(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，水污染控制研究中心，哈爾濱150090；
2．中國海洋大學(xué)，青島266003)
摘要：采用新型的纖維束過濾器對污水廠的二級出水進(jìn)行了直接過濾和絮凝、過濾回用的研究。結(jié)果表明，過濾器在1O一30 m／h的濾速下均能有效去除水中的ss和濁度，出水SS低于10 mg／L；對COD、BOD、TP和細(xì)菌總數(shù)的去除率分別為10％ ～80％ 、21％ 一50％ 、11％ ～81％ 和87％ 。采用硫酸鋁作為絮凝劑與纖維過濾器聯(lián)合處理技術(shù)能進(jìn)一步提高出水的水質(zhì)。通過單一水反沖洗和氣水聯(lián)合反沖洗的對比研究，發(fā)現(xiàn)氣水聯(lián)合反沖洗是適合恢復(fù)纖維束過濾器過濾效能的沖洗方式。在反沖洗水流量10—12 L／m ·s、水壓0．1 MPa、空氣流量60 L／m。·s、氣壓0．1 MPa的條件下，沖洗30 rain能夠有效地恢復(fù)纖維過濾器的過濾性能。
關(guān)鍵詞：纖維過濾 回用 絮凝反沖洗
1 概 述
隨著淡水資源的日益短缺和需水量的不斷增加，許多缺水城市和地區(qū)無新的水源可開發(fā)利用，污水的回收和再用已成為解決水資源短缺的有效措施之一。城市污水處理廠二級處理出水水量水質(zhì)穩(wěn)定、污染物含量較低(0．1％)，經(jīng)常規(guī)的混凝．過濾．消毒工藝即可滿足工業(yè)循環(huán)冷卻水的要求，而這部分用水量占到了城市總需水量的1／3⋯ 。纖維過濾是近年來發(fā)展起來的一種高效、經(jīng)濟(jì)的過濾和回用技術(shù)，具有良好的過濾精度和運(yùn)行穩(wěn)定性 。本實(shí)驗(yàn)采用的纖維過濾器以軟性纖維束為過濾介質(zhì)，利用了過濾水流和清洗水流壓力和方向的變化，使纖維能在過濾時(shí)自動壓緊，清洗時(shí)自動疏松，以達(dá)到污水回用的目的。研究是在山東的某一城市污水廠開展的，對污水廠的二級出水進(jìn)行了直接過濾回用和絮凝、過濾回用的研究。
2 材料和方法
2．1 實(shí)驗(yàn)材料
維過濾器工作區(qū)內(nèi)徑為300 mm，高1700 mm，允許工作壓力小于0．6 MPa，介質(zhì)溫度小于60 。筒內(nèi)安裝有22條紡織成束的尼龍纖維，兩端固定于筒內(nèi)的花板之上。設(shè)有進(jìn)水、出水、反沖洗進(jìn)水、反沖洗出水、進(jìn)氣和排氣6個(gè)通道，均可以通過閥門調(diào)節(jié)流量，安裝有壓力表，檢測運(yùn)行壓力。設(shè)備的示意圖及工作過程如圖1所示。
2．2 分析方法
水質(zhì)指標(biāo)根據(jù)國家環(huán)保局組織編寫的《水和廢水監(jiān)測分析方法》 進(jìn)行檢測。
3 結(jié)果和討論
3，1 二級出水直接過濾
3．1．1 濾速和出水水質(zhì)
考慮到用戶用水量的相對穩(wěn)定和纖維過濾器操作簡單的實(shí)際情況，對比了設(shè)備在不同濾速下的直接過濾出水水質(zhì)情況。表1的數(shù)據(jù)說明纖維過濾器的濾速范圍很寬，在10、20、30 m／h的濾速下都具有良好的出水水質(zhì)，出水SS均在10 mg／L以下，平均去除率在60％ 以上，濾速越小，出水濃度越低。這是由于親水性的低彈性、高蓬松的纖維束在水壓下自動的扭轉(zhuǎn)壓縮，纖維絲緊密交錯(cuò)形成濾層。而壓實(shí)區(qū)厚度只占整個(gè)濾層厚度的小部分，上部的濾料密實(shí)而下部的相對疏松，形成良好的濾料極配，使濾層具有空隙率高過濾阻力小的優(yōu)點(diǎn)，濾料比表面積增大、吸附性能改善、截污容量大大增加。即使在30 m／h的濾速下也能有效地截留水中的懸浮物，不致于因?yàn)楦咚偎鞯募羟凶饔枚鴮?dǎo)致懸浮物穿透濾
層。所以過濾周期的確定是以水流通過濾層時(shí)的水頭損失達(dá)到0．06 MPa為反沖洗的條件。
從表1中可以看到，濾速和過濾周期有明顯的相關(guān)性，濾速越大，過濾周期越短。雖然在3種濾速下設(shè)備具有相等的產(chǎn)水量，但過濾周期的長短影響設(shè)備反沖洗的自用水量；而且在較小的濾速下，更能發(fā)揮纖維濾層高截泥量的特點(diǎn)。因此，纖維過濾器最佳濾速的選取應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃礌顩r、用水量的大小等因素比較確定。
由于纖維過濾器對SS的截留，表現(xiàn)出對COD、BOD、TP、NTU、細(xì)菌也有一定的去除能力，去除率分別達(dá)到了10％ ～80％ 、21％ ～50％ 、11％ 一81％ 、52％ ～85％和87％ ；但對NH 一N、硬度的去除沒有作用。對于回用工業(yè)循環(huán)冷卻水而言，COD、BOD、TP、NTU、細(xì)菌的降低可有效地控制磷酸鈣垢和粘泥的累積，減小了阻垢劑和殺菌劑的用量H 。為了驗(yàn)證過濾器的穩(wěn)定性，選取任一運(yùn)行周期進(jìn)行跟蹤檢測(如圖2所示)。由圖2看出，進(jìn)水SS、NTU在一定范圍內(nèi)波動，但出水的濃度均穩(wěn)定在一個(gè)較低的數(shù)值。雖然隨著過濾的進(jìn)行，sS和NTU有輕微的上升趨勢，但總體上對污染物的截留是有效的。而且進(jìn)水濃度越高，去除率也越大。因此，纖維過濾替代傳統(tǒng)的石英砂過濾回用污水在技術(shù)上是可行的。
3．1．2 停運(yùn)對產(chǎn)水的影響
纖維過濾器具有操作簡單、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)備停運(yùn)時(shí)滿水保存即可。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，設(shè)備在停止運(yùn)行2 d后重新啟動，出水水質(zhì)明顯的惡化，并帶有明顯的污泥腐敗的氣味。由于原先被截留的懸浮物在濾層內(nèi)發(fā)生了厭氧反應(yīng)，污泥腐敗變質(zhì)，產(chǎn)生可溶性有機(jī)物和營養(yǎng)物，導(dǎo)致重新運(yùn)行后出水中的COD、BOD和TP的濃度大量升高，嚴(yán)重影響了用水的安全性。因此，設(shè)備停運(yùn)后的重新啟動應(yīng)控制在被截留污泥發(fā)生厭氧反應(yīng)之前，如果遇到長期不運(yùn)行，則應(yīng)該清洗纖維濾料，并用藥劑洗滌處理后滿水保存。#p#分頁標(biāo)題#e#
3．2 二級出水絮凝過濾
為了進(jìn)一步提高過濾出水的水質(zhì)，保證用水的安全性，研究了絮凝、過濾技術(shù)的回用效果。實(shí)驗(yàn)在濾速20 m／h的工作條件下進(jìn)行，藥劑采用水處理常用的硫酸鋁凝聚劑。
3．2．1 凝聚劑投量對出水水質(zhì)的影響
藥劑的用量不僅影響出水的水質(zhì)，同時(shí)也決定了水處理的費(fèi)用。為了確定恰當(dāng)?shù)乃巹┩读?，比較了0、10、20、30和40 mg硫酸鋁／L投量下的運(yùn)行效果。進(jìn)水與藥劑反應(yīng)的時(shí)間為20 min，以形成粒徑較大的絮體。在20 m／h的濾速下，設(shè)備均連續(xù)運(yùn)行8 h，出水水質(zhì)為取樣分析的平均值，結(jié)果如圖3所示。
從圖3中可以看出，硫酸鋁的投加改善了出水的水質(zhì)，而且投量越大，SS、COD、TP和NTU等出水濃度也越低。這是因?yàn)榱蛩徜X溶于水后，鋁離子與水發(fā)生反應(yīng)水解，并伴隨有聚合反應(yīng)，形成各種單核子和多核子絡(luò)合物。由于大部分的絡(luò)合物表面帶有正電荷，原水中所含有的帶負(fù)電的懸浮粒子(膠體物質(zhì)，水中SS、COD、TP、NTU的組成部分)被其吸附，產(chǎn)生凝結(jié)作用。當(dāng)電荷被中和后，懸浮粒子相互聚集形成絮體，并在絡(luò)合物的聯(lián)結(jié)下繼續(xù)凝聚增大。對于具有良好過濾精度的纖維過濾而言，它們都能被有效的截留。因而宏觀表現(xiàn)出SS、COD、TP和NTU去除率的提高，與直接過濾相比，在10 mg／L絮凝劑投量下，出水濃度分別降低了2．2 mg／L、1 1 mgTL、0．2 mg／L和4．7 NTU。另外，由于1 mg／L硫酸鋁能中和0．45 mg／L的堿度(以碳酸鈣計(jì))，因而硫酸鋁的投加能降低出水的堿度。但對硬度和氨氮的去除沒有影響。
3．2．2 藥劑投量的確定
如上文指出，藥劑投量越大，出水中主要污染物的去除率也越高。但當(dāng)投量大于10 mg／L時(shí)，去除率的改善趨于平緩(見圖3)，因而藥劑的投量應(yīng)控制在10 ms／L。過大的投量不僅浪費(fèi)藥劑，而且會增加出水中硫酸根的濃度。
3．3 濾層的清洗
濾料的反沖洗是恢復(fù)濾層截污容量，保證下一周期正常運(yùn)行的關(guān)鍵，再生效果的好壞直接關(guān)系到過濾出水的水質(zhì)優(yōu)劣和運(yùn)行周期的長短。實(shí)驗(yàn)對比了單獨(dú)水清洗和氣水聯(lián)合清洗的清洗效果。
3．3．1 單獨(dú)水清洗
反沖洗用水直接取用水廠的二級出水，反沖洗水流量和壓力分別控制在10～12 L／m ·s和0．1MPa，反沖洗持續(xù)了30 rain。結(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然纖維濾層能在反沖洗水的頂托下被拉升而變得疏松，但通過對出水水質(zhì)的檢測，發(fā)現(xiàn)清洗的效果很差。反沖洗水未能沖出纖維束截留的懸浮物，出水的水質(zhì)幾乎與進(jìn)水水質(zhì)相當(dāng)。
3．3．2 氣水聯(lián)合清洗
為了增加反沖洗體系對濾層的擾動作用，采用氣水聯(lián)合反沖洗的方式對濾層的清洗效果進(jìn)行了考察。維持反沖洗水的參數(shù)不變，空氣的流量和壓力控制在60 L／m ·8和0．1 MPa。反沖洗過程以COD和ss為主要考察對象，對出水中的污染物的含量進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測。圖4為反沖洗出水水質(zhì)隨時(shí)間的變化情況。
由圖4看出，在沖洗的前期(0～10 min)，原先被濾層截留的污染物大量地隨反沖洗液排除體外，導(dǎo)致出水中的COD和ss含量驟然升高，出水也呈現(xiàn)明顯黃色渾濁；而后期出水色度明顯的下降，顏色逐漸變淺并最終與反沖洗進(jìn)水一致，水中的污染物含量也隨之下降，在10—30 min內(nèi)，曲線均平緩下降。在30 min時(shí)，出水與進(jìn)水水質(zhì)相當(dāng)，認(rèn)為清洗結(jié)束。由此可見，氣水聯(lián)合反沖洗與單獨(dú)的水反沖洗相比，具有良好的清洗濾層的效果，并且反沖洗時(shí)間控制在30 min比較合適。另外，經(jīng)計(jì)算設(shè)備的自用水量僅為產(chǎn)水量的1．7％ ，與傳統(tǒng)的砂濾反沖洗相比具有明顯的優(yōu)勢。當(dāng)然，纖維過濾器在長期運(yùn)行后，在纖維束上可能積累大量有機(jī)物、油污、甚至是微生物，造成阻力增大，過濾精度下降，這時(shí)可用2％NaOH溶液浸泡24 h，進(jìn)行化學(xué)清洗。
3．3．3 氣水反沖洗工作原理
污水在通過密實(shí)的纖維濾料時(shí)，懸浮物被截留累積增大并堵塞孔隙，甚至產(chǎn)生篩濾作用而形成泥膜，使過濾阻力劇增。這時(shí)，應(yīng)進(jìn)行反沖洗恢復(fù)濾料的過濾性能。研究表明，反沖洗方式應(yīng)根據(jù)進(jìn)水的水質(zhì)情況確定。在本研究中，污水廠的二級出水實(shí)際是一個(gè)分散程度高的懸濁液和溶膠體系，含有大量的難降解有機(jī)物 。由于微粒雜質(zhì)的粒徑減小，擴(kuò)散常數(shù)增大，相應(yīng)的與濾料的粘附強(qiáng)度增加，如果采用單一的水反沖洗技術(shù)，由于其脫附能力有限，難以收到好的清洗效果。這就解釋了本實(shí)驗(yàn)中采用單一水清洗沒有達(dá)到預(yù)期反沖效果的原因。而氣水同時(shí)反沖洗有效地提高了平均速度梯度G值，G值越大，代表氣水對濾料的剪切力越大，濾層清洗的效果也就越佳。纖維過濾器在氣水反沖洗時(shí)，水流和氣流將筒內(nèi)的花板頂起，纖維束處于疏松狀態(tài)，上升空氣泡的振動能有效地將附著于濾料表面的污染物擦洗下來，而纖維束之間的碰撞摩擦使得清洗效果更佳，洗下的污染物立即被反沖洗水流帶走，因而氣水反沖洗不僅效率高，而且效果好。
4 結(jié) 論
采用纖維過濾器對山東某一城市污水廠的二級出水進(jìn)行了直接過濾和投加硫酸鋁凝聚劑后再過濾的回用的研究。結(jié)果表明，纖維過濾具有很寬的濾速范圍，在10～30 m／h的濾速下均能有效地去除水中的懸浮物和濁度，出水ss低于10 mg／L；而COD、BOD、TP、細(xì)菌的去除率分別為10％ 一80％ 、21％ 一50％ 、11％ 一81％ 和87％ 。投加硫酸鋁聚凝劑能明顯地改善出水的水質(zhì)，試驗(yàn)表明聚凝劑的最佳投量為10 mg／L。在此條件下，出水SS、COD、TP和NTU分別降低了2．2 mg／L、11 mg／L、0．2 mg／L和4．7 NTU。通過單一水反沖洗和氣水聯(lián)合反沖洗的比較，認(rèn)為氣水聯(lián)合反沖洗是合適的清洗方式。在反沖洗水流量10～12 L／m ·s、水壓0．1 MPa、空氣流量60 L／m -s、氣壓0．1 MPa的條件下，沖洗30min即能有效地恢復(fù)纖維過濾器的過濾性能。#p#分頁標(biāo)題#e#
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