新型氣浮設備去除污水廠二沉池出水TP和SS中試
摘要：采用自主設計研發的新型氣浮設備對北方某市污水廠二沉池出水進行深度處理，考察了混凝劑種類、水溫、回流比、表面負荷等對去除TP和SS的影響。結果表明，在一定的表面負荷和回流比下，二沉池出水經新型氣浮設備處理后TP濃度低于0.3mg/L，且不受溫度影響。在僅投加PAC時，該設備即可維持出水SS低于20mg/L。相較于高效沉淀池，采用氣浮處理二沉池出水的運行費用低，經濟效益好，可作為城市污水廠深度處理工藝。
人口增加和生活水平的提高使得生活用水量不斷增加，隨之而來的污水處理問題日益嚴峻。若不能嚴格控制污水廠出水氮、磷等含量，將導致受納水體富營養化等嚴重的水環境問題。運行超過5年的城鎮污水處理廠，大部分處理量已超過當初建設時的設計規模，且外界因子變化時出水TP和SS濃度隨之改變，難以滿足日益嚴格的排放標準，需改造升級。而改擴建污水廠為了滿足更加嚴格的出水TP要求，不得不選擇三級處理工藝，但常規三級處理工藝面對不斷嚴格的出水水質標準，逐漸捉襟見肘。氣浮法具有較好的去除SS效果，且發展時間較長，技術成熟，但對TP的去除效果需要進一步提升。因此開發具有去除TP且高效降低SS的新型氣浮設備，是污水廠三級處理工藝發展的方向之一。
鐘希冰等采用HYDRONET氣浮技術代替市政污水廠二沉池，不僅使出水SS降低至2mg/L以下，且可減少PAM的投加量和加藥泵啟動頻率，提高了經濟效益。鎮祥華等采用氣浮工藝對曝氣生物濾池出水進行固液分離，有效降低了出水SS及TP濃度，并且可以保證TP濃度降低至0.05mg/L（一級A排放標準為0.5mg/L），保證了污水處理達標率。潘國強等采用氣浮-陶瓷膜耦合工藝處理煉油廠含油廢水，總COD去除率高達96%以上，體現了該工藝對污染物的高效去除能力。可見，開發新型氣浮工藝一直是污水深度處理領域的研究熱點之一。
筆者結合氣浮工作原理，開發了一種新型氣浮設備，其分離段采用上流式構造并布置斜板，可強化浮渣與水的分離作用，提高氣浮除污效率。采用該新型氣浮設備對污水廠二沉池出水進行深度處理中試研究，考察了對TP和SS的去除效果，以期為新型設備的開發與應用提供理論依據。
01 材料與方法
1.1 試驗用水水質
試驗用水取自北方某城市污水處理廠二沉池出水，其冬季SS濃度為400～800mg/L，水樣經靜沉30min的上清液中TP濃度高達1.0～2.0mg/L；在夏季二沉池出水SS濃度處于200～400mg/L之間， TP濃度為0.5～1.0mg/L。
1.2 試驗裝置及特點
1.2.1 試驗裝置
研發的新型氣浮設備如圖1所示。該氣浮設備由鋼板焊接而成，整體長3.8m，寬1.6m，高2.5m。采用平流式氣浮池，長1.8m，寬1m，有效水深為2.2m，超高取0.3m。排渣槽設在氣浮池的一側，其寬與槽深均為0.2m。氣浮設備出水集水管中心線距池底0.3m，池底設有排泥管，將池底的少量淤泥排出。
新型氣浮裝置穩定運行時進水流量為15m3/h，水力停留時間為10min，表面負荷為8m3/（m2·h）。壓力溶氣罐高為1.55m，外徑為0.2m。溶氣罐的壓力在0.3～0.42MPa之間，回流泵流量為1.5～2.0m3/h，回流比為10%～13.3%。
新型氣浮設備未設橋式刮渣機，通過控制水位去除水面的浮渣，電動出水閥安裝在出水管上，通過定時器來控制電動出水閥的開閉。當電動出水閥關閉時，氣浮機停止出水，氣浮池內水位上升，將水面上的浮渣排入排渣槽，實現固液分離。
1.2.2 裝置主要特點
與傳統的氣浮工藝相比，該新型氣浮工藝的主要特點是：采用上向流氣浮，水流上升與浮渣上浮同方向，表面負荷高。
主流的氣浮反應器分離段構造是水從上向下流動，在水向下流動的過程中浮渣向上分離，由于水流方向與浮渣的分離方向相反，因此可稱為異向流氣浮。異向流氣浮向下的水流速度不能過快，否則容易造成出水帶浮渣，影響處理效果。異向流氣浮反應器的表面負荷一般在5.4～9m3/（m2·h）之間。
該新型氣浮的分離段采用下進水上向流結構，絮凝后的水與溶氣水在進入分離段之前混合并在分離段下部布水，在底部接觸區微氣泡與微絮體進一步接觸，形成絮體與氣泡結合體，然后水繼續上升到分離區。分離區設獨特結構的分離器，該分離器是一種斜板結構，在斜板上端設集水槽。水進入分離區后，首先在斜板的作用下產生浮渣分離效果，在兩層斜板之間形成浮渣和清水分層，浮渣將貼著上斜板下部在水流推動和浮力的作用下向上流動形成浮渣層，清水層向上推動，在分離器上端通過集水槽收集，通過各集水槽上的支管與匯水管連接，最終進入清水池。氣浮包括絮凝、絮體與微氣泡結合、絮體/氣泡結合體與水分離三個主要過程。
1.3 試驗設計
試驗藥劑共兩種，分別是聚合氯化鋁（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM），試驗期間PAC投加量為15.1、27.5、32、36.7mg/L，PAM投加量為0.5、0.6、0.6～0.7、0.77mg/L。
試驗周期跨越了春、夏、秋、冬四季，其水溫在17～29℃之間波動。經前期試驗摸索適當的進水流量、混凝劑投加量、回流比之后，進行分段試驗研究。分段試驗一：只投加PAC試驗和PAC、PAM同時投加試驗；分段試驗二：考察不同季節時溫度對氣浮效果的影響，同時將新型氣浮池出水與污水處理廠高效沉淀池出水進行對比。
02 結果與討論
2.1 除磷效果
2.1.1 與污水廠高效沉淀池的對比
新型氣浮設備所在污水處理廠采用 “高效沉淀池+V型濾池” 三級處理工藝，因氣浮設備未設置濾池，將其出水TP濃度與該廠高效沉淀池出水TP濃度進行對比，結果見圖2。氣浮設備出水TP最低為0.09mg/L，最高為0.35mg/L，平均為0.24mg/L；污水廠出水TP最低為0.16mg/L，最高為0.63mg/L，平均值為0.38mg/L。由此可見，二沉池出水經氣浮處理后比污水廠高效沉淀池出水TP濃度更低且穩定，說明氣浮工藝用于污水廠深度除磷是可行的，且除磷效果較高效沉淀池好，經出水平均值對比，氣浮工藝的除磷效率較高效沉淀池高36.8%。另外，從整個運行過程來看，污水廠出水TP濃度受季節影響較大，而新型氣浮設備受季節影響小，且可維持出水TP濃度處于較低水平，為污水廠出水TP達標提供了保障，并且該氣浮裝置的處理量可以達到360m3/d，占地面積只有6.08m2，相較于一般的氣浮設備，占地面積要小。
將檢測的出水TP濃度劃分為4個階段，統計各個階段所包含的天數并計算其占比。結果顯示，氣浮池出水TP為0～0.2、0.2～0.3、0.3～0.5、>0.5mg/L的天數分別為9、17、10、0d，相應占比分別為25%、47.2%、27.8%、0，而污水廠高效沉淀池的相應值分別為2、3、27、4d和5.6%、8.3%、75%、11.1%。可見新型氣浮池出水TP大部分在0.2～0.3mg/L之間，污水廠高效沉淀池的出水TP大部分在0.3～0.5mg/L之間，表明新型氣浮池的除磷效果遠優于污水廠的高效沉淀池，即便在二沉池的出水SS過高時中試設備也能取得較好的除磷效果，出水水質達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準。
2.1.2 藥劑對除磷效果的影響
為有效去除水中的懸浮物，考察了PAC和PAM對氣浮效果的影響，結果如圖3所示。投加PAC和PAC+PAM的氣浮出水TP濃度變化趨勢一致，總體上PAC+PAM的出水水質略優于PAC。試驗期間，兩種投藥方式下的出水TP濃度均低于0.3mg/L，且均遠低于同時期污水廠出水磷濃度，表明兩種投藥方式都可作為二沉池出水深度除磷的備選。
將投加PAC與PAC+PAM的出水總磷濃度數據劃分為5個區域，并將其在各個區域的天數進行匯總，結果如表1所示。同時加入PAC和PAM與僅投加PAC的除磷效果差異較小，當僅投加PAC時TP平均去除率為68.8%，同時加入PAC和PAM時，總磷平均去除率為69.2%。由于二者的TP去除率差異較小，且均能滿足出水水質標準，故在實際工程中可以只投加PAC。
2.1.3 季節變化對除磷效果的影響
此氣浮設備運行的周期較長，其間跨越了多個季節，由于各個季節的溫度不同，導致原水水溫存在差異。為探究水溫對氣浮設備去除TP的影響，選取夏季、秋季、冬季的數據進行比較，結果見圖4。
在進水流量為15m3/h時，選取夏、秋、冬季各連續22d數據進行比較，其中夏季出水TP最大值為0.47mg/L，最小值為0.09mg/L，平均值為0.26mg/L；秋季出水TP最大值為0.39mg/L，最小值為0.12mg/L，平均值為0.24mg/L；冬季出水TP最大值為0.39mg/L，最小值為0.13mg/L，平均值為0.28mg/L。可見，三者的平均值都在0.3mg/L以下且相差不大，即氣浮池對TP的去除效果并沒有太大波動。將各個季節的出水總磷濃度的數據分為5個區域，對其出水總磷在各個區域的天數進行匯總比較，結果見表2。
夏季的水溫基本上在28℃左右，最高能達到29℃以上，而冬季的水溫都在18 ℃左右，兩者相差10℃，然而夏季和冬季的出水TP濃度差異較小，并沒有因溫度降低而使出水TP濃度大幅度上升，即水溫對氣浮池去除TP的影響并不大，三個季節都能保證出水總磷濃度在0.5mg/L以下，并且大部分時間出水TP濃度都保持在0.3mg/L以下。
2.1.4 高SS濃度時的除磷效果
試驗前期正值冬季，該污水處理廠二沉池出水懸浮物濃度較高，其SS為400～800mg/L，出水渾濁，相關指標無法達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準。氣浮設備處理水量為15m3/h，回流比為15%，PAC的投加量為30mg/L，不投加PAM，考察氣浮設備對二沉池出水總磷的去除效果。二沉池出水懸浮物濃度高， TP大部分黏附于懸浮物上，經測試TP濃度超過2.0mg/L。實際測試氣浮設備進水TP濃度時，將水樣靜沉30min，取上清液測量，氣浮設備出水水樣不靜沉。進行了5d的取樣測試，每天上午和下午各取一次樣，氣浮設備對TP的去除效果如圖5所示。
在二沉池出水懸浮物濃度高達400～800mg/L時，出水中大量的磷以顆粒磷的形式存在，同時溶解性的磷可與混凝劑（PAC）結合并析出，然而都可通過氣浮被良好地去除。將進水水樣靜沉30min后上清液中TP濃度為1.2～1.5mg/L，經氣浮處理后降至0.4mg/L以下，由此可見混凝、氣浮除了去除顆粒態磷外，對溶解性磷也有良好的去除效果。新型氣浮工藝通過微氣泡與水中的溶解性磷發生化學反應而形成懸浮態磷，同顆粒態磷一起被去除。
2.2 新型氣浮設備對SS的去除
2.2.1 投加PAM對出水SS的影響
穩定進水流量為12m3/h，表面負荷為6.7m3/（m2·h），回流比為15%，PAC投加量為20mg/L，PAM投加量為0.6mg/L，每天上午投加PAC、下午同時投加PAC和PAM，結果如圖6所示。可見，新型氣浮系統只加PAC即可將SS濃度降到20mg/L以下，PAM的加入對處理效果影響不大。目前，應用較多的加磁混凝沉淀池和加砂混凝沉淀池等需引入密度大的細小顆粒物質，顆粒物質與懸浮物結合方可加快懸浮物的沉降，縮短沉降時間，提高沉降效果，因此這兩種工藝都需要投加PAM。而氣浮工藝采用微小氣泡代替顆粒物，微小氣泡不需PAM即可與懸浮物產生良好的結合，達到去除SS效果，降低了運行成本。
2.2.2 表面負荷對出水SS的影響
穩定PAC投加量為20mg/L，不加PAM，回流比為15%。試驗前10d分離池的表面負荷上午為4.5m3/（m2·h）、下午為6.0m3/（m2·h），后10d上午為7.5m3/（m2·h）、下午為9.0m3/（m2·h）。新型氣浮設備出水SS濃度隨分離池表面負荷的變化見圖7。
由圖7可知，新型氣浮設備分離池表面負荷≤6.0m3/（m2·h）時，出水SS濃度維持在20mg/L以下，并且保持相對穩定；當表面負荷≥7.5m3/（m2·h）時，出水SS濃度波動大，部分時段出水SS超過20mg/L，表明氣浮工藝應選擇適宜的進水負荷，否則會影響后續出水水質。負荷較高時，氣浮設備所產生的微氣泡不能有效與污水中懸浮物接觸，難以去除水中過量的懸浮物，導致出水水質變差。
2.2.3 回流比對出水SS的影響
穩定進水流量為12m3/h，表面負荷為6.0m3/（m2·h），PAC投加量為20mg/L，不投加PAM，調整回流比為8%、12%、16%，氣浮設備出水SS濃度隨回流比的變化如圖8所示。當回流比為8%時，出水SS濃度高、波動大，可達到80mg/L以上；當回流比為12%時，出水SS仍波動較大，平均為25.31mg/L；當回流比為16%時，氣浮出水SS濃度<20mg/L，說明提高回流比可提高對SS的去除率。
03 經濟效益分析
污水處理運行成本主要包括：人工費、電費和藥劑費。其中，新型氣浮裝置的主要用電設備包括回流泵及空壓機，高效沉淀池的用電設備包括回流污泥泵及剩余污泥泵等；高效沉淀池的藥劑費包括PAC與PAM的費用，而新型氣浮設備所需藥劑只有PAC。
在相同的進水流量（15m3/h）、回流比（15%），以及同等的處理效果下，該新型氣浮設備的電費成本為0.019元/m3，高效沉淀池的電費成本為0.026元/m3。新型氣浮設備所加藥劑是有效成分為30%的PAC，投加量為20mg/L，則藥劑費為0.048元/m3；高效沉淀池需同時加入PAC及PAM，藥劑費為0.059元/m3。
根據上述分析，同時考慮到兩種工藝人工成本基本相當的情況，新型氣浮設備和高效沉淀池的運行成本分別為0.067、0.085元/m3（不考慮人工費），即新型氣浮池的運行費用更低。
04 結論
① 二沉池出水中不僅含有顆粒態磷還含有溶解性磷，采用新型氣浮池，只需投加PAC即可使出水TP濃度滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準，且處理效果不受溫度影響。
② 當新型氣浮設備的表面負荷為6.0m3/（m2·h）和回流比不小于15%時，其對二沉池出水SS的去除效果較好，出水SS維持在20mg/L以下。
③ 新型氣浮設備處理二沉池出水的電費及藥劑費成本為0.067元/m3，相對高效沉淀池工藝更經濟。
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