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，并通過二級泵站加壓輸入城市供水管網(wǎng)。
1.2污水廠二級生化處理工藝介紹
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：一級處理方法、二級處理方法和三級處理方法。我國城市污水廠已經(jīng)逐步普及了二級處理工藝。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小時以上。和自來水處理工藝不同的是，污水廠二級沉淀池出水中，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，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，也只能些微地延長過濾周期，而根本無法達(dá)到實(shí)用效果。
（4）污水過濾對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優(yōu)勢。
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，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，過濾阻力的增長速度仍然較緩慢，不會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，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
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，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，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，反沖洗頻率低，是節(jié)省反沖洗水量的一個原因。纖維球過濾可以進(jìn)行氣、水同時反沖洗，通過氣體的強(qiáng)烈攪動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，并且能夠同時進(jìn)行氣水反沖洗，操作簡便。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)行氣水同時反沖洗。即使進(jìn)行氣體輔助沖洗，也必須先氣體攪動、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，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，活性污泥顆?；蛎撀涞纳锬ぃ材軌蜉p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，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反沖洗。借助于氣體攪動，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
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生化處理，并且今后一段時期內(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。而針對越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，二級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。上述運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，纖維球過濾二沉池出水時，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；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
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)用簡直不能比較。
5.3空間改造優(yōu)勢
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、安裝等也非常便捷。