高效沉淀池混凝剂应用现状研究

韩新盛 李永刚 靳千千 郑世超

（北京兴源水务有限公司 北京 102600）

引言

中国的经济高速发展带来的城镇化和工业化使得人口在城镇的部分区域愈发集中，城镇用水紧张、水资源污染和环境污染等一系列问题也随之而来。作为地区水资源开发、利用系统中不可缺少的一环，污水处理厂的污水处理能力受到的关注愈来愈多。国家的《水污染防治行动计划》规定现有的或是即将建设的城镇污水处理设施于2020 年底前到达相应排放标准或再生利用要求，重点湖泊、重点水库、近岸海域汇水区域等敏感区域和新建的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)中的一级A 标准[1]。目前，我国城市(镇)污水处理厂常用的传统活性污泥法(CAS)、A/O 工艺、A2/O 工艺、氧化沟(OD)工艺、SBR 及其改良工艺等已经很难达到GB18918—2002 中的一级A 标准。本文从高效沉淀池入手，通过分析其工作原理探究混凝剂在污水处理中的作用，以及其对今后污水处理厂高效沉淀池运行的借鉴、创新、发展具有的重要意义。

1 高效沉淀池的作用及原理

1.1 高效沉淀池的作用

我国城镇污水处理厂普遍采用的CAS、A2/O、MBR 等处理工艺经过长久的发展已经非常成熟，在实际运行过程中污水处理性能稳定，能够去除废水中40%～60%的色度，80%～90%的BOD5和90%以上的化学需氧量(COD)，且能够同步进行脱氮除磷，但想要进一步提高出水的有机物去除率和脱氮除磷率就会非常困难[2][3]。因此,原污水处理厂和即将投建的污水处理厂有必要引入先进的物理化学工艺处理二次废水，以应对新排放标准中更加严格的BOD5、SS、TN、NH3-N、TP等指标。GB18918—2002 一级A 标准和一级B 标准部分的水质指标如表1 所示。

表1 GB18918—2002 中一级A 标准和一级B 标准部分排放指标

常用的高级处理工艺主要集中在成熟的混凝沉淀-过滤上，通过混凝沉淀降低原水各种高分子有机物、浊度、部分重金属、色度等，但污水中低浓度的胶体和动物浮游物使凝结过程中形成的絮凝物沉淀性能有限，无法满足污水深度处理的需要[3]。法国Degremont 公司发现，在高效沉淀池中添加高分子絮凝剂聚丙烯酰胺(PAM)能使沉淀池形成具有良好沉淀性能的絮凝物，污水的COD、SS 和TP 去除率得以提高。该处理过程在之后的应用中逐渐发展完善，加在污水处理工艺末端能够显著降低污水中COD 和BOD、SS、氮、磷及其他盐类的浓度。而国内污水处理厂通常是通过增设高效沉淀池以及配套工艺，增加污水中SS 的去除率，达到提高出水水质的目的。SS 主要是由活性污泥的絮凝体构成，絮凝体通常会带有30%～75%的BOD5、8%～10%的TN 以及3%～6%的TP，因此在深度处理中提高SS 去除率的同时也会降低出水的其他指标[2]。高效沉淀池不但具有处理效率高、占地面积小、工程投资费用低等特点，而且适用于各种水质，不受温度、pH、溶解氧含量的影响，针对水质水量突发性的变化也能及时做出应对措施，保证出水水质达标。某工业园区污水处理厂食品加工、电子、云母加工等工业废水占85%，扩建及提标改造增加了高效沉淀池等工艺后，出水COD 和氨氮达到《湖南省城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》（DB43/T1546—2018）二级标准，其他指标均达到了GB18918—2002 一级A 排放标准[4]。

1.2 高效沉淀池的工作原理

高效沉淀池的工作原理和工艺流程如图1所示。

图1 高效沉淀池的工作原理示意图(a)和工艺流程图(b)

高效沉淀池由快速搅拌区(混凝区)、慢速搅拌区(絮凝区)、反应池(预沉淀区)、斜管沉淀区、出水渠、污泥回流系统和剩余污泥排泥系统组成。高效沉淀池进水在快速搅拌区与混凝剂混合，使细散颗粒和胶体物质脱稳，经叶轮推流搅拌完成快速凝聚反应，结成较小的絮凝体，接着流动到慢速搅拌区后与絮凝剂混合获得大量高密度均质的矾花。随后在反应池内的絮体会相互接触碰撞形成较大的絮凝颗粒，这些絮凝颗粒在重力作用下沉降至反应池底端，剩余的絮体通过自下而上的斜管沉淀区接触、凝结成絮凝颗粒，并在重力的作用下完成沉淀[5]。澄清的出水经斜管上部由出水渠流出，而沉淀形成的污泥由中心传动刮泥机刮至底部集泥斗形成浓缩污泥，一部分浓缩污泥经污泥回流系统进入快速搅拌区以循环利用，其余的浓缩污泥作为剩余污泥经排泥系统排出至污泥处置系统，与生化系统产生的剩余污泥一并脱水处理。

2 高效沉淀池混凝剂的应用

在污水处理领域，混凝剂常用来强化固液分离，能够在强化污水初次沉淀、浮选处理、活性污泥法之后的二次沉淀方面发挥重要作用，也常用于污水三级处理或深度处理过程中以达到去除污水SS、TP、微生物、病原菌、乳化油、重金属离子等污染物的目的。常用的混凝剂可分为无机混凝剂、有机高分子混凝剂和微生物混凝剂。无机混凝剂又分为无机低分子混凝剂，如硫酸铝和三氯化铁；无机高分子混凝剂，如聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铁（PFS）。有机高分子混凝剂则以PAM 为代表，它能适用多种絮凝对象，应用较为广泛。微生物絮凝剂则是利用生物技术从微生物或其分泌物中提取、纯化得到的一种安全、高效、能自然降解的新型水处理剂，已发现具有絮凝性的微生物在17 种以上，包括霉菌、细菌、放线菌和酵母菌等。目前，国内高效沉淀池常用的混凝剂为无机混凝剂和有机高分子混凝剂。

2.1 无机低分子混凝剂

无机低分子絮凝剂具有经济实惠、用法简单等优点。硫酸铝是废水处理中使用较多的混凝剂之一，运输方便、操作简单、混凝效果好，但极易受温度影响，水温低时硫酸铝水解困难，形成的絮体较松散，混凝效果变差。慈溪市东部污水处理厂处理规模为10 万m3/d，分2 期建设，污水主要由40%的工业废水和60%的生活污水组成，工业企业排水成分复杂，污水处理厂经常面临无规律的进水冲击负荷[6]。而出水执行的是浙江省《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB 33/2169—2018)，出水TP 要求小于0.3 mg/L，为此高效沉淀池投加的硫酸铝通常维持在较高的水平。而为了实现精确加药，降低药剂消耗量，提高污水处理厂的运行效率，陈珺等[6]针对硫酸铝的除磷机理展开研究，发现化学除磷新机理的关键之处在与金属水合氧化物(HMO)与磷酸盐的相互作用，一方面HMO 的老化程度越高磷酸盐扩散就越困难，另一方面混合速度越快HMO 上较多的“表面位点”越容易与磷酸盐的表面进行络合反应。基于此新机理，陈珺等[6]建立了在线分析仪和加药泵、控制器的智能化管理控制系统进行实时控制，使出水磷酸盐始终要设定的0.18 mg/L附近波动，基本实现了精确加药的目的，并使硫酸铝平均投加浓度降低了26%，药剂消耗量降低了32%。

传统铁盐混凝剂中只有三氯化铁在实际生产中使用的相对较多，但生产成本高、价格昂贵，且受氯气货源限制导致产品有限[7]。此外，三氯化铁无论是液体状态还是固体状态都存在运输困难和储存困难的问题，在污水处理厂使用过程中存在着诸多不便。何亮亮等[8]针对三氯化铁在废水中絮凝性能的研究中发现，它在处理含磷模拟废水的实际投加量是理论值的3 倍，在处理其他含重金属模拟废水时最佳的加药量为40mg/L。

2.2 无机高分子混凝剂

无机高分子混凝剂是基于传统铝盐、铁盐的基础上发展起来的一种新型的污水处理混凝剂，价格低廉且凝聚性能较好、密集度高、沉降速度快、适用pH 范围广[7]。相比于传统铝盐、铁盐，无机高分子混凝剂在储存、运输、使用等方面也更加便捷安全，其中具有代表性的就是PAC和PFS。

PAC 是一种应用很广的水处理剂。目前，一致认同的混凝机理为PAC 中的Al(Ⅲ)盐水解—聚合产物对其进行电性中和、脱稳和吸附架桥作用生成粗颗粒絮凝体对污水中胶体颗粒或胶体污染物进行混凝去除。PAC 在污水处理中的作用可归纳为3 点，即①对污水中胶体颗粒污染物进行电性中和、脱稳的凝聚作用；②已凝聚的次生粗大颗粒进行吸附架桥的絮凝作用；③通过吸附和络合作用去除污水中游离的有害离子[9]。

PFS 在污水处理中的应用也较为广泛，它主要的混凝机理可以归结为压缩双电子层作用、吸附和电荷中和作用、网捕作用以及吸附架桥作用。其中，压缩双电层作用是指当同号电荷胶粒之间存在的静电斥力其大于胶体的布朗运动动能时，就会导致胶体长期稳定、旧置不沉，向溶液中投加PFS 会增大溶液主体中的离子强度，使胶团的扩散层受压变薄，排斥势能低至不能阻碍胶粒互相聚集时便转变成了脱稳状态，直至扩散层极致压缩时胶体的相互碰撞便能促进凝聚；吸附和电荷中和作用是指当投加的PFS 在一定条件下水解成类似于双亲分子的络离子和多核络离子时，这些离子会进入到固液界面被电位离子吸附并中和ζ 电位，致使胶体脱稳；网捕作用是指水中的胶粒和细微悬浮物常会被加药所形成的沉淀捕抓，如若沉淀物带正电荷就能更快地网捕废水中带负电荷的胶体了；吸附、架桥作用是指具有先行结构的聚铁高聚物能以搭桥的方式吸附、链接两个相距较远的胶粒，形成微粒—高分子—微粒的结构，同时各个高分子相互搭接形成更大的絮体而沉降[10]。

2.3 有机高分子混凝剂

人工合成的有机高分子混凝剂在污水处理中应用广泛，其中非常具有代表性的是PAM，它是水溶性高分子聚合物，具有良好的絮凝性，按离子特性分别有非离子、阴离子、阳离子、两性型4 种类型，常作为助凝剂、絮凝剂和污泥脱水剂使用。由于PAM 具有长链(线)状的分子结构并含有大量的活性基团，在污水处理中常通过吸附架桥作用、吸附—电性中和作用和网捕—卷扫作用起到絮凝作用，清除污水中的杂质，达到水质净化的目的[11]。

而在污水处理过程中，PAM 常常作为助凝剂与无机高分子混凝剂(PAC、PFS 等)组合使用，以达到更好净水效果。莫碧琴等[12]在研究海产品加工高磷废水处理时发现，加工废水含磷成分以焦磷酸盐、三聚磷酸盐、六偏磷酸盐为主，极难处理且直接加PAC 成本较高。但若与PAM 组合使用，仅需要0.5g/L 的PAC 和0.05g/L的PAM 就可实现经济高效的除磷效果。关晓楠[13]在研究煤化工循环水排污水处理工艺时发现，采用投加PFS 和PAM 的高效沉淀池具有较强的抗冲击能力，处理结束后水质表现状态高度稳定，综合性技术效果状态良好，且能获取良好的经济效益。

结语

经济高速发展和人口愈发集中对我国污水处理厂出水水质提出了更高的要求，高效沉淀池以其占地面积小、处理效率高、适用范围广、出水水质高等优点在深度处理工艺中备受青睐。混凝剂的选用对高效沉淀池的出水水质起着至关重要的作用，能够有效降低污水中的SS、胶体污染物、TP 等指标，选择恰当的混凝剂不但能够有效提高出水水质以达到GB18918—2002 一级A 标准，还能够获得良好的经济效益。

由于我国高效沉淀池工艺起步相对较晚，在混凝剂的选用和使用方面仍有许多问题亟需去研究和探讨，以应对各种污水处理厂深度处理的需要。一是针对混凝剂改性方面的研究，通过改性提高絮凝吸附性能、降低沉淀时间或是有针对性地提高对某种污染物的吸附能力；二是更改使用方法，如在混凝区和絮凝区之间投加磁介质以提高泥水分离效率，或是在沉淀区投加活性炭粉末以吸附去除难溶性的COD，稳定或提升出水水质。