接续A2O的气浮过滤污水深度处理工艺研究

杨 墨，田中凯，邓 涛，杜 敬，刘 毛，王旭峰，车 晖

(1. 中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430010；2. 武汉市城市排水发展有限公司，武汉 430010；3. 武汉大学土木建筑工程学院，武汉 430072)

根据《水污染防治行动计划》关于“强化城镇生活污染治理。加快城镇污水处理设施建设与改造。现有城镇污水处理设施，要因地制宜进行改造，2020年底前达到相应排放标准或再生利用要求。敏感区域(重点湖泊、重点水库、近岸海域汇水区域)城镇污水处理设施应于2017年底前达到一级A排放标准。建成区水体水质达不到地表水Ⅳ类标准的城市，新建城镇污水处理设施要执行一级A排放标准”的要求，我国城镇污水处理厂升级改造工程迫在眉睫[1]。在此背景下，本文探究了混凝-溶气气浮-过滤工艺在城市生活污水深度处理方面的可行性，以武汉市某污水处理厂A2O工艺二沉池出水为原水，进行了混凝-溶气气浮-过滤深度处理工艺中试研究，并对分流比、加药量及表面负荷三个重要影响因素进行了三因素三水平正交实验，同时进行了9 d的连续流实验，得到了具有重要参考价值的实验结果，有助于混凝-溶气气浮-过滤工艺在污水深度处理方面的实际推广应用。

1 混凝-溶气气浮-过滤工艺

气浮工艺是利用微气泡与目标去除物及其聚合体结合，形成夹气絮体。夹气絮体在浮力的作用下上浮到液相表面形成稳定的浮渣层，并最终伴随浮渣层的去除从液相主体中分离[2]。与沉淀工艺相比，气浮工艺尤其适用于低密度分散悬浮物，在同等水量下所需药剂量较少[3]。自20世纪70年代以来，气浮工艺已较成熟地应用于城市给水处理[4]、湖泊等高藻类水体处理[5]，同时在炼油、造纸、印染、电力、电镀、化工、化纤、毛纺、皮革、电泳漆、食品、机械等行业废水处理领域也有广泛应用[6-8]，用于城市生活污水深度处理的研究并不多。

生活污水经过二级处理后, 水中多为粒径小、密度低的杂质, 由它们与微气泡形成的夹气絮体密度小, 便于上浮, 适于

采用气浮工艺进行处理[9]。本文研究的混凝-溶气气浮-过滤工艺流程如图 1所示：大部分原水与混凝剂混合，进入絮凝池进行絮凝反应，小部分原水进入溶气罐与空气混合形成溶气水，在气浮池接触区原水与溶气水混合后进入分离区，附着污染物的微气泡上浮形成浮渣层，净化后的水由底部的集水系统收集后排出。取一部分气浮净化后的水，接入过滤设备过滤。

图1 混凝-溶气气浮-过滤工艺流程图Fig.1 The flow chart of coagulation-dissolved air flotation-filtration process

2 材料与方法

2.1 主要材料、试剂与仪器

原水：武汉市某污水处理厂A2O工艺二沉池出水，具体水质参数如表1所示。

絮凝剂：液态聚合硫酸铝铁(PAFS)，采用污水处理厂储药池内浓度为200 g/L原液配制。

表1 原水水质Tab.1 Raw water quality

主要检测指标为浊度、COD及TP。其中COD测定采用HACH COD预制试剂(0.7～40 mg/L)，TP采用HACH TP预制试剂(0.06～3.5 mg/L)，浊度测定采用HACH DP2100便携式浊度仪。

仪器：HACH DRB200消解仪，HACH DR2800便携式分光光度计，HACH DP2100便携式浊度仪。

2.2 中试模型及运行参数

混凝气浮一体化中试装置分为絮凝区、接触区、分离区与集水区4部分，有效容积9.0 m3，设计处理能力18 m3/h，气浮池水力停留时间15 min。溶气罐压力设定为0.25～0.35 MPa，罐内填充空心塑料球。部分气浮池出水引入到一套小型过滤装置进行砂滤处理，采用恒流量过滤方式，滤池设计滤速10 m/h，滤池反冲洗周期24 h，滤柱D×H=0.1 m×2.7 m，滤料采用石英砂，高1 000 mm。混凝-溶气气浮-过滤装置如图 2所示。

图2 中试模型图Fig.2 Pilot model diagram

2.3 实验方案

2.3.1 正交实验

气浮工艺处理高藻、低温低浊、有天然色度、腐殖质含量较高等水质，影响应用效果的因素包括原水条件、混凝条件、絮凝条件、表面负荷、分流比、气浮池的形式和尺寸、脱气系统、循环系统和排渣方式[10]。研究表明混凝预处理效果、微气泡尺寸以及气浮池水力特征对气浮净水效果有重要影响[11]，故在本次污水深度处理中试研究试验中，主要研究加药量、分流比、表面负荷3个重要因素对气浮实验效果的影响程度，各因素的水平见表 2，故按照三因素三水平正交实验设计表共有9组实验，具体分配结果见表4。

2.3.2 连续运行实验

在正常工作条件下，调节影响因素的不同水平进行连续试验，运行参数如表 3所示，每个工况连续运行24 h，取装置连续运行2 h出水水样(始)和连续运行24 h出水水样(终)进行检测。

表2 各因素的水平列表Tab.2 List of factors’ levels

表3 连续运行参数表Tab.3 List of continuous operation parameter

3 结果与讨论

3.1 正交实验结果

按照三因素三水平正交实验设计表(L9)进行实验，实验结果见表 4。利用Excel软件对表 4中数据进行处理，得到因素加药量、分流比、表面负荷对浊度、COD及总磷的去除效果影响，如表5～表7所示。

表 4 三因素三水平正交实验分配及结果Tab.4 Disposition and results of orthogonal experimental design L9 (33)

由表 5可知，对于气浮池出水浊度来说，分流比因素的极差R为0.55，加药量因素的极差R为4.39，表面负荷因素的极差R为1.25，各因素对浊度去除效果影响大小顺序为加药量>表面负荷>分流比。由表 6可知，对于气浮池出水COD来说，

表5 浊度去除率 %

表6 COD去除率 %

表7 总磷去除率 %

分流比因素的极差R为3.37，加药量因素的极差R为8.07，表面负荷因素的极差R为0.25，各因素对COD去除率影响大小顺序为加药量>分流比>表面负荷。由表 7可知，对于气浮池出水TP来说，分流比因素的极差R为0.19，加药量因素的极差R为2.04，表面负荷因素的极差R为0.51，各因素对TP去除效果影响大小顺序为加药量>表面负荷>分流比。综上可知，加药量对浊度、COD、总磷去除效果影响均最为显著，在工艺应用中应重点考虑加药量的取值。

从实验结果来看，加药量对出水浊度、COD和TP的去除效果影响最大，同时由表5～表7可知，加药量越大，去除效果越好，但加药量由5 m/L增加至10 mg/L时，COD指标去除率增幅达20%以上，其他指标略微增加，加药量由10 m/L增加至15 mg/L时，各指标去除率都只增加2%～4%，从效果经济两方面衡量，最佳投药量可取10 mg/L。同样可以看到在不同分流比条件下，浊度和总磷去除率变化不大，而当分流比由8%增加至12%时，COD去除率增加了10%，由12%继续增加至16%时，COD去除率又略微减小，可能是分流比太少时溶气水流量太少，降低气浮效果，而当分流比太大时，进入溶气罐的原水量大，且未经混凝处理，也会导致去除率变小，所以最佳分流比建议取值12%。而对于表面负荷来说，其对各指标的去除效果比较稳定，而在实际工程中，表面负荷越大，占地越小，所以推荐表面负荷11.11 m3/(m2·h)。

3.2 连续运行实验结果

连续运行实验出水浊度、COD及TP分别如图3～图5所示。由图 3可知，尽管原水浊度不断波动，气浮池出水浊度始终低于1 NTU，相同工况下连续运行24 h(图中“终”)出水浊度略微大于连续运行2 h(图中“始”)出水浊度，其原因是排渣周期过长，泥渣层过厚，一部分浮渣随出水流出使得浊度增大。滤池出水小于0.5 NTU，且相对稳定，“始”与“终”差别不大，且不同工况之间差别也不大。原水浊度发生波动时，气浮池与滤池出水浊度相对稳定，这一现象表明分流比和加药量的小幅波动对本工艺出水浊度影响不大，本工艺具有一定的抗冲击负荷能力且工艺参数具有一定的可调性。

由图 4可知，本工艺对COD的去除效果好且运行稳定，连续运行条件下，气浮池与滤池出水COD值在10 mg/L上下浮动，低于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅱ类水体COD限值。气浮工艺能去除大部分的COD而过滤对COD基本没有去除效果，大部分“终”出水COD要略大于“始”出水COD，其原因同样与泥渣排除不及时有关。

由图 5可知，连续运行条件下，原水TP在0.2～0.4 mg/L之间波动，而本工艺气浮池出水TP大部分低于0.1 mg/L，滤池出水低于0.05 mg/L，低于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类水体TP限值。“终”出水TP要略大于“始”出水TP，其原因与浊度情况类似，且出水TP浓度随着加药量增加而减少。

综上可知，混凝-溶气气浮-过滤工艺在污水深度处理连续运行时，即使原水水质发生波动也具有非常好的稳定性，适合于工程应用推广，但应注意气浮池排渣周期不能太长，否则会导致气浮池出水效果变差。

图3 出水浊度图Fig.3 Turbidity diagram of effluent

图4 出水COD图Fig.4 COD concentration diagram of effluent

图5 出水TP图Fig.5 TP concentration diagram of effluent

3.3 运行成本分析

以表面负荷11.11 m3/(m2·h)、加药量10 mg/L、分流比12%的推荐最佳工况为条件来分析气浮工艺运行费用。

在工程应用中，进水一般通过水位高程设计来实现，可不用单独提升，因此本工艺主要运行设备有溶气水泵和空气压缩机。溶气水泵扬程按30 m计算，空气压缩机功率为3 kW，开启时间按每小时6 min计算，则总电耗为每小时0.543 kWh，电费单价按武汉市工业类电价0.95 元/kWh计算，则每小时电费为0.516 元，单位水处理电耗为0.026 元/m3。混凝剂按污水处理厂购买价1 200 元/t计算，则单位水处理药剂费为0.012 元/m3。故在只考虑电费和药剂费的情况下，本工艺单位水处理成本为0.039 元/m3。

4 结 语

(1)对气浮池而言，加药量对气浮池出水浊度的去除效果影响最大、分流比对浊度去除效果影响最小；加药量对气浮池出水COD的去除效果影响最大、表面负荷池对COD去除效果影响最小；加药量对气浮池出水TP的去除效果影响最大，分流比和表面负荷对TP去除效果均较小。

(2)综合考虑处理效果和经济两方面的约束，确定在本实验条件下，工艺最佳运行条件为表面负荷11.11 m3/(m2·h)、加药量10 mg/L、分流比12%。同时在最佳运行条件下，只考虑电费和药剂费的单位水处理成本为0.039 元/m3。

(3)在固定表面负荷10 m3/(m2·h)条件下进行连续运行实验，改变加药量与表面负荷的条件，工艺出水监测指标稳定。气浮池出水浊度始终低于1 NTU，滤池出水浊度低于0.5 NTU；气浮池与滤池出水COD浓度在10 mg/L上下小幅浮动，低于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅱ类水体COD限值；出水TP大部分低于0.1 mg/L，滤池出水低于0.05 mg/L，低于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类水体TP限值。

(4)从正交试验中可看出加药量对工艺出水浊度、COD和TP的去除效果影响均最大，若在工程实际应用时，应对加药量取值进行进一步的实验优选。从连续运行实验可以看出工艺在原水水质波动时浊度、COD、总磷指标都很

低，且各项出水指标都很稳定，说明本工艺有非常好的工程应用前景。

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参考文献：

[1] 石效卷，李 璐，张 涛. 水十条 水实条----对《水污染防治行动计划》的解读[J]. 环境保护科学, 2015,(3):1-3.

[2] 王毅力，汤鸿霄. 气浮净水技术研究及进展[J]. 环境科学进展, 1999,(6):94-103.

[3] 陈翼孙. 气浮净水技术[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 1991:63-67.

[4] 王静超，马 军，王静海. 气浮净水技术在给水处理中的应用及研究概况[J]. 工业水处理, 2004,(7):9-12.

[5] 袁 俊，朱光灿，吕锡武. 气浮除藻工艺的比较及影响因素[J]. 净水技术, 2012,(6):25-28.

[6] 田 葳. 加压溶气气浮工艺处理钢厂废水[J]. 煤炭技术, 2010,(1):201-203.

[7] 康万利，张黎明，杜会颖，等. 气浮法处理油田污水进展[J]. 应用化工, 2012,(12):2 147-2 149.

[8] 夏沈阳，李 孟，闫爱萍，等. 浅层气浮-吸附再生-氧化沟工艺处理再生纸废水工程[J]. 给水排水, 2014,(11):42-44.

[9] 朱兆亮，曹相生，孟雪征，等. 气浮净水工艺述评[J]. 环境科学与技术, 2008,(8):55-58.

[10] 张 声，刘 洋，谢曙光，等. 溶气气浮工艺在给水处理中的应用[J]. 中国给水排水, 2003,(8):26-29.

[11] 王静超，马 军，韩宏大. 探讨气浮工艺的若干技术参数[J]. 中国给水排水, 2004,(6):22-24.