保護(hù)

濾料是生物濾池中比較重要的環(huán)節(jié)，為生物膜提供了重要的支撐作用，保證生物膜能夠連續(xù)工作，保證生物濾池對(duì)尾水的處理效果。濾料在生物濾池運(yùn)行過程中經(jīng)常面臨堵塞和反沖洗，每次反沖洗都會(huì)帶走一部分濾料，因此，生物濾池應(yīng)用過程中需要根據(jù)需求不時(shí)添加濾料，保證濾料的正常使用。在我國境內(nèi)，BAF 的常見濾料為陶粒，這種濾料廉價(jià)、易得、性能優(yōu)秀，根據(jù)粒徑可以可知?jiǎng)澐譃榱?0～25mm 的內(nèi)置式陶粒和粒徑在10～15mm 的普通陶粒。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究可知，尾水中的有機(jī)物想要進(jìn)一步被微生物利用，需要處于生物膜內(nèi)或生物膜表面，在氣水比5:1、水力停留8h 的情況下，內(nèi)置式陶粒的去除效果＞普通陶粒作為濾料時(shí)的COD、氨氮去除效果。這是因?yàn)閮?nèi)置式陶粒濾料的質(zhì)量更輕，在曝氣生物濾池中始終處于半懸浮狀態(tài)，這些陶粒之間相互發(fā)生碰撞，能夠有效阻止生物膜上出現(xiàn)堵塞，加速生物膜的更新。

5.3 濾速控制

濾速指的是水體在生物濾池中的停留時(shí)間，也就是水力停留時(shí)間。如果濾速過快，水力停留時(shí)間不足會(huì)導(dǎo)致尾水中的污染物沒有得到有效去除就隨著出水排出濾池；如果濾速過低，水力停留時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致尾水長(zhǎng)時(shí)間停留在生物濾池中，雖然污染物能夠得到有效去除，但會(huì)導(dǎo)致濾池中生物膜的更新速度不足，增加堵塞的可能性，影響生物濾池的后續(xù)正常運(yùn)行。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的不同濾速下相同進(jìn)水COD 濃度的去除效率，實(shí)驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)在濾速為0.6m/h 情況下，出水COD 的去除率最高，相鄰的0.4m/h 和0.8m/h 的去除率都不如0.6m/h 理想。究其原因，0.4m/h時(shí)，尾水在生物濾池中的運(yùn)動(dòng)速度較低，導(dǎo)致生物膜上的微生物存在供氧不足的問題，影響了微生物對(duì)尾水的處理；而濾速為0.8m/h 時(shí)，尾水在生物濾池中的運(yùn)動(dòng)速度較高，導(dǎo)致生物膜在水運(yùn)動(dòng)下形成過快的剝落，導(dǎo)致生物膜厚度過薄，其上的微生物難以對(duì)尾水中的污染物進(jìn)行更有效的處理，導(dǎo)致出水質(zhì)量得不到保障。

6 人工濕地深度凈化技術(shù)

相較于生物濾池，人工濕地是一種更復(fù)雜的模擬生態(tài)系統(tǒng)，其復(fù)雜程度、綜合程度可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。人工濕地包括潛流式、垂直式等不同類型，不同的填料基質(zhì)、種植植物都會(huì)對(duì)人工濕地造成不同的影響，需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行建設(shè)。其中潛流式人工濕地主要通過填料、植物根系、根系和填料上的生物膜來去除尾水中的污染物，處理能力優(yōu)秀，受溫度、季節(jié)的影響小，但使用、控制成本較高；垂直式人工濕地主要通過尾水從表面到底部的滲流來完成水處理，其中濾料、植物根系起到攔截作用，填料和根系上的生物膜在厭氧環(huán)境下進(jìn)行硝化反應(yīng)，因此對(duì)含氨氮量較高的尾水有更好的處理效果，但同樣存在成本較高的問題。

7 尾水深度凈化技術(shù)在環(huán)保中的意義

城市污水廠主要負(fù)責(zé)城市生產(chǎn)生活污廢水的集中、凈化處理和排放，具有水量大、污染物成分負(fù)責(zé)、氮磷含量高、有機(jī)物含量低等特點(diǎn)，對(duì)尾水的深度處理不僅有利于減少對(duì)周邊水體的影響，還能夠提升尾水的再利用程度，有效緩解當(dāng)?shù)厮Y源緊張、短缺的現(xiàn)狀。深度處理后的尾水可用于城市綠化、道路清潔、公廁馬桶沖洗、消防等領(lǐng)域，提高水資源的利用率。城市污水廠尾水深度凈化技術(shù)成為水處理領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)，具有重大環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益[2]。

結(jié)語

城市污水廠尾水具有排放體量大、有機(jī)物成分復(fù)雜、氮含量高、磷含量高等特點(diǎn)，直接排放入地表、地下水體容易引起水質(zhì)惡化，尾水深度處理技術(shù)一方面可以減輕對(duì)自然水體的污染影響，另一方面可以回用于生產(chǎn)生活領(lǐng)域中，緩解水資源短缺的問題。總而言之，高效率的污水處理對(duì)降低水污染、保護(hù)水資源環(huán)境有重大意義，最大限度的減少水資源浪費(fèi)及污染可以促進(jìn)資源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。