污水纖維球處理技術(shù)

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1給水處理工藝的比較、啟示及其困惑

1.1自來水廠凈水工程簡(jiǎn)介

現(xiàn)代自來水廠處理工藝是隨著工業(yè)文明的到來和現(xiàn)代城市的產(chǎn)生而同步產(chǎn)生的，所以，其發(fā)展歷史遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過城市污水廠。而且自來水廠處理工藝一經(jīng)產(chǎn)生，就萬變不離其宗，并且今后將仍然持續(xù)有效。自來水廠的水源主要為天然水體，水處理的目的是去除水體中的膠體顆粒與控制水體中的細(xì)菌、致病菌和其他微生物。自來水廠的處理工藝包括處理單元、清水池和二級(jí)泵站等設(shè)施。凈水工程設(shè)施的功能是將原水凈化處理成符合城市用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的凈水，并通過二級(jí)泵站加壓輸入城市供水管網(wǎng)。

1.2污水廠二級(jí)生化處理工藝介紹

城市污水中含有懸浮物、膠體、有機(jī)物、致病菌和工業(yè)生產(chǎn)中的有毒有害物質(zhì)，目前，污水處理的方法也多種多樣，通常將其分為：一級(jí)處理方法、二級(jí)處理方法和三級(jí)處理方法。我國城市污水廠已經(jīng)逐步普及了二級(jí)處理工藝。上述工藝也是全球公認(rèn)的典型的城市污水處理工藝。所以，如果想進(jìn)一步改善污水廠尾水水質(zhì)，只有在二級(jí)沉淀池后，增加處理設(shè)施和處理單元。

1.3比較和啟示

通過比較自來水廠處理工藝，可以看出，在污水沉淀處理工藝后，最佳后續(xù)單元應(yīng)該是過濾處理工藝。

1.4污水廠尾水過濾處理的困境

（1）污水中懸浮顆粒濃度高自來水沉淀池出水中，懸浮物顆粒是絮凝反應(yīng)后的粘土類顆粒物，粒徑較小、強(qiáng)度很低，進(jìn)入粒徑0.6-1.5毫米的濾料顆粒濾池（如自來水廠的石英砂濾池）后，水中的顆粒物能夠深入濾料層20-40毫米以上，實(shí)現(xiàn)濾料的深層過濾，濾料層不會(huì)形成表層過濾，有助于發(fā)揮深層濾料的過濾作用，提高過濾周期，降低濾料層反沖洗頻率。并且沉淀池出水中的懸浮顆粒濃度通常不超過10-20mg/L，所以，自來水廠過濾池的運(yùn)行周期一般可以達(dá)到12-24小時(shí)以上。和自來水處理工藝不同的是，污水廠二級(jí)沉淀池出水中，懸浮物濃度通常高達(dá)30-50mg/L左右，而石英砂濾床等傳統(tǒng)濾料的濾層空隙率較低，濾料層的截污能力低，是縮短過濾周期的一個(gè)因素。

（2）污水中懸浮顆粒粒徑大、強(qiáng)度高污水處理工藝中，二沉池去除的懸浮顆粒未經(jīng)過混凝反應(yīng)，而且水體中或懸浮顆粒自身常常帶有氣泡，所以，即使粒徑達(dá)3-5毫米的懸浮顆粒，也很容易隨著水流上浮而流出沉淀池。這些懸浮顆粒多為脫落的生物膜或活性污泥顆粒物，強(qiáng)度較大，不能借助過濾水流的剪切作用而深入濾床。

（3）傳統(tǒng)濾料過濾污水周期短、反沖洗耗水量大當(dāng)人們采用石英砂過濾方法處理二沉池尾水時(shí)，很容易導(dǎo)致濾料表層的堵塞而形成表層過濾，過濾周期只有幾十min，過濾池的反沖洗水量占過濾水量的比例高達(dá)1/3到1/2左右。即使人們努力通過改進(jìn)顆粒濾料工藝，如采用升流式濾床過濾、無煙煤-石英砂雙層濾料過濾、陶粒濾料過濾等，也只能些微地延長(zhǎng)過濾周期，而根本無法達(dá)到實(shí)用效果。

（4）污水過濾對(duì)濾料的基本要求擺在污水處理研究工作者面前的最基本的任務(wù)是，尋找適宜的污水過濾技術(shù)，改進(jìn)污水處理廠尾水水質(zhì)。污水過濾濾層應(yīng)該具有濾料空隙率高、濾料層孔徑大，便于污水中的懸浮顆粒深入濾料層內(nèi)部，發(fā)揮深層濾料的過濾作用，延長(zhǎng)過濾周期，降低濾池的反沖洗頻率和反沖洗周期，使污水過濾實(shí)用化。

2纖維球?yàn)V料的結(jié)構(gòu)特征

纖維球過濾技術(shù)最早是日本于上世紀(jì)80年明的技術(shù)，并且經(jīng)過我國水處理和廢水處理專家?guī)资昱Ω倪M(jìn)的、不斷發(fā)展的處理技術(shù)。主要產(chǎn)品有剛性纖維球和彈性纖維球等類型。其技術(shù)參數(shù)特征為：

2.1濾料層空隙率高

纖維球?yàn)V料層空隙率高達(dá)95%左右，過濾起始階段，濾料層空隙率甚至高達(dá)98%左右；而傳統(tǒng)石英砂濾料層空隙率只有41%左右，即使多孔隙性的陶粒濾料，其濾料層的空隙率也只有70%，況且每個(gè)陶粒的核內(nèi)空隙和過度細(xì)小的空隙根本無法發(fā)揮過濾截流作用）。所以，和傳統(tǒng)濾料相比，纖維球?yàn)V料層的空隙率占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

2.2濾料層空隙大，便于發(fā)揮深層濾料的過濾作用

傳統(tǒng)石英砂濾料的粒徑只有0.5-1.2毫米，濾料層的孔隙直徑0.3-0.5毫米，甚至更低。即使陶粒濾料或無煙煤濾料，濾層孔隙直徑一般也不超過1毫米。而纖維球?yàn)V料的粒徑一般達(dá)30-50毫米，濾料層的孔隙直徑高達(dá)10-30毫米。為懸浮顆粒深入濾料層創(chuàng)造了條件。

2.3濾料層空隙分布合理

傳統(tǒng)濾料層都是粒徑粗細(xì)不等顆粒組成的，在濾料層反沖洗過程中，很自然地將細(xì)小顆粒濾料沖洗到濾池上方甚至沖出池外，由此，形成了上層細(xì)小、下層粗大的濾層結(jié)構(gòu)，即反粒徑分布結(jié)構(gòu)。而纖維球則是人為加工的濾料，濾料粒徑大小一致，所以，反沖洗后，上下層濾料的粒徑也是均勻一致的。不僅如此，由于彈性纖維球?yàn)V料具有可壓縮性，當(dāng)進(jìn)行過濾時(shí)，濾料層受到過濾阻力以及自身重力、截流的懸浮顆粒的重力等作用，濾料層受到垂直向下的壓力，并且這種壓力從上到下而逐漸增大，使得彈性纖維球?yàn)V料層從上到下的壓縮程度也逐漸增大，結(jié)果，濾料層空隙率從上到下逐漸減少，即和傳統(tǒng)濾料層的反粒徑分布特征正好相反，這也是纖維球?yàn)V料能夠發(fā)揮深層過濾作用的另一重要原因。

2.4濾料層比表面積大，吸附能力強(qiáng)

石英砂濾料層的比表面積通常約300—400m2/m3，即使濾粒自身帶孔隙的陶粒濾料層，比表面積也只有600—700m2/m3，而纖維球?yàn)V料層的比表面積高達(dá)3000—10000m2/m3。纖維球?yàn)V料通常為聚酯纖維等材料制成，對(duì)于污水中的活性污泥或生物膜顆粒，具有很強(qiáng)的吸附能力，即使在高速過濾狀態(tài)，也能夠?qū)腋☆w粒截流在濾層中，保證良好的過濾出水水質(zhì)。

3纖維球?yàn)V料的過濾運(yùn)行特征

3.1濾料層過濾阻力小

正是由于纖維球?yàn)V料層的高空隙率、大孔徑特征，濾料層過濾阻力很小。如反沖洗結(jié)束后，纖維球?yàn)V料層的起始過濾阻力只有0.02-0.03米的水頭損失，而石英砂濾料層的起始過濾阻力達(dá)到0.15-0.2米的水頭損失。

3.2過濾濾速高

由于傳統(tǒng)濾料過濾的阻力較大，所以，過濾速度受到限制，通常濾速不超過10-15m/h，否則，濾層阻力將迅速增加，達(dá)到過濾阻力極限值，不得不頻繁地進(jìn)行反沖洗。此外，傳統(tǒng)濾料層的空隙結(jié)構(gòu)分布不合理，一旦水體中的懸浮顆粒隨著高速水流深入到濾料層內(nèi)部，又很容易導(dǎo)致濾料層的穿透，這也是傳統(tǒng)濾料層無法進(jìn)行高速過濾的原因。纖維球?yàn)V料過濾阻力小，即使濾速高達(dá)30-40米，過濾阻力的增長(zhǎng)速度仍然較緩慢，不會(huì)因阻力的迅速上升而中止過濾。而且，纖維球?yàn)V料層下層的空隙率小、孔徑小、比表面積大，即使懸浮顆粒隨著高速水流深入到濾料層內(nèi)部，也能夠通過底層細(xì)密濾料層的有效截流，防止濾料層穿透。當(dāng)然，整個(gè)纖維球?yàn)V料層的高比表面積以及纖維球的高吸附能力，也是防止濾料層穿透的有效手段，同樣也是纖維球高速過濾的保證。

3.3濾料層截污能力強(qiáng)

由于纖維球?yàn)V料層的高空隙率，以及纖維球?yàn)V料深層濾料層的空隙分布特征，使得纖維球?yàn)V料層的截污能力大大提高。給水過濾同步比較實(shí)驗(yàn)表明，傳統(tǒng)石英砂濾料的截污能力一般不超過1-2kg/m3，而纖維球?yàn)V料層的截污能力高達(dá)3-5kg/m3；污水過濾同步實(shí)驗(yàn)表明，石英砂濾料層因?yàn)楸韺訛V料空隙的迅速堵塞，截污能力反而下降到0.1-0.2kg/m3，當(dāng)纖維球?yàn)V料過濾廢水時(shí)，恰恰因?yàn)榇箢w粒懸浮物在濾料層表面的截流，更加充分地發(fā)揮了濾料層內(nèi)部的截流作用，使得纖維球?yàn)V料層的截污能力進(jìn)一步提高到5-10kg/m3。

3.4過濾周期長(zhǎng)

由于纖維球?yàn)V料層的截污能力強(qiáng)，所以，過濾周期顯著提高。在同等濾速過濾給水時(shí)，纖維球過濾的周期至少是石英砂濾料的3-4倍；在同等濾速過濾污水時(shí)，石英砂濾料的周期甚至只有10-20min，而纖維球過濾至少達(dá)8小時(shí)以上。即纖維球過濾污水的周期甚至是石英砂濾料的50倍以上。由于不需要頻繁地進(jìn)行反沖洗，所以，纖維球過濾運(yùn)行非常便捷穩(wěn)定，并且可以減少工作量。

3.5節(jié)省反沖洗水量

纖維球過濾過濾周期長(zhǎng)，反沖洗頻率低，是節(jié)省反沖洗水量的一個(gè)原因。纖維球過濾可以進(jìn)行氣、水同時(shí)反沖洗，通過氣體的強(qiáng)烈攪動(dòng)作用使懸浮顆粒脫離濾料表面進(jìn)入水體，隨著反沖洗水而流出濾池，從而節(jié)省大量的反沖洗水量。由于纖維球過濾池上方設(shè)有多孔板，能夠防止濾料隨著反沖洗水流失，所以，反沖洗的氣體強(qiáng)度和水流強(qiáng)度都不需要嚴(yán)格控制，并且能夠同時(shí)進(jìn)行氣水反沖洗，操作簡(jiǎn)便。傳統(tǒng)濾料的粒徑很小，不能夠通過多孔板防止反沖洗狀態(tài)的濾料流失，所以，不能進(jìn)行氣水同時(shí)反沖洗。即使進(jìn)行氣體輔助沖洗，也必須先氣體攪動(dòng)、后水流沖洗，操作不便，也不便于節(jié)約反沖洗水。纖維球?yàn)V料和石英砂濾料的同步給水過濾實(shí)驗(yàn)表明，纖維球過濾的反沖洗水量與過濾產(chǎn)水量之比，只有石英砂的1/6-1/8。當(dāng)用于污水過濾時(shí)，纖維球過濾的反沖洗水量與過濾產(chǎn)水量之比，僅為石英砂的1/10。

4纖維球?yàn)V料過濾能夠應(yīng)用于污水處理

事實(shí)上，從上述運(yùn)行特征已經(jīng)可以得出結(jié)論：纖維球?yàn)V料可以用于污水過濾，并且能夠穩(wěn)定運(yùn)行。纖維球?yàn)V料孔徑大，且自上向下逐漸遞減，污水過濾時(shí)，活性污泥顆粒或脫落的生物膜，也能夠輕易地深入到濾料層深層，發(fā)揮深層濾料的過濾作用，不至于因?yàn)闉V料表層堵塞使過濾周期急劇下降。相反，傳統(tǒng)石英砂或無煙煤等濾料過濾污水時(shí)，則不能夠發(fā)揮深層濾料的過濾作用，周期急劇下降而不能適用。相對(duì)于給水處理，污水中的懸浮顆粒濃度更高，一般濾料即使發(fā)揮深層截污能力，也難以保持較高的過濾周期；纖維球?yàn)V料空隙率高、截污能力大，這也是纖維球?yàn)V料能夠用于污水過濾的另一主要原因。纖維球過濾設(shè)備的反沖洗條件是氣水同時(shí)反沖洗。借助于氣體攪動(dòng)，可以提高反沖洗效果、降低反沖洗用水量。而污水處理工藝中，常常采用鼓風(fēng)曝氣。借助鼓風(fēng)曝氣氣源進(jìn)行纖維球過濾設(shè)備反沖洗，可以避免增設(shè)鼓風(fēng)設(shè)備，這也是纖維球過濾設(shè)備能夠便捷地用于污水過濾的另一條件。

5纖維球?yàn)V料過濾工藝是當(dāng)今污水深度處理的最佳選擇

5.1技術(shù)優(yōu)勢(shì)

由于我國城市污水量逐年增加，我國不得不執(zhí)行更加嚴(yán)格的污水尾水排放標(biāo)準(zhǔn)。但是，我國污水處理廠的處理工藝仍然停留在污水二級(jí)生化處理，并且今后一段時(shí)期內(nèi)，國家或地方政府也不可能要求污水廠增設(shè)活性炭、臭氧氧化、反滲透等深度處理工藝。而針對(duì)越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，二級(jí)生物處理又無能為力，這應(yīng)該是業(yè)內(nèi)人士的共同認(rèn)識(shí)。上述運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，纖維球過濾二沉池出水時(shí)，懸浮顆粒濃度從10-20mg/L左右下降到2mg/L以下，SS去除率接近90%；COD濃度從70-80mg/L左右下降到40mg/L左右，COD去除率接近50%。纖維球過濾不僅能夠顯著改善尾水水質(zhì)，符合當(dāng)今發(fā)展趨勢(shì)；而且能夠高速過濾，濾速可以達(dá)到20-40m/h。而且過濾周期達(dá)到10-20h，即能夠穩(wěn)定地用于污水過濾，不必頻繁地進(jìn)行反沖洗。

5.2經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)

纖維球過濾設(shè)備投資較省，一般約20-30元/（m3水/日）。只需要增加二級(jí)生物化學(xué)處理工藝投資的1-2%的投資，即可以實(shí)現(xiàn)污水深度處理。而其它深度處理單元的投資通常高達(dá)纖維球過濾的幾十倍甚至幾百倍。纖維球過濾設(shè)備再生簡(jiǎn)便，只需要進(jìn)行氣水反沖洗，并且反沖洗耗水量很少，成本很低。與活性炭吸附的再生費(fèi)用簡(jiǎn)直不能比較。

5.3空間改造優(yōu)勢(shì)

纖維球過濾設(shè)備占地很少，通常相當(dāng)于二沉池占地的1/40-1/20。由于體量很小，所以，便于在已經(jīng)建有二級(jí)生物處理工藝的現(xiàn)狀污水廠內(nèi)增設(shè)，改造工程非常簡(jiǎn)便。此外，纖維球過濾設(shè)備體量小，所以，常常制造成罐式過濾設(shè)備，運(yùn)輸、移動(dòng)、安裝等也非常便捷。