摘要 ：采用自主设计研发的新型气浮设备对北方某市污水厂二沉池出水进行深度处理，考察了混凝剂种类、水温、回流比、表面负荷等对去除TP和SS的影响。结果表明，在一定的表面负荷和回流比下，二沉池出水经新型气浮设备处理后TP浓度低于0.3mg/L，且不受温度影响。在仅投加PAC时，该设备即可维持出水SS低于20mg/L。相较于高效沉淀池，采用气浮处理二沉池出水的运行费用低，经济效益好，可作为城市污水厂深度处理工艺。
赵志太 ，硕士， 高级工程师，研究方向为供水及污水处理理论与技术。
人口增加和生活水平的提高使得生活用水量不断增加，随之而来的污水处理问题日益严峻 。若不能严格控制污水厂出水氮、磷等含量，将导致受纳水体富营养化等严重的水环境问题 。运行超过 5年的城镇污水处理厂，大部分处理量已超过当初建设时的设计规模，且外界因子变化时出水TP和SS浓度随之改变，难以满足日益严格的排放标准，需改造升级。而改扩建污水厂为了满足更加严格的出水TP要求，不得不选择三级处理工艺，但常规三级处理工艺面对不断严格的出水水质标准，逐渐捉襟见肘 。气浮法具有较好的去除 SS效果，且发展时间较长，技术成熟，但对TP的去除效果需要进一步提升。因此开发具有去除TP且高效降低SS的新型气浮设备，是污水厂三级处理工艺发展的方向之一 。
钟希冰等 采用 HYDRONET气浮技术代替市政污水厂二沉池，不仅使出水SS降低至2mg/L以下，且可减少PAM的投加量和加药泵启动频率，提高了经济效益。镇祥华等 采用气浮工艺对曝气生物滤池出水进行固液分离，有效降低了出水 SS及TP浓度，并且可以保证TP浓度降低至0.05mg/L（一级A排放标准为0.5mg/L），保证了污水处理达标率。潘国强等 采用气浮 -陶瓷膜耦合工艺处理炼油厂含油废水，总COD去除率高达96%以上，体现了该工艺对污染物的高效去除能力。可见，开发新型气浮工艺一直是污水深度处理领域的研究热点之一。
笔者结合气浮工作原理，开发了一种新型气浮设备，其分离段采用上流式构造并布置斜板，可强化浮渣与水的分离作用，提高气浮除污效率。采用该新型气浮设备对污水厂二沉池出水进行深度处理中试研究，考察了对 TP和SS的去除效果，以期为新型设备的开发与应用提供理论依据。
材料与方法
图 1 新型气浮装置示意
新型气浮装置稳定运行时进水流量为15m 3 /h，水力停留时间为10min，表面负荷为8m 3 /（m 2 ·h）。压力溶气罐高为1.55m，外径为0.2m。溶气罐的压力在0.3～0.42MPa之间，回流泵流量为1.5～2.0m 3 /h，回流比为10%～13.3%。
新型气浮设备未设桥式刮渣机，通过控制水位去除水面的浮渣，电动出水阀安装在出水管上，通过定时器来控制电动出水阀的开闭。当电动出水阀关闭时，气浮机停止出水，气浮池内水位上升，将水面上的浮渣排入排渣槽，实现固液分离。
1.2.2 装置主要特点
与传统的气浮工艺相比，该新型气浮工艺的主要特点是：采用上向流气浮，水流上升与浮渣上浮同方向，表面负荷高。
主流的气浮反应器分离段构造是水从上向下流动，在水向下流动的过程中浮渣向上分离，由于水流方向与浮渣的分离方向相反，因此可称为异向流气浮。异向流气浮向下的水流速度不能过快，否则容易造成出水带浮渣，影响处理效果。异向流气浮反应器的表面负荷一般在5.4～9m 3 /（m 2 ·h）之间。
该新型气浮的分离段采用下进水上向流结构，絮凝后的水与溶气水在进入分离段之前混合并在分离段下部布水，在底部接触区微气泡与微絮体进一步接触，形成絮体与气泡结合体，然后水继续上升到分离区。分离区设独特结构的分离器，该分离器是一种斜板结构，在斜板上端设集水槽。水进入分离区后，首先在斜板的作用下产生浮渣分离效果，在两层斜板之间形成浮渣和清水分层，浮渣将贴着上斜板下部在水流推动和浮力的作用下向上流动形成浮渣层，清水层向上推动，在分离器上端通过集水槽收集，通过各集水槽上的支管与汇水管连接，最终进入清水池。气浮包括絮凝、絮体与微气泡结合、絮体 /气泡结合体与水分离三个主要过程。
1.3 试验设计
试验药剂共两种，分别是聚合氯化铝（ PAC）和聚丙烯酰胺（PAM），试验期间PAC投加量为15.1、27.5、32、36.7mg/L，PAM投加量为0.5、0.6、0.6～0.7、0.77mg/L。
试验周期跨越了春、夏、秋、冬四季，其水温在 17～29℃之间波动。经前期试验摸索适当的进水流量、混凝剂投加量、回流比之后，进行分段试验研究。分段试验一：只投加PAC试验和PAC、PAM同时投加试验；分段试验二：考察不同季节时温度对气浮效果的影响，同时将新型气浮池出水与污水处理厂高效沉淀池出水进行对比。
结果与讨论
2.1 除磷效果
2.1.1 与污水厂高效沉淀池的对比
新型气浮设备所在污水处理厂采用 “高效沉淀池+V型滤池” 三级处理工艺，因气浮设备未设置滤池，将其出水TP浓度与该厂高效沉淀池出水TP浓度进行对比，结果见图2。气浮设备出水TP最低为0.09mg/L，最高为0.35mg/L，平均为0.24mg/L；污水厂出水TP最低为0.16mg/L，最高为0.63mg/L，平均值为0.38mg/L。由此可见，二沉池出水经气浮处理后比污水厂高效沉淀池出水TP浓度更低且稳定，说明气浮工艺用于污水厂深度除磷是可行的，且除磷效果较高效沉淀池好，经出水平均值对比，气浮工艺的除磷效率较高效沉淀池高36.8%。另外，从整个运行过程来看，污水厂出水TP浓度受季节影响较大，而新型气浮设备受季节影响小，且可维持出水TP浓度处于较低水平，为污水厂出水TP达标提供了保障，并且该气浮装置的处理量可以达到360m 3 /d，占地面积只有6.08m 2 ，相较于一般的气浮设备，占地面积要小。
图 2 中试气浮设备与污水厂出水总磷浓度对比
图 3 投加不同混凝药剂时出水总磷浓度变化
将投加 PAC与PAC+PAM的出水总磷浓度数据划分为5个区域，并将其在各个区域的天数进行汇总，结果如表1所示。同时加入PAC和PAM与仅投加PAC的除磷效果差异较小，当仅投加PAC时TP平均去除率为68.8%，同时加入PAC和PAM时，总磷平均去除率为69.2%。由于二者的TP去除率差异较小，且均能满足出水水质标准，故在实际工程中可以只投加PAC。
表 1 不同药剂时出水总磷各阶段天数
图 4 各季节出水总磷浓度变化
表 2 各季节出水总磷各阶段天数
图 5 气浮设备对总磷的去除效果
在二沉池出水悬浮物浓度高达 400～800mg/L时，出水中大量的磷以颗粒磷的形式存在，同时溶解性的磷可与混凝剂（PAC）结合并析出，然而都可通过气浮被良好地去除。将进水水样静沉30min后上清液中TP浓度为1.2～1.5mg/L，经气浮处理后降至0.4mg/L以下，由此可见混凝、气浮除了去除颗粒态磷外，对溶解性磷也有良好的去除效果。新型气浮工艺通过微气泡与水中的溶解性磷发生化学反应而形成悬浮态磷，同颗粒态磷一起被去除。
2.2 新型气浮设备对 SS的去除
2.2.1 投加 PAM对出水SS的影响
稳定进水流量为12m 3 /h，表面负荷为6.7m 3 /（m 2 ·h），回流比为15%，PAC投加量为20mg/L，PAM投加量为0.6mg/L，每天上午投加PAC、下午同时投加PAC和PAM，结果如图6所示。可见，新型气浮系统只加PAC即可将SS浓度降到20mg/L以下，PAM的加入对处理效果影响不大。目前，应用较多的加磁混凝沉淀池和加砂混凝沉淀池等需引入密度大的细小颗粒物质，颗粒物质与悬浮物结合方可加快悬浮物的沉降，缩短沉降时间，提高沉降效果，因此这两种工艺都需要投加PAM 。而气浮工艺采用微小气泡代替颗粒物，微小气泡不需PAM即可与悬浮物产生良好的结合，达到去除SS效果，降低了运行成本。
图6 投加不同药剂时气浮设备出水SS浓度变化
图 7 表面负荷对气浮设备出水 SS浓度的影响
图 8 回流比对气浮设备出水 SS浓度的影响
经济效益分析
结论
本文的完整版刊登在《中国给水排水》2022年第9期，作者及单位如下：
新型气浮设备去除污水厂二沉池出水TP和SS中试
赵志太 1,2 ，李建 3 ，孔晓光 1 ，赵志能 4 ，李雪凝 5 ，苗志全 1 ，宋欣 5 ，张文博 1 ，乔海兵 1,2 ，孙士权 5
（ 1.河南省城乡规划设计研究总院股份有限公司，河南 郑州 450044；2.河南省水质保障与水环境修复工程技术研究中心，河南 郑州 450044；3.上海大众嘉定污水处理有限公司，上海 201800；4.河南梁隆置业有限公司，河南 焦作 454150；5.长沙理工大学 水利与环境工程学院，湖南 长沙 410114）
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