秦菲菲
(交通运输部天津水运工程科学研究所 天津 300456)
淡水资源日趋短缺,而需水量不断增长,许多缺水城市和地区无新的水源可开发利用,将雨水、废水收集处理后予以回收和再用,已成为许多缺水城市或地区的重要资源之一[1-2]。本课题结合码头堆场“硬化路面广,雨水利用率高”的特性开展雨水处理与回用研究,以期为类似区域雨水回用资源化提供一条较为合理、切实可行的方法与途径。
混凝沉淀法反应快、絮凝沉淀时间短、处理效果显著,操作简单,因而在含油废水处理中广泛应用[3-4]。实验室试研究表明,聚合氯化铝铁和聚合氯化铝对天津港某堆场雨水处理效果比较明显。综合考虑吨水成本,本试验选用聚合氯化铝作为混凝剂。
在常规混凝条件下,少量的混凝剂无法将该水体中胶体颗粒脱稳,只有通过增加混凝剂的加入量,破坏胶体颗粒表面的有机涂层,降低胶体颗粒表面负电荷和双电层排斥作用,减小颗粒间的空间阻碍,达到有利于颗粒间的碰撞效果,才能使水中的胶体颗粒易于脱稳,从而有效去除水体的污染物。
取6个1 000mL烧杯并注入1 000mL原水,调节水样pH值为7左右,分别加入聚合氯化铝15,25,35,45mg/L,每次加药后快速搅拌1min,搅拌强度为300r/min,中速搅拌10min,搅拌强度为100r/min,慢速搅拌10min,搅拌强度为50r/min,静置25min后,在水面下2~3cm处取上层清液测定COD和SS。实验结果表明,随着聚合氯化铝投加量的增加,处理后水样的COD和SS含量均逐渐降低,当聚合氯化铝的加入量大于35mg/L时,COD去除率较高,SS降低明显。考虑到药剂投加量的经济性,选择药剂的最佳投加量为35mg/L。
在实际工程应用中,通常原水投加定量混凝剂后,在管式静态混合器中充分混合,此过程相当于混凝试验的快速搅拌。为了便于在实际过程中的应用,工程中通常将搅拌过程分为快速混合和慢速搅拌2个阶段。其中快速搅拌在管式静态混合器中完成,本文主要探讨慢速搅拌强度对混凝过程的影响。
取原水调节pH值为7,投加35mg/L的聚合氯化铝,在300r/min条件下,剧烈搅拌混合1min,在不同的搅拌强度下慢速搅拌15min,静沉30min后,在水面下2~3cm处取上清液测定SS,试验结果见表1。
表1 搅拌强度的确定
搅拌强度对混凝反应过程影响较大,选择合理的搅拌强度,将促进微粒间的接触碰撞,提高混凝效果,有利于矾花的充分生成及絮体的沉降。由表1可见,在搅拌强度为90r/min下,处理后SS最低;因而对于本试验而言,搅拌强度选择90 r/min为宜。
在确定搅拌强度的前提下,采用不同的搅拌时间,其他条件不变的条件下,测定处理后水样的SS(见表2)。搅拌时间对于混凝反应的充分程度有直接的影响,搅拌时间过短,混凝反应不充分,絮体间的碰撞几率小,因而产生的矾花细小且松散;过长的搅拌时间可能会破坏已形成或沉降的絮体结构,还增加了搅拌能耗。综上试验结果,搅拌时间取15min为宜。
表2 搅拌时间的确定
综上试验结果,最佳混凝条件见表3。
表3 最佳混凝试验条件
臭氧(O3)是一种强氧化剂。臭氧氧化法与常规水处理方法比较具有显著的特点,如对于生物难降解物质处理效果好、降解速度快、占地面积小、自动化程度高、无二次污染、浮渣和污泥产生量较少,同时具有杀菌、脱色、防垢等作用[5]。由于雨水对地面的冲刷,收集的雨水中COD含量较高,因此在实验室采用混凝沉淀-臭氧氧化-活性炭吸附联合工艺进行处理。试验中,根据混凝试验结果,预先对原水进行混凝处理,PAC投加量为35mg/L,PAM 投加量为3mg/L。混凝出水进入臭氧反应器,通入臭氧质量浓度分别为75,100,150,200和250mg/L,接触时间分别为20,40和60min,试验结果见表4。
表4 臭氧对COD处理效果
由表4可见,随着臭氧质量浓度的增加,出水COD大致呈下降趋势,但其最大去除率稳定在30%左右,这与以往的工程经验有很好的吻合性,也表明单纯的增加臭氧质量浓度和接触时间是无效的。这是因为,废水中存在一些不能被臭氧氧化的物质,为此,拟进一步考察臭氧与活性炭联用的效果。
但是需要注意的是,加大臭氧的质量浓度必然导致吨水处理成本增加、能耗增加。因此仍然采用低质量浓度的臭氧投加量,以节约能耗和投资。臭氧投加后COD升高,但可生化性相应提高,有利于后续工艺进一步去除COD。从工程适用性角度考虑,确定臭氧氧化技术参数为:臭氧投加质量浓度为75mg/L,接触时间为40min。
活性炭是一种由含炭材料制成的外观呈黑色,内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料[6]。本次试验拟采用天昌(天津)活性炭有限公司生产的 WTMF-1型净水炭。
本组试验中,采用臭氧氧化出水为试验用水,臭氧投加质量浓度为75mg/L,接触时间为40 min。出水再经过活性炭过滤柱,根据类似的工程经验,接触时间定为15,30,45和60min。实验结果见表5,可以发现在接触时间60min时,反应器对各项污染物的去除效果最好。
表5 臭氧活性炭联用对COD去除的影响
采用臭氧投加浓度为75mg/L,接触时间为40min;活性炭过滤柱接触时间45min,对某一次实际降水进行污染物处理,结果见表6,可以发现SS得到了非常好的去除效果。
表6 臭氧活性炭联用对某一次实际降水污染物的去除
码头堆场雨水经过一级处理后,如何资源化利用,是迫切需要解决的问题。目前中国水运中,大宗的散货货种是煤炭、矿粉。由于装卸、运输起尘造成煤尘、矿粉尘污染环境,使粉尘的污染防治成为港口码头的主要环境问题。目前最常用的煤尘污染防治技术是湿法除尘法,即向堆场喷洒水除尘。除尘水源则成为港口粉尘污染防治中最重要的物资条件。如果能用处理后的雨水或其他非常规水资源除尘,一方面使水资源化,变废为宝,减轻水环境污染负荷,提高水资源的重复利用率,另一方面港口码头开发了除尘水源,降低了用水成本,保证了除尘设施的正常使用,提高了除尘的功效,特别是对于中国北方水资源缺乏的港口城市,具有重要的意义。
港口煤炭除尘用水是交通行业的特殊用水,对除尘用水的水质应满足下列要求。
(1)不影响煤炭、矿粉质量。
(2)不影响除尘设施的寿命。
(3)不破坏环境质量。
(4)不损坏运输船舶和其他机具设备。
实际应用中,重点是考虑水中的氯化物含量对煤炭、矿粉质量的影响,以及对除尘设施和运输船舶等机具的腐蚀。由于雨水处理后氯化物含量较低,可以忽略不计。
由于目前港口码头中水产水规模较小,尚未有管网覆盖。当有湿式除尘、绿化、洗舱等需求时,常用罐车进行装载、运输、高压排出,同样需要管网系统的构建。
(1)本文采用混凝沉淀-臭氧氧化-活性炭吸附联合工艺对码头堆场雨水进行处理。
(2)采用混凝沉淀对码头堆场雨水进行预处理,选用聚合氯化铝(PAC)为混凝剂,投加量为35mg/L,调节pH值为7在300r/min条件下,剧烈搅拌混合1min,90r/min慢速搅拌15min,静沉30min后,出水进入臭氧氧化工段。
(3)臭氧氧化工段运行条件为:臭氧投加浓度75mg/L,接触时间40min;出水进入活性炭吸附柱。活性炭吸附工段,接触时间控制在45 min。采用上述处理工艺对天津港某码头堆场某一次实际降水进行污染物处理,效果显著。
(4)雨水处理后氯化物含量较低,可以忽略水中的氯化物含量对煤炭、矿粉质量的影响,以及对除尘设施和运输船舶等机具的腐蚀。但由于目前港口码头中水产水规模较小,尚未有管网覆盖。当有湿式除尘、绿化、洗舱等需求时,仍需用罐车进行装载、运输、高压排出。
[1] 尚海涛,杨 琦,康家伟,等.混凝-吸附法深度处理城市生活污水再生利用的中试研究[J].给水排水,2010(S1):177-180.
[2] 初江涛.港口含油废水深度处理回用工程的设计与运行[J].水道港口,2013,34(S2):154-157.
[3] 韩剑宏,于玲红,张克峰.中水回用技术及工程实例[M]北京:化学工业出版社,2004.
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[6] 王 晓.过滤吸附在中水回用处理中的应用研究[D].青岛:青岛理工大学,2010.