滤布滤池

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滤布滤池系统在城市污水深度处理的中试研究

滤布滤池工艺是一种将过滤截留和沉淀集中在同一滤池内同步完成的高效水处理工艺。将该工艺应用于城市污水的深度处理中,通过絮凝剂的加入,具有同步去除TP和浊度的功能。研究了该工艺对城市污水处理厂二级处理出水中的TP、浊度、TN和COD的去除效果及其运行规律。研究表明:采用氯化铁作为絮凝剂,在合适的药剂投加量下,对污水处理厂二级出水的TP的去除率超过53%,浊度去除率超过32%。与传统的砂滤工艺相比,该工艺具有操作简单、结构紧凑、占地面积小和高程损失小等优点,是一种更为经济和简单的处理单元,适用于现有城市污水处理厂进一步提高出水水质的深度处理。


随着淡水资源的日益短缺和需水量的不断增加,污水的回收和再用已成为解决水资源短缺的有效措施之一。城市污水处理厂二级处理出水水量、水质稳定,污染物含量较低,经常规的深度工艺即可满足城市回用水的要求,而这部分回用水量可占到城市总需水量的1/3[1]。
滤布滤池(cloth-media filtration)系统是一种新发展的表面过滤系统。它与砂滤同属于颗粒过滤范围,过滤等级为10μm。滤布滤池系统与砂滤相比,在技术和经济指标方面都有很多优势。它具有处理效果好、水质水量稳定、能耗低(高程损失仅为0.3m)、过滤的水头损失小、反冲洗时间短、占地面积小(仅为常规工艺的1/2)和维护使用简便等特点[2]。
该工艺已开始被欧美一些国家的污水处理厂采用,作为城市污水的后续深度处理单元,达到进一步提高水质的目的[3],在我国对滤布滤池工艺的研究和应用鲜有报道。
本实验采用的微絮凝-滤布滤池工艺,以尼龙聚酯滤布为过滤介质,对南方某城市2个污水处理厂的二级出水进行了中试研究。
1　试验材料与方法
1.1　试验装置与运行参数
滤布滤池系统如图1所示。滤布滤池的过滤组件包括中心管/过滤转盘、反冲洗系统、污泥去除系统、中心传动系统及支架支撑系统。污水处理厂二级出水重力流入滤池,通过滤布过滤后,滤过液通过中空管收集,经溢流槽排出滤池。过滤过程中,部分较轻的污泥吸附于滤布外侧,形成泥饼。过滤期间,滤盘处于静态,滤布滤池设有斗型池底,有利于较重的污泥沉淀到池底。随着滤布上污泥的积累,滤布过滤阻力增加,滤池水位逐渐升高。通过液位高度控制滤布的反冲洗,一般设置高程为0.1~0.3 m,该工艺的水头损失远小于常规的过滤工艺。当过滤液位差达到设定值时,PLC即启动反冲洗泵,开始反冲洗过程。滤布滤池中试装置选用的滤布是一种尼龙针状结构,由聚酯支撑,过滤时针状结构下垂形成过滤层,反冲洗泵开启后,在泵的抽吸作用下,针状结构展开,滤布表面和过滤层中的污泥通过反冲洗泵抽吸排出。反冲洗期间,滤盘以1 r/min的转速旋转。反冲洗泵利用滤池内的水抽吸冲洗滤布表面,去除滤布上积聚的污泥颗粒,并排出反冲洗水,因此滤布滤池系统不需要设置单独的反冲洗清水池。沉淀到池底的污泥,定期启动排泥泵,通过池底排泥管排放。


图2为本实验装置流程。滤布滤池装置使用两碟滤布过滤器,放置在不锈钢水池中,所有设备都由防腐材料制成。过滤器过滤碟片单碟的有效过率面积为1.12 m²,单碟平均处理水量为212 m³/d,最大处理量424 m³/d。滤布滤池中试设备反冲洗排泥泵的功率1.5 kW,流量14.76 m³/h,扬程为6.7 m。
污水处理厂二级出水经过絮凝反应池,同时絮凝剂也通过计量泵输送至该反应器,搅拌使污水与药剂充分混合,进水磷酸盐在絮凝剂的作用下在反应器中完成微絮凝过程。絮凝池出水重力自流进入滤布滤池,微絮凝反应时间为20 s,絮凝搅拌转速130 r/min,滤布滤池过滤后经转子流量计计量后出水。滤布滤池设置的过滤高程为0.3 m,反冲洗时间为1 min,每3次冲洗滤布后系统自动排泥一次,排泥时间为1 min。


1.2　实验水质
为了考察滤布滤池的过滤特性,选择南方某城市2个污水处理厂的二级出水为原水,其中污水一厂采用具有脱氮除磷功能的MUCT工艺,污水二厂为三沟式氧化沟处理工艺。在污水处理厂出水口进行深度处理中试试验,城市污水处理厂出水见表1。可见污水一厂的出水水质指标中的TP、氨氮、TN等指标均优于污水二厂。


1.3　分析方法
本研究的分析项目有:浊度、TP、COD和TN。浊度采用HACH公司的2100P便携式浊度计测量,其他水质指标根据国家环保局组织编写的《水和废水监测分析方法》进行检测。
1.4　试验过程
由于不同絮凝剂的混凝特性不同,本试验首先采用烧杯实验对氯化铁、聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铝铁(PAFC)、硫酸亚铁和聚合硫酸铁等5种药剂进行筛选,确定了国内外广泛采用FeCl3絮凝剂[4],进行微絮凝-滤布滤池过滤效果研究。
针对污水处理厂的二级污水,分别对不同投药量对滤布滤池系统进行中试试验,研究其对污染物的去除规律。还对18、23和28 m³/h 3种不同过滤流量的运行参数进行研究。
2　试验结果与分析
2. 1　TP的去除效果和投药量的控制
精确控制投药是微絮凝过滤工艺运行好坏的关键,直接影响到磷的去除率和整个过滤过程的运行周期[4]。图3是在不同的氯化铁投量(分别为0、3、5、7和9 mg/L)下,滤布滤池运行水量为28 m³/h下,滤布滤池工艺对TP的去除效果。

可以看出,滤布滤池系统在不投加药剂的条件下主要是去除二级出水中的颗粒态的TP,此时对TP的去除率约为10%。投加药剂后,在污水一厂滤布滤池系统对TP去除率为27% ~53%,在污水二厂的去除率为18% ~56%,且对TP的去除率随絮凝剂投量的增加而提高。这是因为污水处理厂二级出水中的TP以溶解态的磷酸盐为主,并能与铁盐絮凝剂发生化学反应而产生沉淀所致。由图3还可看出,对于污水一厂当氯化铁投量为5 mg/L后,去除率的上升幅度减缓,此时出水TP的平均浓度为0.25 mg/L,出水TP已经较低。污水二厂的出水TP较高,当氯化铁投量为5 mg/L后,由于投药量不足,导致系统对TP去除率的提高不显著,当药剂投加量增加到9 mg/L,TP去除率的显著提高。
2.2　投药量对浊度去除的影响
不同加药量下滤布滤池系统对浊度的去除效果如图4所示。

从图4可以看出,在不投药时,滤布滤池系统对浊度的去除不明显。投加药剂后,当滤布滤池对浊度去除率明显上升。对于污水一厂,当氯化铁投加量为5 mg/L时,滤布滤池对浊度去除率最高,达到32%,再继续提高药剂投加量,浊度去除率反而略有下降,这是由于滤布滤池系统进水的TP较低,铁盐的消耗较少,而铁盐带有的色度引起了浊度升高。
为了保证浊度的去除,氯化铁投加量应该为3~5 mg/L。在污水二厂,由于TP和浊度较高,滤布滤池对浊度的去除率高于污水一厂,对铁盐的消耗也较大,药剂的最优投加点出现在7 mg/L。
2. 3　投药量对TN和COD去除效果的影响
由图5和图6可以看出,在投加药剂的条件下,滤布滤池系统对COD的去除率为6.5% ~18%,对TN的去除率为3% ~18%。这是因为污水处理厂二级出水中可溶性COD为有机物的主要形态,而溶解性COD不能与铁离子生成沉淀[5],故系统对COD的去除效果受絮凝剂投量的影响较小。由于滤布滤池系统的水力停留时间很短(小于5 min),在滤布滤池内没有发生硝化、反硝化等过程,因此对TN的去除率很低。

2.4　投药量对滤布滤池运行周期的影响不同加药量下滤布滤池系统反冲洗频率的影响如图7所示。
图7的反冲洗频率增长曲线表明:随着氯化铁投药量加大,在TP去除率增加的同时,过滤周期缩短。这可能是由于当药剂投加量增加时,氯化铁混凝剂通过水解聚合生成氢氧化铁沉淀,通过絮凝作用去除颗粒态的污染物。随着投药的增加,反应产生的颗粒污染物也增加,导致滤布滤池的水头损失增长也明显加快。对于污水一厂,当投药量超过7 mg/L以后,反冲洗频率增长减缓。当投加量太大(9 mg/L)时,超过了反应所需要的铁盐,因此导致反冲洗频率增加减缓。在过滤高程为0.3 m的条件下,当氯化铁投药量为5 mg/L时,反冲洗频率为56次/d,约为26 min/次,具有较好的实际应用意义。
如果再提高投药量时,水头增长过快,周期过短,引起运行费用提高。

由于污水二厂出水的TP浓度较高,随着投药量的增加,反冲洗频率上升很快,当药剂投加量达到7 mg/L,反冲洗频率为130次,约为11 min/次。说明了滤布滤池毕竟是一种表面过滤技术,与常用的深层滤料过滤技术相比,纳污能力较差,能够承受的固体负荷较低。
2.5　运行水量对滤布滤池运行周期的影响在过滤高程为0.3 m条件下,药剂投加量为5 mg/L的条件下,不同运行水量下滤布滤池系统反冲洗频率的影响如图8所示。

可以看出,随着运行水量的加大,滤布滤池的水头增长也加快,过滤周期明显缩短,而且反冲洗频率与运行水量成线性增长的关系。这是由于滤布滤池过滤为表面过滤中的重力过滤,主要过滤原理是滤布截留颗粒物后形成的滤饼过滤,增加运行水量使截留在滤布表面的滤饼形成速度增加,滤饼层增厚,引起反冲洗频率的上升。
3　结　论
(1)采用滤布滤池工艺能有效去除水中TP,TP的去除率随絮凝剂投量的增加而提高,对TP的去除率超过50%,同时对浊度也有较好去除效果,但是对TN和COD的去除效果不佳。
(2)控制合适的投药量和运行水量是微絮凝-滤布滤池工艺运行的关键,反冲洗频率随投药量增加而增加,与运行水量呈线性关系。
(3)将其作为城市污水处理厂二级出水的除磷和进一步提高水质的后续深度处理单元,具有高程损失小、自动化程度高和节省占地面积等优点,是一种经济可行的工艺过程。