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綠色高效復合絮凝劑在強化污水處理及提質(zhì)增效中的研究與應用

王啟鑌 楊世鵬

01背景
由于我國城鎮化的推進(jìn)，污水量不斷增加，而污水處理廠(chǎng)設計規模滯后于人口增長(cháng)速度，造成污水廠(chǎng)處理能力不足，在新建城市污水處理廠(chǎng)的投資成本高、土地資源有限等條件下，導致污水廠(chǎng)長(cháng)期超負荷運行，進(jìn)而導致出水無(wú)法穩定達標，因此許多污水廠(chǎng)在尋求原位提標改造的方法?？v觀(guān)我國污水處理廠(chǎng)實(shí)際運行狀況，據統計全國近90%的污水廠(chǎng)進(jìn)水污染物負荷為設計值的50%以下，雨季濃度會(huì )進(jìn)一步降低，負荷率僅為設計值的20-30%。而污水處理廠(chǎng)的生化處理效率與負荷有關(guān)，與流量無(wú)關(guān)，因此生化系統的富裕負荷能力能夠滿(mǎn)足需求，可用于解決上述問(wèn)題，而限制性因素是二沉池的沉降效率，如何快速實(shí)現二沉池的泥水分離，提高二沉池的處理負荷成為原位處理方案的關(guān)鍵所在。
污泥膨脹是生化處理系統較為嚴重的異?，F象之一，它直接影響出水水質(zhì)，甚至危害整個(gè)生化系統的運行。污泥膨脹的發(fā)生率是相當高的，在歐洲近50%的城市污水廠(chǎng)每年都會(huì )有污泥膨脹現象發(fā)生；在我國，特別是北方地區秋冬換季時(shí)，污水處理廠(chǎng)極易發(fā)生污泥膨脹現象，約三分之二的污水廠(chǎng)出現過(guò)不同程度的污泥膨脹。污泥膨脹不但發(fā)生率高、發(fā)生普遍，而且一旦發(fā)生難以用工藝參數優(yōu)化方式短期控制，通常都需要很長(cháng)的時(shí)間來(lái)調整。如此一來(lái)，造成二沉池跑泥，嚴重影響污水廠(chǎng)處理規模和出水水質(zhì)。
針對上述情況，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授王凱軍研究團隊開(kāi)發(fā)了基于復合絮凝劑的污水處理新技術(shù)加以解決。該技術(shù)具有新建投入低、改造便捷迅速、出水水質(zhì)穩定達標等優(yōu)點(diǎn)，能夠適用于污水廠(chǎng)提標改造和解決污泥膨脹的需求，已從批次實(shí)驗、小試實(shí)驗、中試實(shí)驗成功地擴大到生產(chǎn)實(shí)驗，能夠為污水廠(chǎng)穩定運行和水環(huán)境治理提供有力支持。

02研究?jì)热?/span>
2.1 研究歷程2016年，課題組以污泥快速沉降為突破口，利用復合絮凝劑的比表面積大和電荷多的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)展了一系列小試批次實(shí)驗，獲得了一套高效運行參數和運行模式，包括藥劑投加量、曝氣攪拌時(shí)間、沉降時(shí)間等參數，為連續實(shí)驗奠定了基礎。隨后開(kāi)展了連續實(shí)驗，包括小試和中試實(shí)驗，累計實(shí)驗時(shí)間超過(guò)2年。2019年，在北京某污水廠(chǎng)開(kāi)展生產(chǎn)實(shí)驗，處理水量提升超過(guò)25%，出水SS顯著(zhù)降低，取得了成功。后續進(jìn)一步推廣到四川、山東、河北等省份的污水處理廠(chǎng)中應用。

圖1 研究歷程概略

2.2 小試實(shí)驗情況在批次實(shí)驗基礎上，開(kāi)展了連續流小試（主體為有機玻璃材質(zhì)圓柱體，內徑8 cm，高100 cm，有效容積為3.6 L）實(shí)驗，水源為某污水廠(chǎng)實(shí)際污水?？刂平M不投加復合絮凝劑，實(shí)驗組的復合絮凝劑投加量為20 μL·L^-1，水力停留時(shí)間(HRT)從16 h縮短到8 h，控制組與實(shí)驗組的TP去除負荷分別從8.0、12.3 g·m^-3·d^-1上升到21.9、26.4 g·m^-3·d^-1。實(shí)驗組沉淀時(shí)間為5 min，不投加外碳源的情況下，其出水COD、NH+ 4-N、TN、TP的平均濃度分別為21.6、0.28、15.7、0.18 mg·L^-1，相應平均去除率為93%、99%、67%及98%，實(shí)驗組效果良好。表明基于復合絮凝劑的工藝技術(shù)包為污水強化處理提供了新方法。
2.3 中試實(shí)驗情況在SBR中試裝置（主體為不銹鋼材質(zhì)的圓柱體，內徑為1.2 m，高為6 m，有效容積為6.22 m³）中，納米型復合絮凝劑投加量為20 μL/L時(shí)，長(cháng)期運行結果顯示污泥性能穩定，污泥沉降指數（SVI）小于50 mL/g。出水水質(zhì)可達到《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A要求。傳統活性污泥法的沉淀池占據了整個(gè)污水處理廠(chǎng)相當大的一部分，占到全部占地面積的30%～50%。復合絮凝劑技術(shù)以SBR的模式運行，具有沉降快速、輔助除磷等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需設置初沉池和二沉池，也不需要設置濾布、濾池等強化處理設施，工藝流程更加簡(jiǎn)化。與傳統活性污泥法相比，基于復合絮凝劑的SBR工藝可節省占地30%～60%。實(shí)際上，基于復合絮凝劑的SBR工藝顯著(zhù)縮短了沉淀時(shí)間，運行周期相應減少，增加了污水處理量。
2.4 基本原理復合絮凝劑投入到水體之后，帶正電荷的離子就會(huì )和活性污泥絮體中胞外聚合物（EPS）上攜帶的負電荷基團、溶液中磷酸根離子進(jìn)行化學(xué)反應，使得凝聚效果能快速產(chǎn)生，也解除了懸浮物的靜止狀態(tài)，從而不斷擴大懸浮物的凝聚并迅速下沉，起到了除磷的作用。這些擴大的懸浮物通過(guò)吸附、架橋、卷掃作用，促進(jìn)膠體凝聚，同時(shí)使得細小的顆粒、膠體等隨之沉降下來(lái)，降低了出水懸浮物的濃度。投入復合絮凝劑中含有大分子有機物，起到骨架的作用，可促進(jìn)絮狀污泥轉向顆粒態(tài)污泥，從而使得污泥的粒徑增大（粒徑約350μm），顯著(zhù)高于不投加復合絮凝劑反應器中污泥的粒徑（約290μm）。較大的顆粒內部更易形成良好的缺氧環(huán)境，造成絮體內的硝酸鹽被還原為氮氣，形成同步硝化反硝化反應。因此，投加復合絮凝劑強化絮凝效果的同時(shí)，更容易形成厭氧/缺氧/好氧的微環(huán)境，有力促進(jìn)系統脫氮除磷能力。

圖2 復合絮凝劑對活性污泥的絮凝作用示意圖

復合絮凝劑對污泥性能的改善具有促進(jìn)作用，可顯著(zhù)提高污泥的沉降速度，能夠達到好氧顆粒污泥的沉降水平?；趶秃闲跄齽┑墓に嚢梢杂糜谖鬯幚韽S(chǎng)提標改造和延緩擴容的工程實(shí)踐中。

03工程案例
近年來(lái)，清華大學(xué)與多家公司合作，已經(jīng)在北京、山東、河北、陜西、四川等省市的十幾座污水處理廠(chǎng)應用，成功地解決了污泥膨脹和溢流污染的問(wèn)題，取得了很好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益?；趶秃闲跄齽┑募夹g(shù)包適合于各種污水處理工藝，包括SBR工藝及變型、AAO工藝及變型。

圖3 復合絮凝劑技術(shù)在全國各地部分應用案例

3.1典型案例（1）北京某污水廠(chǎng)應用情況北京某污水廠(chǎng)設計日處理規模 18 萬(wàn)m³/d，采用多段 AO+雙層矩形沉淀池+高效沉淀池+超濾深度處理工藝，出水水質(zhì)達到北京市地方標準《城鎮污水處理廠(chǎng)水污染物排放標準》（DB11/890-2012）的 B 級標準。針對污泥膨脹導致的二沉池跑泥問(wèn)題，設計了基于復合絮凝劑的改進(jìn)方案，并做平行對比實(shí)驗。在二沉池配水渠投加藥劑，通過(guò)圖4可以看到，投加復合絮凝劑4h后，該水線(xiàn)二沉池出水非常清澈，而另一條水線(xiàn)有明顯的跑泥問(wèn)題。按照改進(jìn)方案持續運行，解決了污泥膨脹問(wèn)題，污水廠(chǎng)生化系統恢復正常。

圖4 平行水線(xiàn)投加復合絮凝劑后效果對比圖（左側沒(méi)有投加復合絮凝劑，右側投加復合絮凝劑）

（2）山東日照某污水廠(chǎng)應用情況山東日照某污水廠(chǎng)設計規模6.3萬(wàn)m³/d，現狀污水處理廠(chǎng)已達到滿(mǎn)負荷運行，偶爾存在超負荷的風(fēng)險。由于負荷較高，二沉池存在跑泥現象。同時(shí)擴建期間外網(wǎng)污水收集量超出處理量，存在較大的溢流風(fēng)險。因此該廠(chǎng)迫切需要在提高處理負荷基礎上保障出水穩定達標，且在其出水穩定達標后，提高廠(chǎng)內污水處理量。采用復合絮凝劑工藝技術(shù)包對該廠(chǎng)進(jìn)行原位擴容及溢流污染控制實(shí)驗，經(jīng)過(guò)3次逐步提升，整個(gè)污水廠(chǎng)處理規模提升至77000m³/d，提升處理水量達22%，出水水質(zhì)達標排放，出水懸浮物濃度低于加藥前。

原著(zhù)：王啟鑌 楊世鵬

轉載自：中國給水排水