復(fù)合濾層深床濾池用于污水深度處理

楊瑾濤

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

健康的城市水環(huán)境是現(xiàn)代化城市的一個(gè)基本標(biāo)志，現(xiàn)階段城鎮(zhèn)污水廠尾水已成為影響水環(huán)境質(zhì)量的重要因素[1]，而全面提升城鎮(zhèn)污水廠出水水質(zhì)是改善城市水環(huán)境質(zhì)量的重要舉措。2017年，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》對(duì)水環(huán)境質(zhì)量和城鎮(zhèn)污水廠升級(jí)改造都提出了明確的要求[2]，全面改善水質(zhì)，提高水環(huán)境質(zhì)量至關(guān)重要。

為了進(jìn)一步去除城市污水中氮、磷、懸浮物等污染物，污水廠在二級(jí)處理工藝后增設(shè)深度處理工藝，使其出水達(dá)到更高的排放標(biāo)準(zhǔn)[3-4]?，F(xiàn)有的深度處理工藝在一定程度上能夠提高污水廠出水水質(zhì)，但在實(shí)際運(yùn)行中仍存在一些問(wèn)題[5-6]。如混凝沉淀過(guò)濾組合工藝只能去除少量有機(jī)氮，對(duì)無(wú)機(jī)氮幾乎無(wú)去除效果，很難降低總氮含量；膜過(guò)濾工藝可以有效去除水中的污染物，但處理成本較高，對(duì)水資源的損耗率較大[7]；胡香等[8]的研究表明，在投加適量碳源的條件下，反硝化濾池對(duì)總氮的平均去除率為61.7%，對(duì)硝酸鹽氮的平均去除率為63.3%。呂瑞濱等[9]分析深床濾池工藝在污水處理廠應(yīng)用效果，關(guān)鍵因素之一就是碳源投加。深床濾池工藝的脫氮效能與微生物可降解的碳源量成正比，而污水廠二級(jí)出水中碳源含量較低，且主要以難降解有機(jī)物為主。因此，單純采用深床濾池工藝很難實(shí)現(xiàn)良好的處理效能，需通過(guò)外加碳源來(lái)保證脫氮效能，但增加處理成本[10-11]，同時(shí)，碳源投加量還隨著環(huán)境溫度、水中溶解氧含量等因素不斷調(diào)整，增加水廠運(yùn)營(yíng)管理難度。針對(duì)現(xiàn)有深度處理工藝中存在的不足，以污水廠二級(jí)出水的水質(zhì)特征為基礎(chǔ)，構(gòu)建復(fù)合濾層深床濾池，在不外加碳源的基礎(chǔ)上，通過(guò)鐵碳內(nèi)電解工藝、生物工藝和過(guò)濾工藝有效結(jié)合，改善有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)，有效利用污水中殘留的有機(jī)物進(jìn)行生物降解作用，旨在全面提升二級(jí)出水水質(zhì)，改善水環(huán)境質(zhì)量。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

復(fù)合濾層深床濾池工藝是由深床濾池工藝延伸出來(lái)的新型污水深度處理工藝，復(fù)合濾層深床濾池由3部分組成：鐵碳材料層、生物活性炭層、石英砂濾層。鐵碳材料層通過(guò)內(nèi)電解工藝改善污水中有機(jī)物結(jié)構(gòu)，提高污水可生化性，強(qiáng)化后續(xù)生物工藝的處理效能，還能夠破壞水中的顯色基團(tuán)，降低色度。生物活性炭層通過(guò)生物降解作用對(duì)總氮、總磷、有機(jī)物等污染物進(jìn)行去除。石英砂濾層有效去除水中的懸浮物，進(jìn)一步保證出水水質(zhì)。各個(gè)單元互相配合，進(jìn)而達(dá)到全面改善水質(zhì)的目的。

如圖1所示，生產(chǎn)性試驗(yàn)裝置采用復(fù)合濾層深床過(guò)濾器，過(guò)濾器主要材質(zhì)為金屬質(zhì)(內(nèi)涂防腐材料)，其截面為圓形，直徑為2 m。進(jìn)水為南京J污水處理廠二沉池出水，通過(guò)潛污泵將其提升至復(fù)合濾層深床濾池過(guò)濾器，采用頂部進(jìn)水，底部出水的運(yùn)行方式，運(yùn)行濾速為2 m/h[12]。裝置采用氣洗—水洗方式進(jìn)行反沖洗，氣洗強(qiáng)度為10 L/(m2·s)，沖洗時(shí)間為3 min，水洗強(qiáng)度為8 L/(m2·s)，沖洗時(shí)間為5 min。鐵碳材料為圓柱狀，直徑為2～4 mm，長(zhǎng)度為6～10 mm。其中：鐵碳質(zhì)量比為2∶1，抗壓強(qiáng)度≥1 100 kg/cm3，堆密度在1.0～1.2 g/cm3；活性炭濾料是椰殼顆粒碳，碘值在500～600 mg/g，粒徑為3～8目；石英砂粒徑為0.5～1 mm，孔隙率為45%，比重為2.66 g/cm3；填料層的高度分別為0.8、1.5、0.6 m。

圖1 裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Device

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

本研究選擇南京J污水處理廠作為試驗(yàn)基地，該水廠處理規(guī)模為67萬(wàn)t/d。水廠采用的工藝流程如圖2所示。

圖2 南京J污水處理廠工藝流程圖Fig.2 Technological Process of Nanjing J WWTP

檢測(cè)南京J污水處理廠二級(jí)出水的總氮、硝酸鹽氮、氨氮、總磷、CODCr等污染物指標(biāo)的濃度，結(jié)合水廠化驗(yàn)室提供的檢測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)近1年水廠二級(jí)出水中各項(xiàng)污染物濃度，結(jié)果如表1所示。

表1 南京J污水處理廠二級(jí)出水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Secondary Effluent Quality Index of Nanjing J WWTP

由表1可知，經(jīng)過(guò)二級(jí)生物工藝處理后，南京J污水處理廠出水水質(zhì)較好，大部分污染物指標(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(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)，但是總氮、總磷仍存在超標(biāo)的情況；同時(shí)，還檢測(cè)二級(jí)出水渾濁度、色度、BOD5/CODCr的年平均值分別為6 NTU、13、0.092。

1.3 分析項(xiàng)目、方法及試劑

各指標(biāo)分析方法均參考國(guó)家環(huán)?？偩帧端蛷U水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)?？偟捎眠^(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法；硝酸鹽氮采用紫外分光光度法；氨氮采用納氏試劑光度法；亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；CODCr采用重鉻酸鹽法；BOD5采用稀釋接種法；總磷采用過(guò)硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法；渾濁度采用便攜式濁度計(jì)法；色度采用便攜式色度儀法。

主要試驗(yàn)試劑：氫氧化鈉、硝酸鉀、鹽酸、過(guò)硫酸鉀、氯化銨、納氏試劑、磷酸二氫鉀、鉬酸銨、酒石酸銻鉀、濃硫酸、磷酸、重鉻酸鉀、硫酸銀、硫酸汞、鄰菲羅啉等；試驗(yàn)中所用水為超純水(由Mill-Q純水凈化系統(tǒng)制備)。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合濾層深床濾池工藝對(duì)二級(jí)出水中污染物的去除效能

通過(guò)對(duì)南京J污水處理廠二級(jí)出水中各項(xiàng)污染物指標(biāo)進(jìn)行為期1年的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該水廠處理效能較好，二級(jí)出水水質(zhì)基本滿足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，但是在運(yùn)行過(guò)程中仍存在部分指標(biāo)不達(dá)標(biāo)的情況，特別是在冬季，處理效能不能得到保證。因此，以該水廠作為試驗(yàn)基地來(lái)探究復(fù)合濾層深床濾池工藝對(duì)二級(jí)出水水質(zhì)改善效果有重要意義。在試驗(yàn)過(guò)程中，同時(shí)檢測(cè)復(fù)合濾層深床濾池裝置進(jìn)水和出水中總氮、硝酸鹽氮、氨氮、CODCr、總磷、渾濁度、色度等污染物指標(biāo)的濃度，明確對(duì)各項(xiàng)污染物的去除效果，為復(fù)合濾層深床濾池用于污水深度處理提供理論依據(jù)。

2.1.1 氮類(lèi)污染物的去除效能

連續(xù)運(yùn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)裝置，掛膜成熟后檢測(cè)進(jìn)出水中總氮、硝酸鹽氮、氨氮濃度，結(jié)果如圖3所示。

圖3 對(duì)氮類(lèi)污染物的去除效能 (a) 總氮；(b) 硝酸鹽氮；(c) 氨氮Fig.3 Removal Efficiency of Nitrogen Pollutants (a) Total Nitrogen; (b) Nitrate Nitrogen;(c) Ammonia Nitrogen

由圖3可知，復(fù)合濾層深床濾池裝置對(duì)總氮、硝酸鹽氮、氨氮的平均去除量分別為2.91、2.57、0.28 mg/L。對(duì)硝酸鹽氮的去除量占據(jù)總氮去除量的88.3%，這也進(jìn)一步表明城鎮(zhèn)污水處理廠二級(jí)出水中硝酸鹽氮為總氮的主要成分，降低總氮的濃度，主要是去除硝酸鹽氮的含量。鐵碳材料層出水中氮類(lèi)污染物的濃度并沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化，表明鐵碳材料層對(duì)氮類(lèi)污染物去除效果較小。沿著水流方向，0～50、50～100、100～150 cm的生物濾層對(duì)總氮去除所貢獻(xiàn)的比重分別為60.45%、23.28%、11.20%。對(duì)總氮的去除效能沿程降低，對(duì)氨氮的去除效能也出現(xiàn)類(lèi)似的規(guī)律，分析認(rèn)為0～50 cm的生物濾層最先與二級(jí)出水接觸，水中的有機(jī)物、氮類(lèi)污染物的濃度較高，有利于反硝化微生物的生長(zhǎng)繁殖。同時(shí)，由于鐵碳濾料層的存在，在鐵碳材料內(nèi)部發(fā)生的原電池反應(yīng)消耗了水中的溶解氧[13]，為反硝化微生物的生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的缺氧環(huán)境，有利于反硝化過(guò)程的進(jìn)行。鐵碳內(nèi)電解反應(yīng)產(chǎn)生的亞鐵離子和還原態(tài)氫可以作為自養(yǎng)反硝化微生物還原硝酸鹽氮的電子供體，能夠有效促進(jìn)后續(xù)生物反硝化過(guò)程的進(jìn)行，加強(qiáng)生物反硝化的脫氮效能[14]。

2.1.2 有機(jī)物的去除效能

為了明確復(fù)合濾層深床濾池工藝對(duì)二級(jí)出水中有機(jī)物的去除效能以及對(duì)其可生化性的改善程度，在生物活性炭濾層掛膜成熟后，分析裝置進(jìn)出水中有機(jī)物濃度的變化以及鐵碳材料層進(jìn)出水可生化性的變化，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 對(duì)有機(jī)物的去除效能Fig.4 Removal Efficiency of Organic Compounds

圖5 二級(jí)出水可生化性的變化Fig.5 Change of Biodegradability in Secondary Effluent

由圖4可知：進(jìn)水CODCr的平均濃度為34.19 mg/L，復(fù)合濾層深床濾池裝置對(duì)CODCr的平均去除量為18.95 mg/L；0～50、50～100、100～150 cm生物濾層對(duì)CODCr去除量占總?cè)コ康谋戎胤謩e為64.76%、27.48%、7.73%，這與對(duì)總氮的去除規(guī)律相似。由圖5可知，二級(jí)出水經(jīng)過(guò)鐵碳材料層處理后，可生化性得到有效改善，水中BOD5的平均濃度由3.05 mg/L增至9.33 mg/L，B/C由0.094增至0.288。表明水溶液中易被微生物利用的有機(jī)物含量增加，有利于生物活性炭濾層中微生物的生長(zhǎng)繁殖，這也是該工藝能有效去除有機(jī)物、氮類(lèi)污染物的直接原因。

2.1.3 總磷的去除效能

由圖6可知，進(jìn)水總磷的平均濃度為1.02 mg/L，復(fù)合濾層深床濾池工藝對(duì)總磷的平均去除量為0.670 mg/L，鐵碳內(nèi)電解層對(duì)總磷的平均去除量為0.278 mg/L，占比為41.49%。鐵碳內(nèi)電解層對(duì)總磷具有良好的去除效能，這是因?yàn)殍F碳內(nèi)電解層內(nèi)部發(fā)生的原電池反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物鐵離子與磷酸根形成磷酸鐵沉淀；另一方面，鐵離子水解產(chǎn)生的氫氧化鐵膠體具有良好的絮凝作用，與磷酸根發(fā)生共沉淀作用，能有效去除總磷[15]。同時(shí)，鐵碳內(nèi)電解反應(yīng)的產(chǎn)物促進(jìn)了后續(xù)微生物的生物量以及種類(lèi)，加強(qiáng)了生物除磷的效果。

圖6 對(duì)總磷的去除效能Fig.6 Removal Efficiency of Total Phosphorus

2.1.4 渾濁度和色度的去除效能

為了進(jìn)一步考察復(fù)合濾層深床濾池工藝對(duì)二級(jí)出水的物理感官性指標(biāo)改善效果，連續(xù)檢測(cè)裝置進(jìn)出水中渾濁度、色度的變化情況，結(jié)果如圖7所示。

圖7 對(duì)渾濁度、色度的去除效能Fig.7 Removal Efficiency of Turbidity and Chroma

由圖7可知，進(jìn)水的渾濁度在1.8～3.1 NTU，出水渾濁度穩(wěn)定在0.3 NTU以下，反沖洗前后渾濁度偶有上升，但整體分析，復(fù)合濾層深床濾池裝置對(duì)渾濁度具有良好的去除效果。進(jìn)水的色度在9.4～13.5，均值為11.6，出水的色度均值為1.3，去除率達(dá)88.8%，表明復(fù)合濾層深床濾池工藝能夠有效去除色度。裝置出水中色度和渾濁度這2個(gè)指標(biāo)不僅滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅳ類(lèi)水的要求。由此可知，復(fù)合濾層深床濾池工藝可以有效改善二級(jí)出水的感官性指標(biāo)，具有良好的應(yīng)用前景。

2.2 處理成本分析

2.2.1 建設(shè)成本

根據(jù)該工藝的形式及運(yùn)行參數(shù)的控制，結(jié)合目前污水廠已建深床濾池的建設(shè)成本，估算復(fù)合濾層深床濾池的建設(shè)成本約為400～450元/(m3·d)?？紤]到部分水廠已設(shè)置有混凝、沉淀、過(guò)濾的污水深度處理裝置，可以將現(xiàn)有的深度處理裝置進(jìn)行適當(dāng)改造以節(jié)約建設(shè)成本，可降低約50～100元/(m3·d)。

2.2.2 運(yùn)行費(fèi)用

復(fù)合濾層深床濾池的運(yùn)行結(jié)果表明，在運(yùn)行過(guò)程中主要涉及的運(yùn)行費(fèi)用包括反沖洗費(fèi)用、運(yùn)行中動(dòng)力費(fèi)用及鐵碳層中的更換費(fèi)用，各部分費(fèi)用的基本計(jì)算如下。

反沖洗費(fèi)用：約為0.01元/m3。

動(dòng)力費(fèi)用：根據(jù)實(shí)際結(jié)果，運(yùn)行中動(dòng)力費(fèi)用主要來(lái)源于對(duì)二沉池出水的動(dòng)力提升，由現(xiàn)場(chǎng)反饋的信息可知，該部分費(fèi)用約為每處理單位水量需消耗的動(dòng)力費(fèi)用，即0.02元/m3。

鐵碳更換費(fèi)用：鐵碳單價(jià)為4 200元/t，處理單位水量需消耗鐵碳5 g/m3，則鐵碳費(fèi)用約為0.021元/m3；更換過(guò)程人工費(fèi)用約為0.01元/m3。

總運(yùn)行費(fèi)用：0.01+0.02+0.021+0.01=0.061元/m3，單位水量處理成本的增加量在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。

3 結(jié)論

(1)在水溫為19～24 ℃、濾速為2 m/h條件下，復(fù)合濾層深床濾池工藝對(duì)總氮、硝酸鹽氮、氨氮、CODCr、總磷、渾濁度、色度的平均去除率為33.3%、32.2%、73.4%、55.4%、65.2%、91.2%、88.8%。二級(jí)出水經(jīng)過(guò)鐵碳材料層處理后，可生化得到很大改善，BOD5的平均濃度由3.05 mg/L增至9.33 mg/L，BOD5/CODCr由0.094增至0.288。

(2)復(fù)合濾層深床濾池工藝能有效提高污水廠二級(jí)出水的水質(zhì)，可以同步去除二級(jí)出水中氮、磷、有機(jī)物、渾濁度和色度等污染物，處理效能較好且穩(wěn)定，同時(shí)，每噸水處理成本增加的費(fèi)用約為0.061元，在合理的范圍之內(nèi)。因此，具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的改善具有重要的意義。