韓新盛 李永剛 靳千千 鄭世超

（北京興源水務(wù)有限公司 北京 102600）

引言

中國(guó)的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展帶來(lái)的城鎮(zhèn)化和工業(yè)化使得人口在城鎮(zhèn)的部分區(qū)域愈發(fā)集中，城鎮(zhèn)用水緊張、水資源污染和環(huán)境污染等一系列問(wèn)題也隨之而來(lái)。作為地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)、利用系統(tǒng)中不可缺少的一環(huán)，污水處理廠的污水處理能力受到的關(guān)注愈來(lái)愈多。國(guó)家的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》規(guī)定現(xiàn)有的或是即將建設(shè)的城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施于2020 年底前到達(dá)相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)或再生利用要求，重點(diǎn)湖泊、重點(diǎn)水庫(kù)、近岸海域匯水區(qū)域等敏感區(qū)域和新建的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)中的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)[1]。目前，我國(guó)城市(鎮(zhèn))污水處理廠常用的傳統(tǒng)活性污泥法(CAS)、A/O 工藝、A2/O 工藝、氧化溝(OD)工藝、SBR 及其改良工藝等已經(jīng)很難達(dá)到GB18918—2002 中的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。本文從高效沉淀池入手，通過(guò)分析其工作原理探究混凝劑在污水處理中的作用，以及其對(duì)今后污水處理廠高效沉淀池運(yùn)行的借鑒、創(chuàng)新、發(fā)展具有的重要意義。

1 高效沉淀池的作用及原理

1.1 高效沉淀池的作用

我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠普遍采用的CAS、A2/O、MBR 等處理工藝經(jīng)過(guò)長(zhǎng)久的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中污水處理性能穩(wěn)定，能夠去除廢水中40%～60%的色度，80%～90%的BOD5和90%以上的化學(xué)需氧量(COD)，且能夠同步進(jìn)行脫氮除磷，但想要進(jìn)一步提高出水的有機(jī)物去除率和脫氮除磷率就會(huì)非常困難[2][3]。因此,原污水處理廠和即將投建的污水處理廠有必要引入先進(jìn)的物理化學(xué)工藝處理二次廢水，以應(yīng)對(duì)新排放標(biāo)準(zhǔn)中更加嚴(yán)格的BOD5、SS、TN、NH3-N、TP等指標(biāo)。GB18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)和一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)部分的水質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。

表1 GB18918—2002 中一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)和一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)部分排放指標(biāo)

常用的高級(jí)處理工藝主要集中在成熟的混凝沉淀-過(guò)濾上，通過(guò)混凝沉淀降低原水各種高分子有機(jī)物、濁度、部分重金屬、色度等，但污水中低濃度的膠體和動(dòng)物浮游物使凝結(jié)過(guò)程中形成的絮凝物沉淀性能有限，無(wú)法滿足污水深度處理的需要[3]。法國(guó)Degremont 公司發(fā)現(xiàn)，在高效沉淀池中添加高分子絮凝劑聚丙烯酰胺(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。該處理過(guò)程在之后的應(yīng)用中逐漸發(fā)展完善，加在污水處理工藝末端能夠顯著降低污水中COD 和BOD、SS、氮、磷及其他鹽類的濃度。而國(guó)內(nèi)污水處理廠通常是通過(guò)增設(shè)高效沉淀池以及配套工藝，增加污水中SS 的去除率，達(dá)到提高出水水質(zhì)的目的。SS 主要是由活性污泥的絮凝體構(gòu)成，絮凝體通常會(huì)帶有30%～75%的BOD5、8%～10%的TN 以及3%～6%的TP，因此在深度處理中提高SS 去除率的同時(shí)也會(huì)降低出水的其他指標(biāo)[2]。高效沉淀池不但具有處理效率高、占地面積小、工程投資費(fèi)用低等特點(diǎn)，而且適用于各種水質(zhì)，不受溫度、pH、溶解氧含量的影響，針對(duì)水質(zhì)水量突發(fā)性的變化也能及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施，保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。某工業(yè)園區(qū)污水處理廠食品加工、電子、云母加工等工業(yè)廢水占85%，擴(kuò)建及提標(biāo)改造增加了高效沉淀池等工藝后，出水COD 和氨氮達(dá)到《湖南省城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB43/T1546—2018）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其他指標(biāo)均達(dá)到了GB18918—2002 一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)[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藝流程如圖1所示。

圖1 高效沉淀池的工作原理示意圖(a)和工藝流程圖(b)

高效沉淀池由快速攪拌區(qū)(混凝區(qū))、慢速攪拌區(qū)(絮凝區(qū))、反應(yīng)池(預(yù)沉淀區(qū))、斜管沉淀區(qū)、出水渠、污泥回流系統(tǒng)和剩余污泥排泥系統(tǒng)組成。高效沉淀池進(jìn)水在快速攪拌區(qū)與混凝劑混合，使細(xì)散顆粒和膠體物質(zhì)脫穩(wěn)，經(jīng)葉輪推流攪拌完成快速凝聚反應(yīng)，結(jié)成較小的絮凝體，接著流動(dòng)到慢速攪拌區(qū)后與絮凝劑混合獲得大量高密度均質(zhì)的礬花。隨后在反應(yīng)池內(nèi)的絮體會(huì)相互接觸碰撞形成較大的絮凝顆粒，這些絮凝顆粒在重力作用下沉降至反應(yīng)池底端，剩余的絮體通過(guò)自下而上的斜管沉淀區(qū)接觸、凝結(jié)成絮凝顆粒，并在重力的作用下完成沉淀[5]。澄清的出水經(jīng)斜管上部由出水渠流出，而沉淀形成的污泥由中心傳動(dòng)刮泥機(jī)刮至底部集泥斗形成濃縮污泥，一部分濃縮污泥經(jīng)污泥回流系統(tǒng)進(jìn)入快速攪拌區(qū)以循環(huán)利用，其余的濃縮污泥作為剩余污泥經(jīng)排泥系統(tǒng)排出至污泥處置系統(tǒng)，與生化系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余污泥一并脫水處理。

2 高效沉淀池混凝劑的應(yīng)用

在污水處理領(lǐng)域，混凝劑常用來(lái)強(qiáng)化固液分離，能夠在強(qiáng)化污水初次沉淀、浮選處理、活性污泥法之后的二次沉淀方面發(fā)揮重要作用，也常用于污水三級(jí)處理或深度處理過(guò)程中以達(dá)到去除污水SS、TP、微生物、病原菌、乳化油、重金屬離子等污染物的目的。常用的混凝劑可分為無(wú)機(jī)混凝劑、有機(jī)高分子混凝劑和微生物混凝劑。無(wú)機(jī)混凝劑又分為無(wú)機(jī)低分子混凝劑，如硫酸鋁和三氯化鐵；無(wú)機(jī)高分子混凝劑，如聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鐵（PFS）。有機(jī)高分子混凝劑則以PAM 為代表，它能適用多種絮凝對(duì)象，應(yīng)用較為廣泛。微生物絮凝劑則是利用生物技術(shù)從微生物或其分泌物中提取、純化得到的一種安全、高效、能自然降解的新型水處理劑，已發(fā)現(xiàn)具有絮凝性的微生物在17 種以上，包括霉菌、細(xì)菌、放線菌和酵母菌等。目前，國(guó)內(nèi)高效沉淀池常用的混凝劑為無(wú)機(jī)混凝劑和有機(jī)高分子混凝劑。

2.1 無(wú)機(jī)低分子混凝劑

無(wú)機(jī)低分子絮凝劑具有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、用法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。硫酸鋁是廢水處理中使用較多的混凝劑之一，運(yùn)輸方便、操作簡(jiǎn)單、混凝效果好，但極易受溫度影響，水溫低時(shí)硫酸鋁水解困難，形成的絮體較松散，混凝效果變差。慈溪市東部污水處理廠處理規(guī)模為10 萬(wàn)m3/d，分2 期建設(shè)，污水主要由40%的工業(yè)廢水和60%的生活污水組成，工業(yè)企業(yè)排水成分復(fù)雜，污水處理廠經(jīng)常面臨無(wú)規(guī)律的進(jìn)水沖擊負(fù)荷[6]。而出水執(zhí)行的是浙江省《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 33/2169—2018)，出水TP 要求小于0.3 mg/L，為此高效沉淀池投加的硫酸鋁通常維持在較高的水平。而為了實(shí)現(xiàn)精確加藥，降低藥劑消耗量，提高污水處理廠的運(yùn)行效率，陳珺等[6]針對(duì)硫酸鋁的除磷機(jī)理展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)化學(xué)除磷新機(jī)理的關(guān)鍵之處在與金屬水合氧化物(HMO)與磷酸鹽的相互作用，一方面HMO 的老化程度越高磷酸鹽擴(kuò)散就越困難，另一方面混合速度越快HMO 上較多的“表面位點(diǎn)”越容易與磷酸鹽的表面進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng)。基于此新機(jī)理，陳珺等[6]建立了在線分析儀和加藥泵、控制器的智能化管理控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使出水磷酸鹽始終要設(shè)定的0.18 mg/L附近波動(dòng)，基本實(shí)現(xiàn)了精確加藥的目的，并使硫酸鋁平均投加濃度降低了26%，藥劑消耗量降低了32%。

傳統(tǒng)鐵鹽混凝劑中只有三氯化鐵在實(shí)際生產(chǎn)中使用的相對(duì)較多，但生產(chǎn)成本高、價(jià)格昂貴，且受氯氣貨源限制導(dǎo)致產(chǎn)品有限[7]。此外，三氯化鐵無(wú)論是液體狀態(tài)還是固體狀態(tài)都存在運(yùn)輸困難和儲(chǔ)存困難的問(wèn)題，在污水處理廠使用過(guò)程中存在著諸多不便。何亮亮等[8]針對(duì)三氯化鐵在廢水中絮凝性能的研究中發(fā)現(xiàn)，它在處理含磷模擬廢水的實(shí)際投加量是理論值的3 倍，在處理其他含重金屬模擬廢水時(shí)最佳的加藥量為40mg/L。

2.2 無(wú)機(jī)高分子混凝劑

無(wú)機(jī)高分子混凝劑是基于傳統(tǒng)鋁鹽、鐵鹽的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型的污水處理混凝劑，價(jià)格低廉且凝聚性能較好、密集度高、沉降速度快、適用pH 范圍廣[7]。相比于傳統(tǒng)鋁鹽、鐵鹽，無(wú)機(jī)高分子混凝劑在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、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 是一種應(yīng)用很廣的水處理劑。目前，一致認(rèn)同的混凝機(jī)理為PAC 中的Al(Ⅲ)鹽水解—聚合產(chǎn)物對(duì)其進(jìn)行電性中和、脫穩(wěn)和吸附架橋作用生成粗顆粒絮凝體對(duì)污水中膠體顆粒或膠體污染物進(jìn)行混凝去除。PAC 在污水處理中的作用可歸納為3 點(diǎn)，即①對(duì)污水中膠體顆粒污染物進(jìn)行電性中和、脫穩(wěn)的凝聚作用；②已凝聚的次生粗大顆粒進(jìn)行吸附架橋的絮凝作用；③通過(guò)吸附和絡(luò)合作用去除污水中游離的有害離子[9]。

PFS 在污水處理中的應(yīng)用也較為廣泛，它主要的混凝機(jī)理可以歸結(jié)為壓縮雙電子層作用、吸附和電荷中和作用、網(wǎng)捕作用以及吸附架橋作用。其中，壓縮雙電層作用是指當(dāng)同號(hào)電荷膠粒之間存在的靜電斥力其大于膠體的布朗運(yùn)動(dòng)動(dòng)能時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致膠體長(zhǎng)期穩(wěn)定、舊置不沉，向溶液中投加PFS 會(huì)增大溶液主體中的離子強(qiáng)度，使膠團(tuán)的擴(kuò)散層受壓變薄，排斥勢(shì)能低至不能阻礙膠?；ハ嗑奂瘯r(shí)便轉(zhuǎn)變成了脫穩(wěn)狀態(tài)，直至擴(kuò)散層極致壓縮時(shí)膠體的相互碰撞便能促進(jìn)凝聚；吸附和電荷中和作用是指當(dāng)投加的PFS 在一定條件下水解成類似于雙親分子的絡(luò)離子和多核絡(luò)離子時(shí)，這些離子會(huì)進(jìn)入到固液界面被電位離子吸附并中和ζ 電位，致使膠體脫穩(wěn)；網(wǎng)捕作用是指水中的膠粒和細(xì)微懸浮物常會(huì)被加藥所形成的沉淀捕抓，如若沉淀物帶正電荷就能更快地網(wǎng)捕廢水中帶負(fù)電荷的膠體了；吸附、架橋作用是指具有先行結(jié)構(gòu)的聚鐵高聚物能以搭橋的方式吸附、鏈接兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的膠粒，形成微?！叻肿印⒘５慕Y(jié)構(gòu)，同時(shí)各個(gè)高分子相互搭接形成更大的絮體而沉降[10]。

2.3 有機(jī)高分子混凝劑

人工合成的有機(jī)高分子混凝劑在污水處理中應(yīng)用廣泛，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，按離子特性分別有非離子、陰離子、陽(yáng)離子、兩性型4 種類型，常作為助凝劑、絮凝劑和污泥脫水劑使用。由于PAM 具有長(zhǎng)鏈(線)狀的分子結(jié)構(gòu)并含有大量的活性基團(tuán)，在污水處理中常通過(guò)吸附架橋作用、吸附—電性中和作用和網(wǎng)捕—卷掃作用起到絮凝作用，清除污水中的雜質(zhì)，達(dá)到水質(zhì)凈化的目的[11]。

而在污水處理過(guò)程中，PAM 常常作為助凝劑與無(wú)機(jī)高分子混凝劑(PAC、PFS 等)組合使用，以達(dá)到更好凈水效果。莫碧琴等[12]在研究海產(chǎn)品加工高磷廢水處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，加工廢水含磷成分以焦磷酸鹽、三聚磷酸鹽、六偏磷酸鹽為主，極難處理且直接加PAC 成本較高。但若與PAM 組合使用，僅需要0.5g/L 的PAC 和0.05g/L的PAM 就可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的除磷效果。關(guān)曉楠[13]在研究煤化工循環(huán)水排污水處理工藝時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用投加PFS 和PAM 的高效沉淀池具有較強(qiáng)的抗沖擊能力，處理結(jié)束后水質(zhì)表現(xiàn)狀態(tài)高度穩(wěn)定，綜合性技術(shù)效果狀態(tài)良好，且能獲取良好的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)語(yǔ)

經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和人口愈發(fā)集中對(duì)我國(guó)污水處理廠出水水質(zhì)提出了更高的要求，高效沉淀池以其占地面積小、處理效率高、適用范圍廣、出水水質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)在深度處理工藝中備受青睞。混凝劑的選用對(duì)高效沉淀池的出水水質(zhì)起著至關(guān)重要的作用，能夠有效降低污水中的SS、膠體污染物、TP 等指標(biāo)，選擇恰當(dāng)?shù)幕炷齽┎坏軌蛴行岣叱鏊|(zhì)以達(dá)到GB18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，還能夠獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

由于我國(guó)高效沉淀池工藝起步相對(duì)較晚，在混凝劑的選用和使用方面仍有許多問(wèn)題亟需去研究和探討，以應(yīng)對(duì)各種污水處理廠深度處理的需要。一是針對(duì)混凝劑改性方面的研究，通過(guò)改性提高絮凝吸附性能、降低沉淀時(shí)間或是有針對(duì)性地提高對(duì)某種污染物的吸附能力；二是更改使用方法，如在混凝區(qū)和絮凝區(qū)之間投加磁介質(zhì)以提高泥水分離效率，或是在沉淀區(qū)投加活性炭粉末以吸附去除難溶性的COD，穩(wěn)定或提升出水水質(zhì)。