纖維球濾料罐去除廢水中污染物的研究

唐春敏

（中石生態環境科技有限公司，湖南 長沙 410000）

在傳統水處理工藝中，石英砂、無煙煤粒等均為常用濾料，其中石英砂應用最廣。石英砂過濾罐濾料的更換周期約為2年，但石英砂更換的作業難度高，時間周期長，且石英砂更換費用高。此外，石英砂的機械強度大，相對密度約2.65，且在酸性水環境中化學穩定性好，而在堿性水環境中，石英砂會溶出。無煙煤的化學穩定性較石英砂好，在酸性、中性及堿性環境中都不溶出，但無煙煤的機械強度不如石英砂。傳統的深層過濾使用的粒狀濾料，普遍存在的問題是比表面積小、孔隙率小，截污能力受到限制［1］。

以軟填料——纖維代替傳統的粒狀濾料是纖維濾料為核心的現代過濾技術的開始，可以壓縮的軟性濾料，其材料空隙率大，占濾料層的93%～95%。并且在使用過程中，由于水流經過濾層產生阻力，過濾引起濾料層壓縮，其空隙沿著水流的方向而逐漸變小，因而過濾效果好。纖維球的濾速達20～85 m／h，相對石英砂濾料等鋼性濾料而言，具有截留量大、濾速高、水頭損失小、工作周期長等優點。此外，纖維球濾料可以重復使用，只需要用氣或水反洗后，則可恢復大部分濾料性能，達到反復使用的目的。

而且纖維球濾料的吸水率很高，纖維的毛細孔較大，具有較高的比表面積，作為濾料可吸附大量懸浮物，因此可獲得較高的脫除率和容量負荷。此外，由于纖維球濾料在水流沖擊下幾乎不會發生纖維束的流失，因此，纖維濾池在反沖強度的控制上較粒狀濾料濾池要求低，可使濾料反沖洗更徹底。所以纖維過濾技術越來越被人們應用［2］。

本研究以改性軟性濾料為試驗對象，通過單一試驗探討不同濾料球徑、裝填密度以及填層高度對去除廢水中污染物的效果，并在單一試驗后進行多因素優化試驗，以期為廢水處理采用新型軟性濾料替代傳統濾料提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

從線上購買軟性濾料——纖維球，纖維球球徑分別為30、40、60 mm，將各種規格的纖維球濾料先用純凈水浸泡3 h，并對纖維球進行清洗，將表面的灰塵和雜質清洗干凈，再用超純水清洗2遍，晾置2 h后放置在約45℃烘箱中烘干。

制作纖維球濾罐，裝置如圖1所示，采用有機玻璃制作，裝置內徑400 mm，高1 500 mm。裝置頂端為進水管，中部為格柵壓板，下層為纖維球濾料，在濾料層布置氣水反沖洗管路，出水口設置在裝置底板，配套反沖洗的水泵和氣泵［3］。主要設備見表1。

表1 纖維球濾罐主要設備

圖1 纖維球濾罐試驗裝置整體示意圖

過濾：污水經進水泵輸送至罐體上部，污水經5 mm×5 mm的格柵壓盤后自上而下，經纖維球濾料，去除雜質和污染物。過濾后的水經出水口排出。

反洗：反洗為氣水反洗，自來水經反沖洗水泵輸送至過濾罐下端，氣泵將空氣輸送至反沖洗氣管，氣體的攪動能使纖維球表面不停摩擦并去除掉表面的污染物，整個反沖洗的設計過程如下：

反洗開始—反沖洗水沖洗90 s—反洗水+反洗氣，沖洗120 s—反沖洗水沖洗90 s—反洗水+反洗氣，沖洗120 s—反沖洗水沖洗90 s—反洗完成。

供試廢水為配置的擬生活污水，水質見表2。

表2 試驗進水水質 mg／L

1.2 分析測定方法

本試驗主要檢測指標和分析方法見表3。

表3 試驗指標和分析方法

2 試驗結果和討論

2.1 纖維球球徑對廢水處理效果的影響

選用相同重量的30、40、60 mm的軟性濾料纖維球，開展單一的過濾試驗。進水水質見表2，進水流速約為10 L／h，試驗時間為72 h，在室溫條件下，每天在上午10時、下午14時、下午18時取水，混合后測定，每組樣設置兩組平行樣，結果如圖2所示。

圖2 不同纖維球球徑對SS和COD去除的影響

從圖2可以看出，纖維球直徑越小，廢水處理的效果越好，當纖維球直徑為30 mm時，SS從150 mg／L降低至15.4 mg／L，COD從120 mg／L降低至85.5 mg／L，SS和COD的去除率分別為89.7%和28.5%，而當纖維球直徑為60 mm時，SS和COD的去除率只有67.4%和16.0%，其原因是，纖維球濾料直徑越小，生物膜的表面積就愈大，生物膜的量就越多，可為生物膜的好氧代謝提供足夠的氧，過濾效果就更佳［4］。但是，在實際應用中，直徑越小的纖維球比直徑較大的纖維球更易堵塞，應根據過濾罐的實際應用選擇合適大小的纖維球濾料。

2.2 裝填密度對廢水處理效果的影響

在室溫條件下，選擇相同直徑的纖維球，纖維球濾料的裝填密度分別為50、75、100 g／L，裝填高度保持一致，試驗時間為72 h，在室溫條件下，每天在上午10時、下午14時、下午18時取水，混合后測定，每組樣設置兩組平行樣，檢測結果見圖3。

圖3 不同纖維球裝填密度對SS和COD去除的影響

從圖3可以看出，當纖維球填充高度一致，而裝填密度從50 g／L增加至100 g／L時，SS和COD去除率均逐漸升高，當纖維球密度為100 g／L時，SS和COD去除率分別為76.8%和23.3%，顯著高于纖維球密度為50 g／L時的SS和COD的去除率。這表明纖維球密度越大，對廢水中污染物的去除效果越好。但是，在試驗過程中還發現，隨著裝填密度的增加，污水處理的效率越低，出水流速越慢，這可能是因為當裝填密度增加時，纖維球孔隙度越小，其過水速度降低［5］，因此在實際應用中，應根據項目的實際情況來選擇最佳的填料裝填密度。

2.3 填層高度對廢水處理效果的影響

根據試驗結果，選取最佳的裝填密度，裝填高度分別為800 mm、1 000 mm和1 200 mm，試驗時間為72 h，在室溫條件下，每天在上午10時、下午14時、下午18時取水，混合后測定，每組樣設置兩組平行樣，檢測結果如圖4所示。

圖4 不同纖維球裝填高度對SS和COD去除的影響

從圖4可以看出，不同濾層高度對SS和COD均有去除效果，但因為裝填密度是一致的，當填層高度越高時，其纖維球間的孔隙則越大，當填層高度為1 000 mm時，其對SS和COD的處理效果最佳，去除率分別為80.1%和27.5%。而通過觀察可知，濾料對SS的去除主要發生在從上往下的0～1 000 mm處，因此纖維球濾料對污染物去除效果的優劣與濾層高度密切相關［6］。

2.4 優化試驗

根據單因素試驗結果，設計正交試驗方案，正交設計方案見表4。

表4 正交試驗設計方案

試驗時間為72 h，在室溫條件下，每天在上午10時、下午14時、下午18時取水，混合后測定，每組樣設置兩組平行樣，得出纖維素濾料最佳使用條件，正交分析結果見表5。

表5 不同纖維球條件對廢水COD和SS去除效率與極差分析表

選取纖維球直徑30 mm和40 mm兩個水平；纖維球裝填密度75 g／L和100 g／L兩個水平；纖維球裝填高度選取800 mm和1 000 mm兩個水平進行正交優化試驗，采用SPSSAU軟件共生成4個優化試驗組合。從表5極差分析中可以看出，纖維球處理廢水的最佳水平為1，2，2，即當纖維球直徑為30 mm、裝填密度為100 g／L、裝填高度為1 000 mm時，為最優參數，系統出水的SS和COD去除率最大，分別為85.2%和27.6%。此外，從極差表的R值可以看出，A＞C＞B，即正交試驗中，對SS和COD去除影響大小依次為纖維球直徑、裝填高度和裝填密度。

3 小 結

1.纖維球濾料直徑越小，生物膜的表面積就愈大，過濾效果就更佳，但在實際應用中，直徑越小的纖維球，使用中的孔隙率較直徑大的纖維球更易堵塞；此外纖維球隨著裝填密度的增加污染物處理效果越好，但是處理效率降低，出水流速越慢，因此在實際應用中應選擇合適的裝填密度。

2.當纖維球直徑為30 mm、裝填密度為100 g／L、裝填高度為1 000 mm時，為最優參數，系統出水的SS和COD去除率最大，分別為85.2%和27.6%。

3.本試驗選用的纖維球為普通纖維球，在以后的應用中可根據廢水類型和處理要求，對纖維球進行改性［7］，以增強纖維球性能，提升纖維球濾料去除污染物的能力。