易 瑩 ,王知兵 ,周艷偉 ,千種健理 ,葛樂樂

(1.中國電器科學(xué)研究院股份有限公司,廣東 廣州 510300;2.日立造船株式會社,日本 東京 1 400013)

隨著我國城市化程度提高,城市規(guī)模不斷擴大,不透水下墊層面積迅速增長,降雨排水對城市排水系統(tǒng)的依賴度越來越高。我國大部分城鎮(zhèn)老城區(qū)保留了大面積雨污合流制排水系統(tǒng)或存在分流制混接錯接污水,雨季常出現(xiàn)溢流現(xiàn)象[1]。溢流中包含管道沉積物、地表雨水徑流、生活污水等,攜帶大量固體污染物,導(dǎo)致初期溢流雨污水污染遠高于正常排放的污水,未經(jīng)處理排入受納水體,會嚴(yán)重影響城市水環(huán)境,導(dǎo)致水體黑臭,危害公共衛(wèi)生安全[2-5]。除了源頭治理、過程控制,選擇適宜的、高效的治理技術(shù)也是控制污染的必要途徑,但國內(nèi)相關(guān)應(yīng)用技術(shù)研究較少。

日本在雨污水污染控制和治理等方面成效顯著,比如在泵站或污水處理廠等中間或末端節(jié)點采用溢流處理專用快速過濾技術(shù)來處理雨污水,東京幾乎所有污水處理廠都已經(jīng)應(yīng)用該技術(shù)[6]。該技術(shù)采用輕質(zhì)濾料,濾料可懸浮于水中,污水以上向流的方式通過濾層,污染物被濾料截留?？焖倮w維過濾技術(shù)采用特殊加工的顆粒多孔纖維濾料,該濾料兼具顆粒濾料比表面積大以及纖維濾料質(zhì)量輕的優(yōu)點,因此該技術(shù)濾速快,污染物去除效果好,同時水頭損失小。相較于混凝沉淀的處理方式,該技術(shù)一般無需加藥,來水即啟動,占地面積小,可適用于污水處理廠、泵站等場所。因此,本研究開展快速過濾技術(shù)處理合流制溢流的中試研究,考察該技術(shù)處理效果和技術(shù)可行性,以期為合流制溢流污染治理提供一種新的解決方案。

1 材料和方法

1.1 試驗地點

中試裝置設(shè)置于南方某污水處理廠。該污水處理廠一期于2003 年投入運行,納污范圍為城市已建成區(qū),排水體制為雨污合流制,在雨季時產(chǎn)生的大量溢流,會攜帶大量固體污染物,極大地增加了污水處理廠的處理壓力。試驗進水為污水處理廠沉砂池出水。由于溢流初期效應(yīng)明顯[7-8],初期固體懸浮物污染物較高,因此選擇連續(xù)運行5～6 h 考察處理效果。

1.2 中試試驗裝置

上向流纖維過濾中試裝置1 套,濾料層厚度0.5 m,設(shè)計處理能力1 000 m3/d,裝機功率約7 kW;含進水泵一臺。中試裝置包括進水穩(wěn)流區(qū)、預(yù)處理區(qū)和過濾區(qū)。濾料為顆粒狀輕質(zhì)多孔濾料,濾料直徑為8 mm,長度為8 mm,密度略小于1.0 g/cm3,具有比表面積大和濾料輕的優(yōu)點。當(dāng)雨污水自下而上通過濾層時,濾料層隨液位上升而上升。

圖1 試驗工藝流程

圖2 中試裝置現(xiàn)場

圖3 中試裝置使用濾料

1.3 水樣情況

分別在晴天和降雨時進行中試裝置連續(xù)試驗,定時對中試裝置進水和出水進行取樣分析,每次取樣量為1 L。晴天進水采樣組為S1 組和S2組,其他采樣組均為降雨產(chǎn)生溢流時進水采樣分析。

進水混合樣:將每組的每次進水水樣分別取100 mL 混合均勻。出水混合樣:將每組的每次出水水樣分別取100 mL 混合均勻。

1.4 試驗方法

1.4.1 SS 粒徑分布

采用孔徑為2 mm、1.0 mm、0.5 mm、0.2 mm、0.1 mm、0.045 mm、0.025 mm 的不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)篩以及孔徑為0.45 μm 的微孔濾膜對中試裝置混合進水和混合出水進行過濾,然后用蒸餾水對篩網(wǎng)進行反沖,測定原水和出水在不同粒徑范圍的顆粒物質(zhì)量。

1.4.2 水樣的COD 濃度和SS 濃度

對所取混合水樣直接測定COD 濃度值和SS濃度值。

1.4.3 非溶解性COD 濃度

用0.45 μm 尼龍過濾膜對混合進水和混合出水水樣進行過濾,分析過濾后水樣中COD 濃度,從而得到非溶解性COD 濃度。

1.4.4 水頭損失

通過連續(xù)監(jiān)測中試裝置液位變化,根據(jù)初始液位值和運行時液位值,換算得到裝置的水頭損失變化。

1.4.5 水質(zhì)分析方法

SS:重量法。COD:快速消解法,測試儀器為DR900(哈希,美國)。

1.5 處理效果表示方法

通過記錄每次降雨的進水和出水SS 濃度情況,來獲得SS 負(fù)荷去除率(累積去除率)。進水和出水污染物總負(fù)荷量和負(fù)荷去除率的計算公式如下:

式中:TL——污染物總負(fù)荷量,kg;Ctn——tn時的污染物濃度,mg/L;Q——處理水量,m3/h;tn——運行時間,min;η——污染物負(fù)荷去除率,%;OTL——出水總負(fù)荷量,kg;ITL——進水總負(fù)荷量,kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 合流制溢流水質(zhì)特點

晴天時和降雨產(chǎn)生溢流時中試裝置進水SS和COD 水質(zhì)情況如圖4 和圖5 所示?？梢钥闯?晴天S1 組和S2 組的進水SS 濃度范圍為160～360 mg/L,COD 濃度范圍為200～400 mg/L,SS濃度值一般低于COD 濃度值。降雨產(chǎn)生溢流時,進水中懸浮污染物濃度較高,如圖5 中R1 組和R2 組情況,最高時超過900 mg/L,而且SS 濃度值常高于COD 濃度值,波動范圍大。如果直接進入污水處理廠進行處理,可能會對污水處理廠原有工藝造成沖擊。

圖4 晴天時進水SS 和COD 濃度變化

圖5 產(chǎn)生溢流時進水SS 和COD 濃度變化

S1 組和S2 組進水混合水樣中,非溶解性COD濃度與水樣的COD 濃度的比值分別為39.29%和43.37%;R1 組和R2 組進水混合樣中,非溶解性COD濃度與水樣的COD 濃度的比值分別為77.92%和79.57%,同時進水COD 濃度與SS 濃度呈現(xiàn)正相關(guān)的特點。這可能是由于存在大量非溶解態(tài)的COD吸附于SS 顆粒表面[3]。如果將固體懸浮物有效去除,可以大幅降低污水中的有機負(fù)荷。因此采用過濾方法處理合流制溢流,不僅可以去除SS,對SS 攜帶的COD 也有較好的去除效果。

2.2 濾速對處理效果的影響

濾速是影響過濾工藝處理效果的重要因素。選擇25 m/h、20.83 m/h、16.67 m/h、12.5 m/h 濾速進行連續(xù)運行試驗,比較不同過濾速度下,中試裝置對SS 負(fù)荷的去除率,結(jié)果如表1 所示。隨著濾速增加,去除效果有所下降。濾速不超過20.83 m/h 時,SS 負(fù)荷去除率大于60%。過濾裝置處理出水會隨進水水質(zhì)的波動而波動,在固體污染物濃度高時,去除率反而較高。濾速為20.83 m/h,進水SS 和COD 濃度分別為576 mg/L 和351 mg/L時,去除率分別為92.62%和77.49%,可能是SS濃度高時,主要受降雨影響沖刷攜帶的懸浮物較多,擠壓濾料層使得間隙更小,顆粒物更易被截留。兼顧處理量和去除率,后續(xù)試驗采用20.83 m/h 的過濾速度。

表1 不同濾速下SS 負(fù)荷去除率

2.3 對SS 的去除效果

濾速為20.83 m/h 時,中試裝置對溢流雨污水的SS 的去除情況如圖6 所示?？梢钥闯?當(dāng)進水SS 濃度越高,中試裝置的SS 去除率越高;隨著時間推移,進水初期效應(yīng)降低,SS 濃度降低,SS 去除效果也有所下降。R2 組和R3 組進水的SS 負(fù)荷去除率分別為67.64%和69.76%。晴天時中試裝置對SS 的負(fù)荷去除率為40%左右。中試裝置對合流制溢流的SS 去除效果明顯優(yōu)于晴天時生活污水情況。

圖6 中試裝置連續(xù)運行時對溢流進水中SS 的去除情況(R2、R3 組)

2.4 不同粒徑的SS 去除效果

S1、R1、R3 組進水混合水樣中大于2.0 mm 粒徑的懸浮固體未檢出,可能是由于經(jīng)過污水沉砂池后,較大粒徑泥沙等固體物質(zhì)被預(yù)去除。粒徑小于0.1 mm 的懸浮固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本在95%以上。降雨時兩組混合樣的去除率大于60%。中試裝置對粒徑大于0.5 mm 的懸浮固體去除率基本為100%;粒徑范圍分別在0.1～0.2 mm、0.045～0.1 mm 的懸浮物去除效果也較好,最高可達83.1%;對于粒徑小于0.025 mm 的懸浮物去除率,降雨時比晴天時高,可能是溢流中懸浮物濃度高,濾料層被擠壓,濾層孔隙更小,顆粒物更易被攔截和吸附。

圖7 不同粒徑的固體懸浮物質(zhì)去除情況(S1、R1、R3 組的進水、出水混合樣)

2.5 水頭損失

試驗裝置的水頭損失情況如圖8 所示。由圖8 可以看出,即使進水含有較高的SS,過濾過程中的過濾阻力一直處于較低值。當(dāng)過濾速度為20.83 m/h 時,中試裝置的水頭損失基本在0～0.5 kPa 范圍波動。而且隨運行時間的累積,水頭損失仍然不超過1 kPa。在進水流量保持不變的前提下,過濾過程中懸浮物的截留是過濾裝置水頭損失增加的主要原因。本試驗過程中,水頭損失與進水懸浮物濃度并不呈明顯的正比關(guān)系。這可能與本試驗所使用濾料孔隙率大且形狀系數(shù)小有關(guān)[9];同時該顆粒濾料密度小,在過濾過程中呈懸浮狀態(tài),也有助于減緩過濾過程中水頭損失的累積。

圖8 中試裝置進水SS 濃度和水頭損失變化情況(R2、R3 組)

3 結(jié)語

(1)產(chǎn)生溢流期間,進水SS 濃度值常高于COD 濃度值,與晴天生活污水水質(zhì)情況相反,且SS 濃度波動范圍大。進水混合水樣的非溶解性COD 濃度約為總COD 濃度的73.08%～90.0%,同時溢流進水COD 濃度與SS 濃度呈現(xiàn)出了正相關(guān)的特點。

(2)中試裝置處理出水隨進水水質(zhì)的波動而波動。濾速不超過20.83 m/h 時,SS 負(fù)荷去除率大于60%;為了獲得較高的處理量和良好的去除率,后續(xù)中試試驗過濾速度不宜超過20.83 m/h。在固體污染物濃度高時,去除率反而較高,濾速為20.83 m/h,進水SS 和COD 濃度分別為576 mg/L和351 mg/L 時,去除率分別為92.62%和77.49%。

(3)當(dāng)進水SS 濃度越高,中試裝置的SS 去除率越高,隨著時間推移,溢流污水初期效應(yīng)降低,SS 去除效果會有所下降。R2 組和R3 組進水的負(fù)荷去除率分別為67.64%和69.76%。

(4)進水中懸浮固體粒徑較小,粒徑小于0.1 mm 的懸浮固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本在95%以上。粒徑大于0.5 mm 的懸浮固體去除率基本為100%,粒徑范圍分別在0.1～0.2 mm、0.045～0.1 mm 的懸浮物去除效果最高可達83.1%。

(5)過濾速度為20.83 m/h 時,中試裝置的水頭損失基本在0～0.5 kPa 范圍波動。而且隨運行時間的累積,中試裝置的水頭損失仍然不超過1 kPa,不會隨著過濾時間累積而快速增長。

(6)通過中試連續(xù)試驗,相較于晴天生活污水水質(zhì),快速纖維過濾技術(shù)對懸浮固體污染物濃度較高的合流制溢流去除效果更佳,在不需要加藥劑的情況下,負(fù)荷去除率可達60%以上。因此,該技術(shù)可作為合流制溢流污水處理廠的預(yù)處理設(shè)施,或者應(yīng)用于排水泵站等具有處理需求的場所,也可以與其他處理手段結(jié)合,減少外排的污染負(fù)荷。