高密度沉淀池—超滤组合工艺处理微污染水中试研究

高密度沉淀池—超滤组合工艺处理微污染水中试研究李星1，芦澍1，孙文鹏1，杨艳玲1，陈杰2（1．北京工业大学建筑工程学院，北京100124；2.苏州立升膜分离科技有限公司，苏州215152)摘要：采用高密度沉淀池—超滤组合中试工艺，处理存在低温、低浊、高藻、高有机物等特点的微污染原水。试验结果表明，组合工艺对浊度、藻类及微生物指标的去除效果极佳，出水浊度值在0.07~0.09NTU，藻类基本全部去除，未检测出总大肠杆菌群；组合工艺的CODMn和氨氮去除率分别达到31.12%和52.65%，具有良好的处理效果。在高密度沉淀池中投加3mg/L和5mg/L的粉末活性炭，可使CODMn去除率分别提高至38.6%和44.6%，超滤出水CODMn已远低于3.0mg/L，并能延缓膜污染，降低跨膜压差增长速度，有效延长超滤膜的化学清洗周期。本研究为超滤膜的工程应用提供了有价值的参考和依据。关键词：高密度沉淀池，超滤，粉末活性炭，微污染水试验水源引自某水厂原水渠，存在夏季高藻、冬季低温低浊、消毒副产物前体物高、口感差、个别时段出现嗅味等典型微污染水源水质特征。目前水厂常规处理工艺对耗氧量的去除率一般不超过30%，无法保证出厂水耗氧量≤3mg/L的要求；而水厂当前面临的又一问题是全年一半以上月份藻类含量都在2×106个/L以上，高发期最高时可达107个/L，腥臭味大，处理难度较大。针对日益恶化的原水水质，水厂现有常规工艺已无法使出水水质达到新的《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）要求，因此亟需增加深度处理工艺确保出水水质，满足人民生产、生活需要。超滤膜在浊度、藻类以及微生物安全性的控制上，有着其他工艺不可比拟的优势[1,2]；高密度沉淀池在处理低温低浊水、有机物等方面效果较好，又由于污泥回流浓度较高，排泥可直接处理，并且占地面积小，易于原水厂的改扩建[3-5]，鉴于以上二者优点，试验采用高密度沉淀池—超滤组合工艺（以下简称高密度—超滤工艺）进行效果试验及运行研究。1材料与方法1.1工艺流程原水经原水泵提升从进厂原水渠进入，在混合池、反应池中混凝、强化絮凝后进入高密度沉淀池沉淀，沉后水进入超滤膜系统进行过滤出水（工艺流程见图1）。在试验研究期间，间歇向高密度沉淀池中投加粉末活性炭，并使其在沉淀池中回流。图1高密度沉淀池—超滤组合工艺流程图1.2高密度沉淀池及运行参数高密度沉淀池进水量为3.0m3/h，污泥回流比3~5%,PAM加药量为0.10mg/L（混合池与污泥回流处各投加0.05mg/L），FeCl3加药量6.25mg/L；配水及斜管区停留时间22.8min，表面负荷15m3/m2•h，斜管上升流速0.0048m/s；混合池搅拌机100转/min，水力停留时间2.7min；反应池搅拌机88转/min，水力停留时间14.8min。1.3超滤膜装置及运行参数试验采用超滤试验装置。整个超滤系统由超滤膜组件、叠片过滤器、增加泵、管件、阀门、控制系统、空气压缩机等组成。进水量3.0m3/h，过滤周期30min，正洗流量7.0m3/h，反洗流量8.0m3/h，冲洗程序为正洗20s，然后反洗30s，再正洗10s。1.4水质指标及检测方法采用HACH-2100N型台式浊度仪检测浊度，检测范围0.001~1000NTU；采用显微镜计数法检测藻类；采用酸性高锰酸钾滴定法检测高锰酸盐耗氧量；采用纳氏试剂分光光度法检测氨氮；采用平板计数法检测细菌总数；采用多管发酵法检测大肠菌群。2结果与讨论2.1组合工艺对浊度去除效能试验研究阶段原水浊度值在5.20~13.10NTU，高密度沉淀池出水浊度值在1.63~6.27NTU，超滤出水浊度值在0.07~0.09NTU，平均去除率分别为60.91%和99.03%。图2高密度沉淀池—超滤组合工艺对浊度的去除由于高密度沉淀池优化了传统工艺中的混凝、强化絮凝、沉淀三个过程，并采用混凝剂和高分子助凝剂相结合的方式，使系统内形成了均质和高密度的絮凝体，加快了泥水分离，使得出水浊度较低[6]；再通过超滤膜过滤，对悬浮颗粒和胶体颗粒均有极好的截留作用。研究表明[7]，超滤出水浊度一般在0.1NTU以下，并且不受原水水质的影响。2.2组合工艺对藻类去除效能试验期间原水中藻类的检出值为57~287万个/L，经过高密度沉淀池处理后藻类数量下降到13~41万个/L，平均去除率为60.55%；超滤出水中基本未有藻类检出，高密度沉淀池—超滤组合工艺对藻类的去除率基本达到100%，解决了藻类难以去除等问题。图3高密度沉淀池—超滤组合工艺对藻类的去除2.3组合工艺对CODMn去除效能图4为高密度沉淀池—超滤组合工艺对CODMn的去除效果，其中高密度沉淀池对CODMn的平均去除率为17.03%，组合工艺对CODMn平均去除率为31.21%，超滤出水CODMn值还不能完全达到低于3.0mg/L的安全饮用水限值要求，可见组合工艺对CODMn的去除效果有待进一步提高。试验中在高密度沉淀池内投加粉末活性炭，并在高密度沉淀池中采用与污泥一起回流方式运行，以提高粉末活性炭的利用效率，通过粉末活性炭的吸附性来进一步改善对有机污染物的去除效果。试验中分别投加了3mg/L和5mg/L的粉末活性炭，并与原组合工艺和常规工艺、水厂出水对CODMn¬的去除率进行了对比（见图5）。试验表明，通过投加少量粉末活性炭进行回流可以显著提高CODMn的去除率，平均去除率可以增加7.4~13.4个百分点。投加3mg/L和5mg/L的粉末活性炭后组合工艺平均出水CODMn值分别为2.48mg/L和2.24mg/L，明显低于《生活饮用水卫生标准》中规定的3mg/L的限值；并且随着粉末活性炭投量的增加,去除率也随之增加，并大大低于同期水厂出水CODMn平均值2.93mg/L，达到了较好的去除有机污染物的目的。图4高密度沉淀池—超滤组合工艺对CODMn的去除图5不同组合工艺对CODMn的去除（1.高密度沉淀池—超滤组合工艺；2.高密度沉淀池—超滤组合工艺+3mg/L活性炭回流；3.高密度沉淀池—超滤组合工艺+5mg/L活性炭回流；4.水厂常规工艺）2.4组合工艺对氨氮去除效能试验在3月~5月进行，原水氨氮含量为0.17~0.61mg/L；由于3月份是藻类高发期，需要不断提供氮源养料，所以原水中氨氮浓度呈明显下降趋势。稳定运行期间，高密度沉淀池出水氨氮平均值0.25mg/L，去除率29.11%，组合工艺出水氨氮平均值0.18mg/L，去除率52.65%，去除效果显著提高。从图6可以看出，随着运行时间的延长，去除率有上升的趋势，可能是长期运行时高密度沉淀池中生成了少量微生物，对氨氮的去除有帮助作用。图6高密度沉淀池—超滤组合工艺对氨氮的去除2.5组合工艺对微生物指标控制超滤技术最大的特点就是能够有效截留水体中的细菌、大肠杆菌群、耐热大肠杆菌群、致病原生动物等[2]。试验期间，超滤出水未检测出总大肠杆菌群，可见高密度—超滤工艺对微生物指标的控制作用显著。表1高密度沉淀池—超滤组合工艺对总大肠杆菌群的去除效果（CFU/100mL）检测次数123456789101112131415原水2309023023023002302300230095023023023026090230高密度池000000230230023023090902519090超滤0000000000000002.6超滤系统运行性能高密度—超滤工艺的运行性能评价主要以超滤系统为主，一般通过跨膜压差来评价膜通量恒定的超滤膜运行特性。超滤系统连续运行了64d（期间未进行过任何化学清洗），稳定运行后跨膜压差从初始的0.027Mpa上升到后期的0.044Mpa。从图7可以看出，超滤膜运行初期（前7天）跨膜压差几乎没有增长，第8天起增长较迅速，可能是由于前期有机物附着在膜表面通过每24h的气水反冲洗可以得以恢复，随着时间的增长在膜表面附着了大量有机物造成了不可逆污染，无法通过物理清洗得到恢复，从而使跨膜压差增长迅速。试验从第15天开始向高密度沉淀池中投加粉末活性炭，跨膜压差迅速从0.03MPa下降到0.025MPa，在投炭初期跨膜压差增长较为缓慢，运行15~25天期间只增长了0.002MPa，25~39天跨膜压差平稳增长，从0.027MPa增长至0.031MPa后又下降至0.028MPa；分析主要原因为粉末活性炭在投加初期，对有机物的吸附作用较强，根据研究[8]显示造成膜污染的最主要因素是天然有机污染物，尤其是小分子有机物，而粉末活性炭恰好可以吸附分子量小于3000的有机物，所以大大去除了造成膜污染的小分子有机物并减少了膜进水中有机物的含量，而后期跨膜压差有增长加速的趋势，主要是因为活性炭吸附能力下降而致。在运行的第40~54天未投炭期间，跨膜压差从0.028MPa增长至0.044MPa，增长率为57%；重新投炭后跨膜压差没有下降但保持平稳，基本恒定在0.044MPa。由此可见，粉末活性炭在高密度沉淀池中的回流对超滤跨膜压差的增长具有一定的延缓作用。图7超滤系统的运行稳定性研究（20℃）试验期间超滤系统的产水率为92%，如将超滤膜清洗排水回流至高密度沉淀池中重新处理，则可以提高系统的回收率，使得超滤系统的产水率达99%以上。超滤系统的运行费用主要分为水泵电耗、化学清洗药剂费用、膜更换费用等。PVC合金超滤膜的使用寿命按5年计算，则吨水成本大约为0.0008元；电耗按0.1KW/吨,按电费0.55元/KW计算，折合0.055元/吨；超滤膜每隔3～6个月化学清洗一次，采用的药剂主要是次氯酸钠、盐酸、氢氧化钠等，化学清洗费用为0.005元/吨；膜更换费用为0.042元/吨(按5年计)；则总计运行费用约为0.1028元/吨，可见其具有很低的运行费用。3结论1)高密度沉淀池—超滤组合工艺出水浊度值均低于0.1NTU，藻类的去除率可达100%，出水中未检测出总大肠杆菌群，整个组合工艺对浊度、藻类和微生物指标具有极好的控制作用。2)高密度沉淀池—超滤组合工艺的CODMn去除率达32.12%，在高密度沉淀池中分别投加粉末活性炭3mg/L和5mg/L后，CODMn的平均去除率可分别提高到38.6%和44.6%。3)高密度沉淀池的氨氮去除率为29.11%，组合工艺的氨氮去除率达52.65%；试验后期氨氮去除率升高可能是由于高密度沉淀池中微生物降解作用所致，但需要进一步考察。4)超滤系统运行64天，未进行化学清洗，跨膜压差仍然较稳定；粉末活性炭对膜污染有一定的延缓作用，高密度沉淀池中投加粉末活性炭可使跨膜压差较平稳并增长缓慢。5)超滤系统产水率为92%，总产水率为99%；整个超滤系统运行费用为0.1028元/吨。参考文献1．赵虎．超滤膜去除水体藻类试验研究[D]．北京:北京工业大学，20082．仇付国，王晓昌，纪海霞．城市污水超滤再生处理效果及安全性评价[J]．环境污染治理技术与设备，2004，5(2)：56-593．许嘉炯，郑毓佩，沈裘昌等．新型中置式高密度沉淀池的开发与应用[J]．给水排水，2007，33(5)：19-244．谢钦．高密度澄清池工艺简介[J]．给水排水，2006，32：38-395．蒋玖璐，李东升，陈树勤．高密度澄清池设计[J]．给水排水，2002，28(9)：27-296．石瑾，孔令勇．高密度澄清池（DENSADEG）的基本原理及其在净水厂中的应用[J]．净水技术，2007：58-617．许保玖．给水处理理论[M]．北京，中国建筑工业出版社，2000，630-6358．郝爱玲，陈永玲，顾平．微污染水处理中投加粉末炭减缓膜污染的机理研究[J]．膜科学与技术．2007，27(1)：35-39资助项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07421-002，2008ZX07422-005）；国家“十一五”科技支撑计划资助项目（2006BAJ08B06）作者简介：李星研究员Email:[e-mail]电话：[phone]注：本论文已发表