多級精細(xì)過濾在含油廢水中的應(yīng)用研究

李 劍 杜躍鵬 李子靖 左曉明

（北京匯天運(yùn)維技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，北京 102400）

過濾作為給水工藝中最重要的環(huán)節(jié)，在市政給水處理中廣泛應(yīng)用[1]，推廣效果很好。對更難處理的工業(yè)廢水來說，常規(guī)過濾的表現(xiàn)不盡理想，尤其是含油廢水[2]。本文以含油廢水為例，對多級精細(xì)過濾處理進(jìn)行研究。

1 多級精細(xì)過濾原理

含油廢水與常規(guī)廢水最大特點(diǎn)是油田廢水密度小，多級精細(xì)采用粗?；椒ǎ糜?、水兩相對聚結(jié)材料親合力相差懸殊的特性，當(dāng)含油廢水通過填充著聚結(jié)材料的床層時，油粒被材料捕獲滯留在材料表面和孔隙內(nèi)。隨著捕獲油粒的增加，油粒間會產(chǎn)生變形，合并聚結(jié)成較大的油粒，以此對油進(jìn)行去除。

在一體化過濾裝置中，雜質(zhì)在濾料的理論分布與實(shí)踐存在一定的偏差，尤其是下向流過濾中，經(jīng)過反沖洗后的過濾裝置，很容易造成濾料倒置，粒徑從下至上逐漸變大。因此產(chǎn)生了“反粒度過濾”的概念，濾水從底部的粗濾料進(jìn)入，穿透粗濾料濾層后進(jìn)入上層的細(xì)濾料流出，雖然有效解決了下向流空隙的浪費(fèi)問題，但是容易造成濾料流失。多級過濾方法是由多個均質(zhì)過濾柱組成，可以解決在一體化過濾裝置中濾料流失的問題，整個過濾單元分為2～3個過濾柱，每個過濾柱的濾料為均質(zhì)濾料，不均勻系數(shù)K80＜1.3。通過多級過濾設(shè)置，既可以滿足反粒度過濾的要求，又可以采用粗?；コ蛷U水，降低混凝藥劑的投加量，從而降低成本。

2 過濾試驗(yàn)

2.1 配置10-50NTU濁度液

配制400NTU福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)液，準(zhǔn)確稱取1.0g硫酸肼和10.0g六次甲基四胺粉末分別溶于蒸餾水中，溶液混勻后，稀釋至100mL容量瓶，在恒溫箱靜置24h后稀釋至400NTU。根據(jù)需要將溶液稀釋至目標(biāo)溶液。

2.2 過濾柱

過濾柱采用兩根高1.5m，直徑100mm的圓柱形有機(jī)玻璃過濾柱。承托層鋪設(shè)200mm鵝卵石，承托層底部以有機(jī)玻璃穿孔板阻隔，方便均勻配水。濾料為1.2～1.6mm粒徑濾球，一級過濾濾料1.6mm，二級過濾1.2mm，K80均為1.3，鋪設(shè)厚度為700mm。

2.3 過濾

通過旁通管出水控制均勻?yàn)V速，保持在10m/h。每5min或者2min取樣測量出水濁度，并繪制濁度變化曲線，當(dāng)出水濁度趨于進(jìn)水濁度時，濾料吸附攔截將近飽和，停止過濾，選取該時刻點(diǎn)為過濾時間。配制30NTU濁度水過濾，按照不同時間點(diǎn)取樣測量濁度，并繪制曲線如圖1所示。當(dāng)過濾30min時，出水濁度趨于穩(wěn)定，選取30min作為過濾時間。

圖1 過濾出水曲線

圖2 廢水處理工藝

2.4 對比試驗(yàn)

設(shè)計對比試驗(yàn)，按照上述條件在濾料1.6mm情況下進(jìn)行一級過濾和二級過濾對比試驗(yàn)。

一級過濾，進(jìn)水濁度18.2NTU，數(shù)據(jù)見表1。二級過濾，進(jìn)水濁度13.9NTU，數(shù)據(jù)見表2。

表1 一級過濾出水濁度

表2 二級過濾出水濁度

當(dāng)進(jìn)水濁度（18.2NTU）較高時，一級過濾效果欠佳，去除率僅為25%。當(dāng)進(jìn)水濁度（13.9NTU）較低時，第二級過濾效果去除率為50%，經(jīng)兩級過濾后，水中濁度可降至7以下，去除率高于60%。

3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

3.1 SS與濁度

對配置濁度溶液水，使用濁度儀測定濁度，按照《水質(zhì)懸浮物的測定》（GB 11901—89）水質(zhì)懸浮物的測定方法測定SS，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 濁度與SS對應(yīng)數(shù)據(jù)

通過模擬計算得到公式（1）。

式中：Y為固體懸浮物濃度，mg/L；X為濁度，NTU。將Y=1、Y=2、Y=3帶入公式（1）中，得到X=1.08、X=1.72、X=2.36。

3.2 亞硫酸鈉與含氧量

對二級出水進(jìn)行亞硫酸鈉滴定試驗(yàn)。亞硫酸鈉溶液的配置溶度為0.109g/mL，對200mL水樣進(jìn)行滴定。通過軟件模擬，得到亞硫酸鈉使用量與水樣含量的關(guān)系，見表4。

表4 含氧量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

亞硫酸鈉使用量的計算過程如公式（2）所示。

式中：A為亞硫酸鈉使用量，kg，B為含氧量，mg/L，其中B≤5mg/L。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

使用公式（1）對試驗(yàn)出水水質(zhì)進(jìn)行判斷。

通過兩種方法統(tǒng)計藥用量，記錄進(jìn)水總量和試驗(yàn)結(jié)束后使用的藥量，計算噸水處理用藥量。在試驗(yàn)過程中，取某段時間藥用量，采用實(shí)時監(jiān)控，同時可以觀察投藥過程是否穩(wěn)定。對統(tǒng)計到兩組數(shù)據(jù)求平均得到藥用量，見表5。

表5 試驗(yàn)結(jié)論

4 濾料與油的黏附性

4.1 試驗(yàn)過程及條件

從調(diào)節(jié)池直接取未加藥的原水過濾，使用試驗(yàn)制備的小型過濾裝置[5]，原水的信息：濁度34.4NTU，含油量10.980mg/L。濾料：1.25～1.6mm，厚度為730mm。承托層：4～20mm（石子），厚度190mm。濾速：25m/h。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

將所有過濾水收集到一個水桶中，濁度為25NTU，含油量為4.6869mg/L。本次試驗(yàn)過濾速度較快，如果原水補(bǔ)充不及時，就會出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。查看濾料發(fā)現(xiàn)經(jīng)過本次試驗(yàn)后，濾料沒有出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，取出濾料用水沖洗，發(fā)現(xiàn)濾料上的油污能被沖洗掉，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.3 試驗(yàn)結(jié)論

當(dāng)過濾柱前端狀態(tài)控制良好，濾速為32m/h時，一級出水可以滿足A3標(biāo)準(zhǔn)，二級出水可以滿足A2標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)實(shí)際含氧量需要，按照公式（2）調(diào)整亞硫酸鈉的投加量，對水中的含氧量進(jìn)行消解。

考慮經(jīng)濟(jì)和使用效果確定最佳的投藥方案：PAC為46.095g/t，PAM為1.962g/t，CaO為64.479g/t。

本次試驗(yàn)用的濾料親油性能差，可以長期使用不用擔(dān)心板結(jié)，采用氣水反沖洗或脈沖反沖洗可有效防止板結(jié)。

5 技術(shù)參數(shù)

在含油廢水中，與一般過濾方式相比，多級精細(xì)過濾方式采用兩個獨(dú)立的過濾器，上層鋪設(shè)改性陶瓷濾料，鋪設(shè)厚度為700mm，承托層鋪設(shè)200mm鵝卵石。一級過濾陶瓷濾料濾徑為1.6mm，二級過濾陶瓷濾料濾徑為1.2mm，K80均為1.3。

當(dāng)過濾濾速為10m/h～20m/h時，出水指標(biāo)滿足A1標(biāo)準(zhǔn)，但是藥劑成本較高。當(dāng)濾速為32m/h時，一級出水可以滿足A3標(biāo)準(zhǔn)，二級出水可以滿足A2標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)濾速為25m/h時，出水指標(biāo)和藥劑成本達(dá)到最佳平衡值。因此一級過濾濾速為32m/h，二級濾速為25m/h。

當(dāng)采用較高反沖洗強(qiáng)度16L/（m2·s）時，初始反沖洗出水濁度最高，反沖洗出水趨于平穩(wěn)的用時最短，反沖洗效率為最高，其濾料膨脹率達(dá)到50%～60%。當(dāng)反沖洗強(qiáng)度為8L/（m2·s）時，初始反沖洗出水濁度最低，濾料并沒有完全清洗徹底，膨脹率僅為10%，反沖洗強(qiáng)度不足以使整個濾料呈流化態(tài)，反沖洗效率較低。反沖洗強(qiáng)度12L/（m2·s）時，濾料膨脹率為30%，清洗效果適中。采用多級均質(zhì)濾料，不存在濾層結(jié)構(gòu)擾動干擾，因此采用16L/（m2·s）的反沖洗強(qiáng)度。

針對含油廢水粗?；幚矸椒?，選用傳統(tǒng)的膜處理與活性炭吸附等方式盡管處理效果好，但是成本較高，材料重生困難，而傳統(tǒng)的石英砂、無煙煤等濾料在含油廢水中的應(yīng)用效果較差。陶粒濾料選用陶土添加成孔劑、黏溶劑，經(jīng)球磨、篩分、成型、煅燒而成，具有表面堅硬，內(nèi)部多微孔，比表面積大，空隙率高、疏油性等特點(diǎn)。用于含油廢水處理，具有截污能力強(qiáng)、過濾周期長、過濾水頭損失小、反沖洗耗水量低等特點(diǎn)，因此采用陶瓷濾料。

6 技術(shù)應(yīng)用

6.1 基本情況

以山東某集團(tuán)大豆油廢水為例[3]，其中蛋白廢水5000m3/d，pH約為4，COD為18000mg/L。含油29.2mg/L，SS為4000mg/L～6000mg/L，NH4+-N為100mg/L。果糖廢水2500m3/d，pH為1～13，COD為1500mg/L～3000mg/L，BOD/COD為0.7。玉米淀粉1500m3/d，COD為7000mg/L～9000mg/L，SO42-為100mg/L。

6.2 處理工藝

大豆油廢水經(jīng)過前段氣浮處理后采用多級過濾工藝如圖3所示。首先，根據(jù)加藥后的液體顏色變化決定混凝劑投加藥量[4]，采用回轉(zhuǎn)式氣浮裝置對懸浮物進(jìn)行初步去除，去除效率為50%，出水SS約為2000mg/L。其次，進(jìn)入多級過濾裝置，采用1.6mm和1.2mm濾料過濾裝置，最后，出水COD為150mg/L～200mg/L，含油低于1mg/L。

6.3 工藝特點(diǎn)

該粗?；b置采用以疏油性的陶瓷濾料作為粗粒化材料[6]，在含油廢水分散油珠粗?；⑦B續(xù)出水的同時可同步清洗濾料。廢水中的細(xì)小分散油珠主要通過碰撞聚結(jié)作用，相互接觸聚結(jié)成較大的油珠，浮力大于重力后，油滴從填料中脫離，浮上水面后被去除。在運(yùn)行過程中，采用連續(xù)進(jìn)水的方式，當(dāng)裝置中的浮油層累計足夠厚時，打開浮油管的閥門，將浮油排出，凈化后的出水從出水管流出，進(jìn)入下一個裝置。隨著運(yùn)行時間的增加，聚結(jié)材料表面會沉積油泥或其他懸浮顆粒。

反沖洗進(jìn)水管位于濾床中心，當(dāng)反沖洗時，開啟沖洗水泵，將高位水箱內(nèi)的清水泵入罐體底部，進(jìn)行反洗，反洗進(jìn)水管出來的高壓水在進(jìn)水管和提升管間形成了負(fù)壓區(qū)，使提升管底部的濾料被壓入提升管中，而提升管外側(cè)的填料則沿斜面不斷地滑到提升管底部，隨高壓水進(jìn)入提升管，進(jìn)入提升管內(nèi)的填料在管內(nèi)劇烈地碰撞摩擦，將顆粒表面黏附的雜質(zhì)去掉，隨后填料經(jīng)傘形滑落到填料層頂，使填料層得到更新，從而做到內(nèi)循環(huán)反沖洗。

多級精細(xì)過濾裝置的特點(diǎn)是多級濾床分別設(shè)置，可根據(jù)出水水質(zhì)要求調(diào)節(jié)各級的濾床面積或者改變過濾級數(shù)，當(dāng)材料表面被油膜包住，過濾水頭不斷增加，當(dāng)增至一定值后，開始反沖洗，在反沖洗水的沖力與浮力下，油膜脫離濾料最終與反沖洗水一同排出裝置。經(jīng)過多級精細(xì)過濾裝置的處理，不僅可以進(jìn)一步去除廢水中的油珠，還可以去除一部分極難處理的溶解油，出水含油量可低至約2mg/L，甚至接近1mg/L。

目前需要兩種濾料，一種是平均粒徑為4mm的陶瓷濾料，抗壓強(qiáng)度為20MPa～25MPa，濾料表面粗糙，擬用作污水處理時生物污泥掛膜的載體。另一種是平均粒徑為0.6～1.0mm的陶瓷濾料，抗壓強(qiáng)度為50MPa，濾料表面較光滑。對該濾料表面進(jìn)行改性，第一段工藝為粗?；?，裝置中為疏油性的濾料，進(jìn)水含油量控制在20mg/L以下，當(dāng)含油污水流經(jīng)時，粗粒化材料是疏油的。第二段工藝為精細(xì)過濾，裝置中為親油性濾料，分散油珠潤濕附著在濾料表面，隨反沖洗水一同脫離濾料，同時濾料重生。

7 結(jié)論

采用多級精細(xì)過濾利用粗?；椒▽蛷U水進(jìn)行處理，可降低藥耗，并采用反粒度過濾方式解決粗粒化濾料膨脹產(chǎn)生的問題，通過試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了其可行性。

多級精細(xì)過濾裝置的特點(diǎn)在于分別設(shè)置，可根據(jù)出水水質(zhì)要求調(diào)節(jié)各級的濾床面積或者改變過濾級數(shù)，利用過濾材料的親疏水性分離油水。

濾料對粗粒化精細(xì)過濾有較大影響，本次試驗(yàn)用的濾料親油性能差，可以長期使用不用擔(dān)心板結(jié)，采用氣水反沖洗或脈沖反沖洗可有效防止板結(jié)。

內(nèi)置濾料采用陶瓷濾料，濾料表面形成有大量可吸附物質(zhì)的孔洞，通過增加比表面積，以提高濾料的吸附能力。裝置結(jié)構(gòu)緊湊巧妙，多級過濾集于一個罐體中，占地小且可根據(jù)出水效果改變級數(shù)。

對比含油廢水過濾的反沖洗與天然濁度廢水過的反沖洗，含油廢水更難處理。因此處理含油廢水不僅應(yīng)考慮過濾效果，還應(yīng)結(jié)合反沖洗效果。