流砂過濾器應(yīng)用于污水深度處理的研究

吳 曉 吳 霞 李中元

(1.江西科學(xué)院能源研究所，江西 南昌 330029；2.新余鋼鐵集團第一動力分廠，江西 新余 338001；3.萍鄉(xiāng)市同方環(huán)保工程有限公司，江西 萍鄉(xiāng) 337000)

一、背景

污水深度處理是指廢水經(jīng)一級、二級處理后，為了使廢水作為水資源回用于生產(chǎn)或生活；或達(dá)到更高一級的排放標(biāo)準(zhǔn)而采取的水處理措施，也稱三級處理。三級處理的目的主要是去除水中磷、氮和難以生物降解的有機物、礦物質(zhì)和病原體等。目前運用較多的方法有混凝沉淀法、過濾法、膜分離法和氧化還原法。三級處理方法費用較大，管理較為復(fù)雜，每噸水處理的費用相比一級處理費用要高4～5倍以上。

混凝沉淀法是利用投加混凝劑對污水進行深度處理的一種常用方法之一?；炷齽┩ǔＳ袩o機高分子絮凝劑、有機高分子絮凝劑和生物高分子絮凝劑。在廢水的混凝沉淀處理過程中，影響混凝效果的因素較多，如水中雜質(zhì)的成分和濃度、水溫、pH值，以及混凝劑的性質(zhì)和混凝條件等。然而，混凝劑的投入本身也可能對水體造成污染，而且混凝處理設(shè)施占地面積較大，污泥量多，污泥還需濃縮脫水。膜分離技術(shù)應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域在近年來已有不少的文獻(xiàn)報道，應(yīng)屬于污水深度處理的新技術(shù)。分離膜主要分微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜，具體要根據(jù)水質(zhì)而確定。膜可以在分子范圍內(nèi)進行分離，屬于物理過程，不需發(fā)生相的變化和添加其他助劑。然而，作為三級處理，膜分離投資規(guī)模較大，運行成本較高，而且對廢水的預(yù)處理要求較高，只有經(jīng)過預(yù)處理后，并合理選擇膜及膜分離工藝，才能有較理想的膜通量和截留率，進而才可提高廢水的去除率。氧化還原法是通過化學(xué)反應(yīng)把廢水中污染物氧化或還原成無害物質(zhì)，或者轉(zhuǎn)化成容易與水分離的物質(zhì)形態(tài)，從而實現(xiàn)水中污染物的去除和污水的無害化處理。該方法主要包括臭氧氧化、光化學(xué)催化氧化、電化學(xué)氧化等。氧化還原法的廢水處理效果要受多種因素的制約，如氧化、還原試劑的選擇、廢水的濃度、溫度和pH值等。

過濾法是使廢水在層流條件下，利用慣性作用、沉淀作用和擴散作用截留水中的懸浮雜質(zhì)，使水質(zhì)得到凈化。過濾法對懸浮物、濁度、CODcr、BOD5、磷、重金屬、細(xì)菌和病毒均有去除作用，常用的過濾法有顆粒濾料深床過濾、纖維濾料過濾和濾布過濾等方式。在過濾法中，近年來又相繼有關(guān)于連續(xù)砂濾的研究報道，而且在實際應(yīng)用中得到快速發(fā)展。流砂過濾又稱連續(xù)砂濾、活性砂過濾和流態(tài)砂過濾等，最初由瑞典諾迪克公司(Nordic Water)發(fā)明，該技術(shù)自1980年問世以來，很快獲得用戶的認(rèn)可，目前已在世界各地均有運行。目前，連續(xù)砂濾是一種新興的污水深度處理方法，它集混凝、沉淀和過濾于一體，連續(xù)過濾運行，不需反沖洗，系統(tǒng)運行及維護費用低，在污水深度處理工藝中越來越受到重視。

二、流砂過濾研究現(xiàn)狀

流砂過濾按功能大致可分為三類：普通連續(xù)流砂過濾，主要用于去除 SS、TP；生物流砂過濾，專為去除污水中的COD、BOD、NH3-N 而設(shè)計，同時也能去除污水中的懸浮物固體(SS)，它集成了過濾和生化功能；反硝化流砂過濾，專門用于反硝化處理、強化氮的去除，它集成了過濾和反硝化功能。

DynaSand系列流砂過濾器是瑞典Nordic Water公司的主導(dǎo)產(chǎn)品，也是目前主流的流砂過濾器形式，其核心部件主要有中心提砂管、洗砂器、底部錐斗、導(dǎo)砂斗、布水器和氣動控制柜。其石英砂粒徑1.0～1.6mm，單臺過濾面積5m2，濾床高度1～2m，水力負(fù)荷5～10m3/(m2·h)，反洗水/進水 3～5%。另外，荷蘭Paques公司的ASTRASAND系列過濾器是一種改良的活性砂砂濾器，它在濾床中增加了曝氣系統(tǒng)，具備曝氣生物濾池的處理功能。

在我國除了少數(shù)國外產(chǎn)品，大多數(shù)還是在此基礎(chǔ)上不斷更新和改造，相關(guān)研究已有不少。王東，馬景輝等人，采用DynaSand活性砂過濾器裝置，并借助聚合氯化鐵和聚合氯化鋁對城市污水處理廠二沉池出水深度處理進行了研究。結(jié)果表明該裝置用于市政中水回用是可行的，廢水的CODCr、SS、氨氮、濁度的平均去除率分別為35.36%、75.15%、9.43%、82.55%，總磷去除率范圍為14.29%～65.44%[1]。陳志平，曹陽等人也探討了用活性砂過濾技術(shù)對城市生活污水進行深度處理，實驗采用 A2/O工藝處理的出水，實驗結(jié)果顯示：CODcr為40mg/L、SS為18.3mg/L、NH3-N為1mg/L、TN為13mg/L的二沉池出水通過活性砂過濾器過后，CODcr、SS分別穩(wěn)定在50mg/L和10mg/L以下，平均去除率分別達(dá)到了44%和51.6%，能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)[2]。張志揚，魏錚等人，采用以高密度沉淀池和活性砂濾池為主體工藝處理鋼鐵生產(chǎn)循環(huán)冷卻水排放的廢水。高密度沉淀池結(jié)合石灰軟化的處理原理，去除廢水中的暫時硬度及SS?；钚陨盀V池進一步去除SS及其它污染物質(zhì)。該廢水主要污染物為：總硬度830-700mg/L、濁度NTU29.37-16.38mg/L、CODCr101-52mg/L，經(jīng)處理后的水質(zhì)為：總硬度390-323mg/L、濁度NTU4.00-2.85mg/L、CODCr37-23?？傆捕取岫?、COD的去除率分別達(dá)到60%、85%、62%以上，出水水質(zhì)各項指標(biāo)均達(dá)到《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T19923-2006)[3]。董倩倩，劉振法等人，采用復(fù)合絮凝劑與活性砂濾池協(xié)同深度處理印染廢水，將絮凝劑聚合氯化鋁(PAC)、氯化鐵(FeCl3)與陰離子型高分子絮凝劑聚丙烯酰胺(APAM)復(fù)配，然后將復(fù)合絮凝劑和活性砂濾池相結(jié)合，對經(jīng)二級生化處理的印染廢水進行聯(lián)合處理。當(dāng)復(fù)合絮凝劑投加量為ρ(PAC)：50mg/L、ρ(FeCl3)：10.0mg/L、ρ(APAM)：1.0mg/L時，二級生化處理的印染廢水水質(zhì)為CODcr：65-90mg/L、BOD5：2～3mg/L、NH3-N：2～4mg/L、TP：0.7～0.9mg/L、濁度：4～6NTU、pH值：7.5～8.0時，聯(lián)合處理結(jié)果顯示：經(jīng)處理水質(zhì)的濁度、COD和TP平均去除率分別達(dá)到56.6%、45.3%，59.4%，出水水質(zhì)各項指標(biāo)均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級 A標(biāo)準(zhǔn)[4]。洪常春、陳福霞等人，采用流砂過濾技術(shù)對難降解的腈綸污水進行深度，運行結(jié)果顯示：將CODcr為310mg/L、SS為58 mg/L、BOD5為28.2mg/L腈綸廢水經(jīng)過流砂過濾器后，出水水質(zhì)CODcr達(dá)243mg/L、SS達(dá)為12mg/L、BOD5達(dá)18.9mg/L，CODcr、SS、BOD5的去除率平均分別達(dá)到21%、78%、32.7%。流砂過濾器在去除懸浮物的同時，污水中的有機物都得到一定程度的去除，終水CODcr平均達(dá)到243ml/L，達(dá)到國家要求的含氰污水二級綜合排放標(biāo)準(zhǔn)[5]?；糍韽?，李智慧等人，應(yīng)用高效流砂過濾器配套渦凹?xì)飧〖夹g(shù)，實現(xiàn)了油田產(chǎn)出污水的就地處理和回注，渦凹?xì)飧卧饕善貧獬睾蜌飧〕貎刹糠謽?gòu)成。在曝氣池向來水投加混凝劑，懸浮顆粒形成絮狀物的油上浮，形成的泥渣由刮泥裝置排除，處理后的廢水由另一端進入流砂過濾器過濾。污水處理后的水質(zhì)含油≤8mg/L，懸浮物含量≤5mg/L，能夠滿足油田地層回注水質(zhì)指標(biāo)的要求[6]。陳曉安，嚴(yán)福平等人，采用瑞典NORDIC公司的連續(xù)流砂過濾器對城市二級出水進行了中試研究。連續(xù)流砂過濾器該單套最大設(shè)計流量為1044m3/d、過濾面積5m2、最大過濾速度8.7m/h、砂床高度2000mm，空氣提升泵最大供氣量140L/min。采用連續(xù)流砂反硝化過濾系統(tǒng)進行深度處理，在系統(tǒng)中投加聚合氯化鋁，以及反硝化所需的醋酸鈉作為碳源。二沉池出水水質(zhì)CODCr、NH3-N、TN、TP、SS分別為：16.3～36.1、0.15～0.67、7.8～19.04、0.2～0.43、5～15mg/L。研究表明：處理后的水質(zhì)NH3-N、TN、TP、SS、CODCr指標(biāo)均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級A的排放標(biāo)準(zhǔn)，對TP、TN、SS的去除效果顯著，平均去除率分別達(dá)到70.8%、65.8%和83.9%[7]。

三、ZH高效流態(tài)砂過濾器在工程中的運用

萍鄉(xiāng)市同方環(huán)保工程有限公司一直從事水處理工程及其設(shè)備的開發(fā)、生產(chǎn)和銷售工作，針對廢水深處理的現(xiàn)狀及市場需求，該公司與中環(huán)保水務(wù)投資有限公司、江蘇恒昌環(huán)水設(shè)備有限公司合作，研制出ZH高效流態(tài)砂過濾器，產(chǎn)品還通過江西省科技廳組織的重點新產(chǎn)品鑒定[贛科新鑒字(2013)76]，該流態(tài)砂過濾器在空氣動力室、導(dǎo)砂斗、圍堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電氣控制等方面進行優(yōu)化，并在實際工程中運用中取得較為理想的效果。

流態(tài)砂過濾器工作原理：

絮凝劑隨著原水一起通過輸水管(8)進入過濾器內(nèi)部，經(jīng)底部布水器(4)均勻分配后向上通過石英砂濾床(5)，原水中的懸浮物在絮凝劑的作用下團聚，并附著在石英濾料的表面。原水在上升的過程中，團聚的雜質(zhì)被不斷截留和吸附，最終過濾處理后的水從過濾器頂部出水口(13)排出。

石英砂借助重力作用，在砂濾床中向下移動，濾床底部的石英砂層中截留的絮狀雜質(zhì)逐漸增多，壓縮空氣通過空氣動力室(1)，將夾帶絮狀雜質(zhì)的石英砂通過提砂管(9)不斷提升至流砂過濾器頂部，石英砂在洗砂器(10)中自由下落，并在反沖水的紊流作用下，將石英砂表面的絮狀雜質(zhì)洗脫，洗砂所產(chǎn)生的反沖污水從過濾器排污口(7)排出，而洗干凈的石英砂經(jīng)過導(dǎo)砂斗(3)及其底角(2)重新散落分布到整個濾床截面，實現(xiàn)了石英砂濾料的清洗和循環(huán)流動的過程。

圖 流態(tài)砂過濾器結(jié)構(gòu)示意圖

含油污量大的污水進入流態(tài)砂過濾器，經(jīng)過絮凝、沉淀、過濾后，只能去除大部分油，出水的含油量指標(biāo)仍無法滿足出水要求。為了克服處理含油量大的廢水難以達(dá)到出水要求時，該流態(tài)砂過濾器在出水口(13)前設(shè)置圍堰(12)，包含第一擋水板(15)、第二擋水板(14)和排油口(17)，水從第一擋板上面流過，由于油比水輕而漂浮于水上面，而兩層擋板之間的水從第二擋水板(14)底部排出，漂浮于上面的油則通過出水口(13)安裝的電磁閥，定時開啟，從排油口(17)排出，實現(xiàn)過濾后出水的油水分離。

流態(tài)砂過濾器在工程中的運用：

某污水處理廠的污水處理采用A2O二級生物處理工藝+消毒處理工藝，工程處理能力為5萬噸/日，出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)。為了使出水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，對原污水處理工程進行改造，深度處理工段采用了萍鄉(xiāng)市同方環(huán)保工程有限公司開發(fā)的四臺ZH高效流態(tài)砂過濾器。該污水處理廠二沉池出水CODcr為42～60mg/L，SS為12～20mg/L，NH3-N為4.5～7mg/L，TP為0.5～0.8mg/L。經(jīng)活性砂過濾器過濾后，出水水質(zhì)經(jīng)環(huán)保監(jiān)測中心監(jiān)測顯示：出水CODcr達(dá)到35～48mg/L，SS為5～8mg/L，NH3-N為2.5～3.5mg/L，TP為0.3～0.5mg/L，CODcr、SS、NH3-N、TP的去除率分別達(dá)到41%、75%、64%、62%，二沉池出水深處里達(dá)到了預(yù)期目的。

某鋼鐵廠也將ZH高效流態(tài)砂過濾器應(yīng)用于廢水回用處理工程中，采用了混凝+流態(tài)砂過濾工藝處理煉鐵、煉鋼等系統(tǒng)排放的生產(chǎn)廢水，處理能力為200t/h，處理后的中水回用于爐渣冷卻系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)廢水的再利用?；炷齽槲叫蛷?fù)合聚氯化鋁鐵，利用吸附型復(fù)合聚氯化鋁鐵去除廢水的色度、濁度和懸浮物，再經(jīng)流態(tài)砂過濾器進一步去除廢水的懸浮物和其他物質(zhì)，運行結(jié)果達(dá)到了企業(yè)回用水質(zhì)要求。該煉鐵、煉鋼系統(tǒng)排放廢水pH為7-8，懸浮物100mg/L，總硬度為350mg/L，氯離子為50mg/L，全鐵為0.9mg/L，石油類10mg/L，濁度78NTU，總?cè)芄?60mg/L，經(jīng)混凝和活性砂過濾器過濾后，出水水質(zhì)pH為7-8，懸浮物17.43mg/L，總硬度為169.35mg/L，氯離子為34.63mg/L，全鐵為0.16mg/L，石油類2.87mg/L，濁度7.91NTU，總?cè)芄?62.3mg/L，懸浮物、總硬度、氯離子、全鐵、石油類、濁度、總?cè)芄痰娜コ蕿?3%、52%、31%、82%、71%、90%、75%。

結(jié)論

連續(xù)砂濾是一種有效的污水深度處理方法，設(shè)備占地面積小，處理效率高，集混凝、沉淀、過濾工序融一體，廢水處理成本低，能持續(xù)運行，在污水處理中不斷受到重視。萍鄉(xiāng)市同方環(huán)保工程有限公司對現(xiàn)行的連續(xù)砂濾器進行了改進，通過空氣動力室、導(dǎo)砂斗、圍堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電氣控制等方面的優(yōu)化，開發(fā)出ZH高效流態(tài)砂過濾器，并在實際工程中運用中取得較為理想的效果。

[1]王東，馬景輝，張紅麗，叢林.DynaSand活性砂過濾器在市政中水回用中的應(yīng)用[J].工業(yè)水處理，2006，(9)：59-61.

[2]陳志平，曹陽，楊浩文，羅永恒，吳艷娣.活性砂過濾技術(shù)中試啟動研究[J].中國給水排水，2013，(1)：76-78.

[3]張志揚，魏錚，田澤祥，龐維亮，季民.高密度沉淀-活性砂過濾工藝在鋼鐵工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用[J].城市環(huán)境與城市生態(tài)，2012，(3)：40-42.

[4]董倩倩，劉振法，王紀(jì)代，何乾妹.復(fù)合絮凝劑與活性砂濾池協(xié)同深度處理印染廢水研究及應(yīng)用[J].河北工業(yè)科技，2014，(2)：129-132.

[5]洪常春，陳福霞，郭志紅.流砂過濾技術(shù)在腈綸污水處理中的應(yīng)用[J].油氣田環(huán)境保護，2011，(4)：39-41.

[6]霍夙彥，李智慧，趙昕鉻，陳忻，翟明軒.高效流態(tài)砂過濾器[J].油氣田地面工程，2010，(7)：105.

[7]陳曉安，嚴(yán)福平，李旭，桂麗娟.連續(xù)流砂過濾器處理城市二級出水中試研究[J].工業(yè)用水與廢水，2011，42(1)，66-70.