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城市污水强化一级处理的研究进展①
 
城市污水是城市水环境污染的主要来源之一,解决城市污水污染的根本措施是建设集中式城市污水处理厂,一般发展中国家都采用先建设一级处理以后再逐步完善二级处理的策略。但以自然沉淀为主体的一级处理污染物去除率较低,难以有效地控制水环境污染,为了提高其去除率,必须加以强化处理。而已建成的二级生物处理厂,由于其高昂的运行费和高能耗,也希望能够通过强化一级处理,减轻二级处理的负荷,降低能耗。近年来,一级处理强化技术的研究已成为新的热点,引起了国内外水处理工程界的关注和重视。

1 我国城市污水处理概况

城市污水处理是水环境污染控制的一个重要内容。发达国家的城市二级污水处理厂相当普及,处理率可达90%或更高;由于经济的原因,发展中国家的城市污水处理率较低,由此引起的城市水环境污染也较严重。
我国经济发展较快,城市化率不断提高,污水排放量持续增加,城市水环境受到严重污染。1994年城市污水排放量200.1×10 8 m 3 ,处理率仅为6.7% [1] ,同年工业废水处理率则为75.0%。可见,我国的城市污水还处于较低的处理水平,提高城市污水的处理率已成为当务之急。
我国的城市污水处理厂以二级生物处理为主,特别是近年建成的城市污水处理厂多是二级生物处理。全国117座城市污水处理厂中仅有24座为一级处理,约占总数的20.5%、总处理能力的17%;二级处理厂有93座,约占总数的79.5%、总处理能力的83%。由于能耗大,运行费用高,相当数量的污水处理厂没有正常运行,实际处理能力远低于设计能力。
我国中小城镇多,分布面广,污水排放量大(约占城市污水总量的70%),资金缺乏,废水处理任务十分艰巨。因而,这些城市的污水处理厂应分批建设,在近期内先大力发展并逐步普及一级处理厂,经过强化一级处理,以较少的投资削减较大量的污染负荷,到条件成熟后再建设二级处理工艺。这对我国这样经济尚不发达而环境污染又较严重的国家,具有十分重要的现实意义。发达国家的历史经验已证明了这一点。其他发展中国家也采取了类似的分期建设方案 [2] 。

2 城市污水强化一级处理工艺与效果

2.1 物理化学法强化一级处理
物化法强化一级处理与絮凝剂的发展密切相关。由于城市污水水量大,投加絮凝剂运行费用较高,在一级处理中应用较少。近年来,由于新型、高效、廉价絮凝剂的不断出现,在城市污水一级处理中已有所应用。
2.1.1 无机絮凝剂
在城市污水一级处理的物化强化技术研究中,采用的无机絮凝剂主要有铝盐、铁盐、石灰等。
早在60、70年代,就开始了无机絮凝剂强化一级处理的研究。以色列城市污水污染物浓度较高,为减轻后续处理的负担,进行了絮凝沉淀强化处理研究。以石灰和三氯化铁为絮凝剂,BOD去除率53%,SBOD(溶解性BOD)去除率14%,COD去除率68%,SCOD(溶解性COD)去除率32%,浊度去除率达到99%。
埃及F.A.EI-Gohary等(1991)采用硫酸铝、氯化铁和石灰三种絮凝剂处理城市污水,投加量分别为250mg/L、200mg/L和800mg/L,浊度去除率约为60%,COD去除率约为80%,对磷的去除效果也很好。英国的M.P.Gambrill等(1992)采用石灰处理热带地区的城市污水 [4] ,石灰投加量为720mg/L,水力停留时间8.8h,浊度和SS的去除率为91%,COD的去除率为89%,总磷去除率为96%,但出水pH偏高达11.5左右。
我国台湾的Chen Chiu-Yang(1993)研究了城市污水排海前的一级处理强化技术。投加硫酸铝和聚合氯化铝(PAC)各30mg/L,沉淀1h,SS和BOD的去除率分别为70%和60%,比强化处理前的45%和25%各提高了25和35个百分点。
由以上研究结果不难看出,投加无机絮凝剂能够大幅度地提高悬浮物和有机物的去除效率,强化效果明显。但无机絮凝剂的投加量一般较多,运行费较高,产污泥量较大。
2.1.2 有机高分子絮凝剂及其复配使用
有机高分子絮凝剂具有絮凝速度快,用量少等优点,其主要种类有合成高分子絮凝剂如聚丙烯酰胺(PAM)和天然高分子絮凝剂如壳聚糖等。由于有机高分子絮凝剂价格较高,为了减少药剂投加量,充分发挥不同絮凝剂间的协同作用,往往与无机絮凝剂复配使用。
日本的Suzuki等以一种弱阴离子高聚物1~2mg/L,与10~15mg/L(以Al 2 O 3 计)的PAC复配,采用颗粒流化床强化城市污水的一级处理,可以去除BOD79%,COD74%,SBOD10%,使后续生物处理的水力停留时间减为1h。
杨旭等以PAM改性制成的SW-101阳离子絮凝剂与PAC复配使用,可使废水COD去除率提高到60 %左右。宫世国等研制的一种含阴、阳离子的复合型天然高分子絮凝剂ASD-Ⅱ,用于处理城市生活污水,COD和BOD 5 去除率70%左右,SS去除率高达90%。处理效果优于对比的氧化沟法,而运行费用较低。
美国洛杉矶市的Hyperion污水处理厂,采用一种阴离子高聚物0.15mg/L,与10mg/L的FeCl 3 复配处理城市污水,连续运行6年,SS和BOD的一级处理去除率稳定在83%和51%左右,同时对磷和重金属的去除效果也很好,而其基建费和运行费却只有二级处理厂的30%左右。
表1 城市污水物化法强化一级处理效果

2.1.3 微生物絮凝剂
微生物絮凝剂是由微生物产生的具有高效絮凝作用的天然高分子物质,其化学本质主要是微生物代谢产生的各种多聚糖类、蛋白质或多肽。由于微生物絮凝剂絮凝效果好、投加量少、适用面广、无二次污染、絮体易于分离等优点而备受关注。
微生物絮凝剂在废水脱色、油水分离、污泥脱水、畜牧场废水处理、瓦厂废水处理等方面已有所应用,效果显著。但在城市污水处理中的应用尚未见报道,其原因在于目前微生物絮凝剂的研究尚处于实验室阶段,生产成本很高,无法适应城市污水处理的要求。
2.1.4 其它
在城市污水的一级强化处理中,还有一些因地制宜、以废治废或利用其它作用的强化技术。我国哈尔滨市马家沟,采用当地电厂的废物粉煤灰处理城市污水,能够去除COD30%~40 %,色度90%~98%,重金属30%~80%。其基建投资约为二级污水处理厂的1/3,运行费约为1/5。此外,还有以粘土、膨润土、沸石、泥炭、松树皮、木屑、磁化处理等强化一级处理的研究,均取得了较好的处理效果,但也存在一定的应用局限性。
2.2 生物絮凝吸附法强化一级处理
利用微生物的絮凝吸附作用强化一级处理,与二级生物处理的本质区别在于二级生物处理主要利用生物氧化作用,将有机物矿化;而生物法强化一级处理则主要利用微生物的絮凝吸附作用快速去除污染物质,同时伴有少量的生物氧化。这就决定了它必然要比二级生物处理产生更多的污泥,但由于不投加任何药剂,其产泥量比物化处理产泥量少。
二级生物处理也利用生物絮凝吸附作用,在曝气池中形成絮体,并在二沉池中实现固液分离。为了维持絮体悬浮和满足供氧的要求,曝气池中水流的速度梯度G一般在100~200s -1 左右,而絮凝反应的最佳G值应在10~100s -1[3、4、5] 。过度强烈地混合,使得生物絮体的破碎过程远强于絮体的形成过程,难于沉降的细碎颗粒数目增加,固液分离效果不好。因而,二级生物处理没有提供合适的絮凝条件。
由絮凝动力学可知,n个直径为d的颗粒的沉降去除半衰期t 1/2 为:

2.3 改善反应器性能强化一级处理
近年来,对沉淀池的技术理论没有大的突破,其主要发展在机械化和自动化程度的提高,但同时也有一些局部的技术革新。如法国人研究一种Le Densedeg的新型高效澄清池 [8] ,利用斜板沉降,通过直接脱水使污泥浓缩,沉降速度可达20~40m/h,出水水质好,已在城市污水沉淀中有所应用。J.Coma等利用细砂填料流化床强化一级沉淀 [9] ,停留时间15min即可去除60%的SS。日本人以射流混合分离器(JMS)处理城市污水 [10] ,利用多孔隔板的射流作用使污水均匀混合,其絮凝与沉淀作用同时发生,可在HRT<1h的情况下有效提高污染物的去除率。波兰的J.Kurbiel等研究了管式絮凝器的应用 [11] ,以之代替传统的絮凝池和搅拌装置,利用管中的涡流保证适宜的混合条件,絮凝时间50~100 s,比传统絮凝时间短得多,絮凝效果也很好,工程投资和运行费用得以有效降低。
总之,无论发达国家还是发展中国家,对城市污水一级处理强化工艺的研究都很重视,并已取得了一定的成果,但多数研究还停留在小试探索阶段,工艺技术很不成熟。

3 发展趋势分析

环境污染的加剧和经济发展的水平决定了在相当长的一段时间内,一级处理应是我国中、小城市污水处理的重要方式。强化一级处理、提高单位投入污染物的去除率,也必将是污水处理的重要研究内容之一。
一级处理强化技术中,无机絮凝剂因其投药量大、产泥量多、运行费用高而缺乏竞争力,但如与其它种类的絮凝剂复配使用则可以发挥协同作用,达到较好的处理效果,这可能是其在城市污水处理中最具生命力的方面。有机絮凝剂和微生物絮凝剂投加量一般较少,但由于产品价格较高,大量应用仍有一定的困难。优选廉价、高效絮凝剂应是目前最迫切的任务。
生物絮凝吸附不必投加任何外部药剂,污泥产量相对较少,运行费用较低,应用前景广阔。但目前尚没有应用实例,对其运行机理、影响因素、控制参数等也都缺乏系统深入的研究,特别是对厌氧生物絮凝吸附研究更少。考虑到一级处理HRT短,SS含量大,而厌氧微生物代谢期较长,能否经受长期运行特别是在冬季低温条件下的考验还有待证实。因而,应进一步研究生物絮凝吸附的机理,探索适宜的处理工艺和运行参数,为工程应用提供坚实的理论和技术基础。
关键词:爱森聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、絮凝剂、水处理药剂、造纸分散剂、净水絮凝剂
参考文献:廊坊盛源化工有限责任公司
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