快速纤维过滤技术处理合流制溢流试验研究

易 莹 ,王知兵 ,周艳伟 ,千种健理 ,葛乐乐

(1.中国电器科学研究院股份有限公司,广东 广州 510300;2.日立造船株式会社,日本 东京 1 400013)

随着我国城市化程度提高,城市规模不断扩大,不透水下垫层面积迅速增长,降雨排水对城市排水系统的依赖度越来越高。我国大部分城镇老城区保留了大面积雨污合流制排水系统或存在分流制混接错接污水,雨季常出现溢流现象[1]。溢流中包含管道沉积物、地表雨水径流、生活污水等,携带大量固体污染物,导致初期溢流雨污水污染远高于正常排放的污水,未经处理排入受纳水体,会严重影响城市水环境,导致水体黑臭,危害公共卫生安全[2-5]。除了源头治理、过程控制,选择适宜的、高效的治理技术也是控制污染的必要途径,但国内相关应用技术研究较少。

日本在雨污水污染控制和治理等方面成效显著,比如在泵站或污水处理厂等中间或末端节点采用溢流处理专用快速过滤技术来处理雨污水,东京几乎所有污水处理厂都已经应用该技术[6]。该技术采用轻质滤料,滤料可悬浮于水中,污水以上向流的方式通过滤层,污染物被滤料截留。快速纤维过滤技术采用特殊加工的颗粒多孔纤维滤料,该滤料兼具颗粒滤料比表面积大以及纤维滤料质量轻的优点,因此该技术滤速快,污染物去除效果好,同时水头损失小。相较于混凝沉淀的处理方式,该技术一般无需加药,来水即启动,占地面积小,可适用于污水处理厂、泵站等场所。因此,本研究开展快速过滤技术处理合流制溢流的中试研究,考察该技术处理效果和技术可行性,以期为合流制溢流污染治理提供一种新的解决方案。

1 材料和方法

1.1 试验地点

中试装置设置于南方某污水处理厂。该污水处理厂一期于2003 年投入运行,纳污范围为城市已建成区,排水体制为雨污合流制,在雨季时产生的大量溢流,会携带大量固体污染物,极大地增加了污水处理厂的处理压力。试验进水为污水处理厂沉砂池出水。由于溢流初期效应明显[7-8],初期固体悬浮物污染物较高,因此选择连续运行5～6 h 考察处理效果。

1.2 中试试验装置

上向流纤维过滤中试装置1 套,滤料层厚度0.5 m,设计处理能力1 000 m3/d,装机功率约7 kW;含进水泵一台。中试装置包括进水稳流区、预处理区和过滤区。滤料为颗粒状轻质多孔滤料,滤料直径为8 mm,长度为8 mm,密度略小于1.0 g/cm3,具有比表面积大和滤料轻的优点。当雨污水自下而上通过滤层时,滤料层随液位上升而上升。

图1 试验工艺流程

图2 中试装置现场

图3 中试装置使用滤料

1.3 水样情况

分别在晴天和降雨时进行中试装置连续试验,定时对中试装置进水和出水进行取样分析,每次取样量为1 L。晴天进水采样组为S1 组和S2组,其他采样组均为降雨产生溢流时进水采样分析。

进水混合样:将每组的每次进水水样分别取100 mL 混合均匀。出水混合样:将每组的每次出水水样分别取100 mL 混合均匀。

1.4 试验方法

1.4.1 SS 粒径分布

采用孔径为2 mm、1.0 mm、0.5 mm、0.2 mm、0.1 mm、0.045 mm、0.025 mm 的不锈钢标准网筛以及孔径为0.45 μm 的微孔滤膜对中试装置混合进水和混合出水进行过滤,然后用蒸馏水对筛网进行反冲,测定原水和出水在不同粒径范围的颗粒物质量。

1.4.2 水样的COD 浓度和SS 浓度

对所取混合水样直接测定COD 浓度值和SS浓度值。

1.4.3 非溶解性COD 浓度

用0.45 μm 尼龙过滤膜对混合进水和混合出水水样进行过滤,分析过滤后水样中COD 浓度,从而得到非溶解性COD 浓度。

1.4.4 水头损失

通过连续监测中试装置液位变化,根据初始液位值和运行时液位值,换算得到装置的水头损失变化。

1.4.5 水质分析方法

SS:重量法。COD:快速消解法,测试仪器为DR900(哈希,美国)。

1.5 处理效果表示方法

通过记录每次降雨的进水和出水SS 浓度情况,来获得SS 负荷去除率(累积去除率)。进水和出水污染物总负荷量和负荷去除率的计算公式如下:

式中:TL——污染物总负荷量,kg;Ctn——tn时的污染物浓度,mg/L;Q——处理水量,m3/h;tn——运行时间,min;η——污染物负荷去除率,%;OTL——出水总负荷量,kg;ITL——进水总负荷量,kg。

2 结果与讨论

2.1 合流制溢流水质特点

晴天时和降雨产生溢流时中试装置进水SS和COD 水质情况如图4 和图5 所示。可以看出,晴天S1 组和S2 组的进水SS 浓度范围为160～360 mg/L,COD 浓度范围为200～400 mg/L,SS浓度值一般低于COD 浓度值。降雨产生溢流时,进水中悬浮污染物浓度较高,如图5 中R1 组和R2 组情况,最高时超过900 mg/L,而且SS 浓度值常高于COD 浓度值,波动范围大。如果直接进入污水处理厂进行处理,可能会对污水处理厂原有工艺造成冲击。

图4 晴天时进水SS 和COD 浓度变化

图5 产生溢流时进水SS 和COD 浓度变化

S1 组和S2 组进水混合水样中,非溶解性COD浓度与水样的COD 浓度的比值分别为39.29%和43.37%;R1 组和R2 组进水混合样中,非溶解性COD浓度与水样的COD 浓度的比值分别为77.92%和79.57%,同时进水COD 浓度与SS 浓度呈现正相关的特点。这可能是由于存在大量非溶解态的COD吸附于SS 颗粒表面[3]。如果将固体悬浮物有效去除,可以大幅降低污水中的有机负荷。因此采用过滤方法处理合流制溢流,不仅可以去除SS,对SS 携带的COD 也有较好的去除效果。

2.2 滤速对处理效果的影响

滤速是影响过滤工艺处理效果的重要因素。选择25 m/h、20.83 m/h、16.67 m/h、12.5 m/h 滤速进行连续运行试验,比较不同过滤速度下,中试装置对SS 负荷的去除率,结果如表1 所示。随着滤速增加,去除效果有所下降。滤速不超过20.83 m/h 时,SS 负荷去除率大于60%。过滤装置处理出水会随进水水质的波动而波动,在固体污染物浓度高时,去除率反而较高。滤速为20.83 m/h,进水SS 和COD 浓度分别为576 mg/L 和351 mg/L时,去除率分别为92.62%和77.49%,可能是SS浓度高时,主要受降雨影响冲刷携带的悬浮物较多,挤压滤料层使得间隙更小,颗粒物更易被截留。兼顾处理量和去除率,后续试验采用20.83 m/h 的过滤速度。

表1 不同滤速下SS 负荷去除率

2.3 对SS 的去除效果

滤速为20.83 m/h 时,中试装置对溢流雨污水的SS 的去除情况如图6 所示。可以看出,当进水SS 浓度越高,中试装置的SS 去除率越高;随着时间推移,进水初期效应降低,SS 浓度降低,SS 去除效果也有所下降。R2 组和R3 组进水的SS 负荷去除率分别为67.64%和69.76%。晴天时中试装置对SS 的负荷去除率为40%左右。中试装置对合流制溢流的SS 去除效果明显优于晴天时生活污水情况。

图6 中试装置连续运行时对溢流进水中SS 的去除情况(R2、R3 组)

2.4 不同粒径的SS 去除效果

S1、R1、R3 组进水混合水样中大于2.0 mm 粒径的悬浮固体未检出,可能是由于经过污水沉砂池后,较大粒径泥沙等固体物质被预去除。粒径小于0.1 mm 的悬浮固体质量分数基本在95%以上。降雨时两组混合样的去除率大于60%。中试装置对粒径大于0.5 mm 的悬浮固体去除率基本为100%;粒径范围分别在0.1～0.2 mm、0.045～0.1 mm 的悬浮物去除效果也较好,最高可达83.1%;对于粒径小于0.025 mm 的悬浮物去除率,降雨时比晴天时高,可能是溢流中悬浮物浓度高,滤料层被挤压,滤层孔隙更小,颗粒物更易被拦截和吸附。

图7 不同粒径的固体悬浮物质去除情况(S1、R1、R3 组的进水、出水混合样)

2.5 水头损失

试验装置的水头损失情况如图8 所示。由图8 可以看出,即使进水含有较高的SS,过滤过程中的过滤阻力一直处于较低值。当过滤速度为20.83 m/h 时,中试装置的水头损失基本在0～0.5 kPa 范围波动。而且随运行时间的累积,水头损失仍然不超过1 kPa。在进水流量保持不变的前提下,过滤过程中悬浮物的截留是过滤装置水头损失增加的主要原因。本试验过程中,水头损失与进水悬浮物浓度并不呈明显的正比关系。这可能与本试验所使用滤料孔隙率大且形状系数小有关[9];同时该颗粒滤料密度小,在过滤过程中呈悬浮状态,也有助于减缓过滤过程中水头损失的累积。

图8 中试装置进水SS 浓度和水头损失变化情况(R2、R3 组)

3 结语

(1)产生溢流期间,进水SS 浓度值常高于COD 浓度值,与晴天生活污水水质情况相反,且SS 浓度波动范围大。进水混合水样的非溶解性COD 浓度约为总COD 浓度的73.08%～90.0%,同时溢流进水COD 浓度与SS 浓度呈现出了正相关的特点。

(2)中试装置处理出水随进水水质的波动而波动。滤速不超过20.83 m/h 时,SS 负荷去除率大于60%;为了获得较高的处理量和良好的去除率,后续中试试验过滤速度不宜超过20.83 m/h。在固体污染物浓度高时,去除率反而较高,滤速为20.83 m/h,进水SS 和COD 浓度分别为576 mg/L和351 mg/L 时,去除率分别为92.62%和77.49%。

(3)当进水SS 浓度越高,中试装置的SS 去除率越高,随着时间推移,溢流污水初期效应降低,SS 去除效果会有所下降。R2 组和R3 组进水的负荷去除率分别为67.64%和69.76%。

(4)进水中悬浮固体粒径较小,粒径小于0.1 mm 的悬浮固体质量分数基本在95%以上。粒径大于0.5 mm 的悬浮固体去除率基本为100%,粒径范围分别在0.1～0.2 mm、0.045～0.1 mm 的悬浮物去除效果最高可达83.1%。

(5)过滤速度为20.83 m/h 时,中试装置的水头损失基本在0～0.5 kPa 范围波动。而且随运行时间的累积,中试装置的水头损失仍然不超过1 kPa,不会随着过滤时间累积而快速增长。

(6)通过中试连续试验,相较于晴天生活污水水质,快速纤维过滤技术对悬浮固体污染物浓度较高的合流制溢流去除效果更佳,在不需要加药剂的情况下,负荷去除率可达60%以上。因此,该技术可作为合流制溢流污水处理厂的预处理设施,或者应用于排水泵站等具有处理需求的场所,也可以与其他处理手段结合,减少外排的污染负荷。