鄭興燦，張悅，陳立?
（中國市政工程華北設計研究院，天津300074）

　　摘要：在化學絮凝沉淀處理技術和生物絮凝吸附處理技術集成研究的基礎上，提出了化學-生物聯合絮凝沉淀法污水強化一級處理工藝，并詳細介紹了該處理工藝的構成、原理和特性。現場試驗的結果表明了這一工藝在節省藥劑、減少污泥產量、提高處理系統的可靠性與運行靈活性等方面具有一定的優勢。?
　　關鍵詞：城市污水；化學絮凝；生物絮凝；空氣攪拌；污泥回流
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1000-4602(2000)07-0029-04

　　近年來，城市污水強化一級處理技術的研究和應用在我國引起排水同行的關注。不少排水工作者提出在近期內先建一級半處理廠，經過化學強化一級處理(投加化學藥劑)或生物絮凝吸附強化一級處理，以較少的投資削減較大的污染負荷，取得較好的投資環境效益，待有條件時再建成完整的二級處理工藝。這種分階段建設方案對我國確實具有現實意義。?
　　對于強化一級處理，采用空氣混合絮凝反應和污泥回流，利用外加的化學絮凝沉淀劑和污水 中的天然生物絮凝劑，可達到經濟有效地高程度去除磷酸鹽與SS、中等程度地去除COD、BOD₅的目的。因此，可以把這種以化學絮凝沉淀作用為主、生物絮凝起重要輔助作用的工藝稱為化學-生物聯合絮凝沉淀強化一級處理工藝。?

1 工藝的構成

　　該工藝由絮凝反應池、沉淀池、污泥回流和空氣混合系統構成(見圖1)。污水經過機械處理 及提升后進入絮凝反應池，通過投加化學藥劑與空氣混合實現化學-生物聯合絮凝，形成沉降性能良好的污泥絮體和磷酸鹽化學沉淀物，然后在沉淀池完成固液分離。快速混合時間為1min左右(采用機械或空氣混合)，絮凝反應池的停留時間按生物絮凝反應控制(30min左右)，沉淀池的停留時間為15h左右，污泥回流比根據實際需要在一定范圍內調節。化學藥劑投加量主要根據進水磷濃度和除磷要求確定，PAM投加量為0.1～0.5mg/L。?

2 原理與特性

2?1 污水中污染物的粒徑分布及去除方法
　　城市污水中有機污染物的粒徑一般在001～100μm范圍內，初沉出水的污染物粒徑＜50μm。 在城市污水研究中，污水中的有機污染物被依次用沉淀、離心和過濾劃分為4種不同粒徑的部分，即可沉組分(＞100μm)、超膠體組分(1～100μm)、膠體組分(0.1～1.0μm)和溶解組分(＜01 μm)，其中可沉部分約占25%，超膠體組分約占20%，膠體組分約占15%，溶解組分約占40%。各種污水處理單元技術的有效性受到污染物粒徑的影響，不同的單元技術有不同的適用粒徑范圍，沉淀適用于10μm以上的粒徑，化學混凝適用于0.1～1.0μm的粒徑，活性污泥的適用粒徑范圍最廣，從10^-5～10μm以上。污水中粒徑＜0.1μm的有機物實際上都是溶解性的，雖然非溶解組分(＞0.1μm)在活性污泥法中也能被去除，但主要是被生物絮體捕獲，然后被微生物轉化或分解。
2?2工藝的特點
　　技術分析和試驗研究結果表明，將化學絮凝強化處理與生物絮凝強化處理相結合，以化學強化絮凝沉淀作用為主，生物絮凝沉淀作用為輔，可以取長補短，達到處理效果穩定可靠、明顯降低藥劑消耗量、減小污泥產生量、降低處理成本的目的。通過化學絮凝沉淀作用、生物絮凝 與不完全氧化作用，可以提高和保證SS、COD、BOD、TP的去除效果，去除率一般為COD：60%～80%、BOD₅：60%～80%、SS：80%～90%、TP：75%～90%、TN：25%左右。?
　　以空氣混合絮凝反應和污泥回流為特征的化學-生物聯合絮凝沉淀工藝具有下列特點：?
　　①試驗研究結果表明，與單純的化學絮凝沉淀處理相比，可以節省藥劑20%以上。由于藥劑消耗量減小和空氣混合絮凝反應過程的生物氧化作用使污泥量有較明顯的降低，從而使污泥固體總量減少20%以上。?
　　②根據某城市現場試驗結果，按照設計進水水質在滿足處理出水水質要求的情況下，單 純化學絮凝沉淀處理的藥劑投加量為Al∶P(摩爾比)＝(3～4)∶1(考慮進水濃度的波動，實際投加量 要高于此值)；聚鋁與PAM復配化學絮凝沉淀的Al∶P摩爾比為26∶1；化學-生物聯合絮凝沉淀處理的Al∶P摩爾比為(15～2)∶1，復配PAM有助于進一步降低藥劑投加量和降低污泥含水率。?
　　③在采用空氣混合絮凝反應的情況下，處理系統可按3種方式運行：化學絮凝沉淀強化一 級處理、化學-生物聯合絮凝沉淀強化一級處理、生物絮凝沉淀強化一級處理，以適用不同時期水質水量的變化，運行靈活性明顯提高。?
　　④試驗測試表明，在單純化學絮凝沉淀處理中，化學除磷所需的藥劑投加量為：Al³⁺(或Fe³⁺)∶P摩爾比為3∶1以上，一般情況下約為4∶1。必須過量投加的主要原因有兩個方面，其一是原污水中的其他組分與藥劑發生非除磷的"競爭性"化學絮凝沉淀反應 ；其二是Al³⁺與Fe³⁺的磷酸鹽沉淀物一般顆粒小、分散程度較高，并且通常與污水中難以沉淀的懸浮顆粒結合在一起(這一點與污水三級處理和一般的水處理不同)，如果沒有絮凝作用的話很難沉淀下來，因此必須投加明顯過量的藥劑，生成大量具有很強絮凝吸 附作用的氫氧化鋁(或氫氧化鐵)，使懸浮物和分散的金屬磷酸鹽沉淀物能夠得到有效的絮凝沉淀去除。而在化學-生物聯合絮凝沉淀工藝中，化學絮凝、生物絮凝與不完全氧化作用實 現了懸浮固體顆粒與金屬磷酸鹽沉淀物的凝聚及污水中溶解性組分的轉化(去除)，減小了非除磷的"競爭性"化學絮凝沉淀反應，且不再需要投加明顯過量的藥劑來生成大量的氫氧化 鋁(或氫氧化鐵)以保證絮凝作用，從而使藥劑消耗量明顯減少(Al³⁺或Fe³⁺∶P 摩爾比＝15～20)，并提高了除磷效果(如果生物處理程度提高，藥劑投加量可以進一步減 少，在常規活性污泥系統中Al³⁺或Fe³⁺∶P摩爾比可以降低到10～15)。?
　　⑤化學-生物聯合絮凝沉淀處理系統通過污泥回流和保持較高的反應池污泥濃度，一方 面提高了化學藥劑的有效利用率，生成的氫氧化鋁或氫氧化鐵回流到反應池后可以繼續與磷酸鹽反應生成沉淀物，降低藥劑消耗量；另一方面，污泥回流可以加快絮狀物的形成，加上污泥濃度的提高，在沉淀池中迅速形成污泥層，增強網捕過濾作用，可明顯改善分散性懸浮物和金屬磷酸鹽細微沉淀物的固液分離和沉淀去除效果，加快絮凝沉淀物在沉淀池中 的沉淀。除此之外，污泥回流還可以提高污泥的密度。?
　　⑥在空氣混合絮凝反應情況下，增加污泥回流和生物絮凝作用可以明顯改善絮凝反應條件 ，這是因為混合絮凝反應的效果取決于G·C·t?值(G：速度梯度，C：反應池懸浮顆粒〈污泥〉濃度，t：絮凝反應時間)。在化學-生物聯合絮凝沉淀運行方式中，反應池污泥濃度為1000～4000 mg/L，是無回流化學絮凝沉淀的5～20倍，混合和絮凝反應得到了有效保證。?
　　⑦在單純的化學絮凝沉淀處理中，投藥量與進水濃度變化的協調和同步控制非常困難。 比如說，最佳投藥量(Al³⁺或Fe³⁺∶P摩爾比)為35時，如果投藥量低于此值，則不能達到預期的處理效果；如果超出此值，則藥劑明顯浪費。污水處理廠的進水磷濃度往往是高度不穩定和波動的(如2～6mg/L)，而這種波動值又是難以連續預測的，在實際運行中只能設定一個投加值，而這個設定的投加值一般情況下只能依據最高平均值(如5mg/L)或最高值確定(如6mg/L)，以保證所有情況下都能滿足處理出水水質要求，這就必然導致藥劑的浪費。而化學-生物聯合絮凝沉淀處理系統的反應池中污泥濃度較高，對進水水量和水質濃度的變化具有明顯的緩沖作用，處理系統內的實際金屬離子(Al³⁺或Fe³⁺)∶P摩爾比可以得到較有效和穩定的控制，明顯緩解了藥劑投加量與水質濃度變化不協調和難以控制的問題，連續投藥的投藥量可以根據進水磷濃度平均值(如4mg/L)和最佳摩爾比確定，從而減小藥劑的浪費。

3 化學絮凝藥劑的選擇

　　磷酸鐵沉淀物最低溶解度的pH值為55，磷酸鋁沉淀物最低溶解度的pH值為65，污水pH值一 般在65～75。在污水三級處理中，采用鐵鹽的絮體較密實，含水率低于鋁鹽所產生的污泥，但在一級強化處理中，差別不大。鐵鹽的弱點主要表現為腐蝕性強、處理出水的色度較高 ，聚鐵對懸浮物的去除效果較差。硫酸亞鐵(或酸洗廢液)需要氧化預處理(加氯)轉化成高鐵，才能發揮絮凝沉淀作用。?
　　在一級化學強化處理中，影響污泥含水率的主要因素是藥劑投加量。在污泥總量中，金屬氫 氧化物所占比例越大，含水率可能越高；投加摩爾比越大，則金屬氫氧化物所占比例越大。因此藥劑消耗量的降低不僅節省藥劑費，而且減少污泥生成量，并提高污泥的含固率。?
　　根據多種類型藥劑的實際污水比較試驗結果，三氯化鐵、硫酸鋁、聚鐵也有較好的去除效果，但采用聚鋁的效果最好。聚鋁與PAM復配時，藥劑消耗量有較明顯的降低，如采用化學-生物聯合絮凝沉淀處理可以進一步降低藥劑投加量。復配PAM有助于污泥濃縮性能的改善和藥 劑消耗量的進一步降低。?

4 混合與絮凝反應實施方式的選擇

　　混合與絮凝方式包括水力混合絮凝反應、機械混合絮凝反應和空氣混合絮凝反應。?
　　空氣混合絮凝反應的優點是控制簡易、運行維護工作量較小、處理效果好、可節省藥劑。根據水處理方面的文獻報道，空氣絮凝優于機械絮凝，主要體現在：水中空氣泡進行特殊的機械攪拌，在氣泡表面形成固相水解產物的微晶體，多余二氧化碳從水中分離出去，空氣中的 氧對有機物進行生物氧化，絮凝條件得到改善。目前國外大部分化學除磷污水處理廠的藥劑投加點均設在曝氣池，通過空氣混合與絮凝反應，取得理想的除磷效果。?
　　與機械絮凝相比，空氣絮凝的另一重要特性是可以按多種方式運行，根據進水水質、水量和季節的變化進行靈活切換，在滿足處理要求的情況下降低運行費用，優化運行。?
　　4?1 按化學絮凝處理方式運行
　　按化學絮凝處理方式運行時，僅提供適當強度的混合作用，在快速混合池投加藥劑，在絮凝 (慢速)混合池復配投加PAM以改善絮凝效果，降低藥劑投加量，其能耗與機械混合相近。一般而言，在高強度空氣混合區(快速混合，G＝200～300N·s/m²，停留時間為0.5～1.0min)投加藥劑，在絮凝反應區(慢速混合，G＝70～40N·s/m²，停留時間20～25min)完成磷酸鹽化學沉淀反應與絮凝反應。
　　4?2按化學-生物絮凝處理方式運行
　　空氣混合可以強化進水懸浮固體的活化、生物絮凝作用，反應池污泥濃度越高，供氣越充足 ，效果越好。根據實際需要，回流比可以在10%～50%的范圍內調節，使絮凝反應池的懸浮固體濃度在10～4g/m³范圍調整，其供氣能耗高于機械混合和單純空氣混合化學絮凝。通常在反應池前端反應區(回流污泥所含藥劑與磷的沉淀反應，生物活化和氧化反應)的停留時間為10～15min；在高強度空氣混合(快速混合)區投加藥劑(聚鋁)，快速混合所需的速度梯 度為300m/(s·m)，停留時間為0.5min；在絮凝反應(慢速混合)區，絮凝混合所需的速度梯度為70～40m/(s·m)，停留時間為10～15min；PAM的投加點在絮凝反應(慢速混合)區出口端與沉淀池之間，利用跌水混合，投加PAM 0.1～0.3mg/L(在生物絮凝發揮作用的工況下，PAM投加量有所降低)，進一步改善分散性絮體的固液分離效果，降低污泥含水率，提高排放污泥的濃度。
　　4?3按空氣生物絮凝方式運行
　　在進水有機物濃度和磷濃度較低的情況下，可以按此方式運行。通過增加污泥回流比，強化生物絮凝和生物氧化作用，不投加化學藥劑(聚鋁)就可滿足處理要求，必要時可投加少量PAM以改善生物絮體的固液分離性能。?

5 結語?

　　我國的城市污水中碳/氮比普遍偏低，國家《污水綜合排放標準》具有除磷要求高、氨氮和 總氮去除要求不太高的特點。因此，對于中高濃度污水(BOD₅在200mg/L左右及以上)，采用生物除磷及脫氮工藝是比較合適的選擇，但對于低濃度(BOD為120mg/L左右) 和超低濃度(BOD₅為60mg/L左右)污水，生物除磷處理往往難以滿足處理要求，需要增加化學除磷處理。另一方面，隨著污染物總量控制觀念和污水處理目標分階段實施觀念的 產生和逐步得到接受，以化學絮凝沉淀法和生物絮凝吸附法為主導的污水強化一級處理技術得到了國內污水處理界的廣泛關注。?
　　在上述背景條件下，針對中低濃度城市污水的強化一級處理、超低濃度污水的二級處理以及 小城鎮污水的簡易高效處理需求，在"九五"國家科技攻關計劃的專題科技攻關中，國家城市給水排水工程技術研究中心、中國市政工程華北設計研究院等單位根據國內外的文獻報道 、工程實踐和試驗研究，通過化學絮凝沉淀處理技術和生物絮凝吸附處理技術的集成，開發了化學-生物聯合絮凝沉淀法污水強化一級處理工藝。試驗研究的結果驗證了這一工藝在節 省藥劑、減小污泥產量、提高處理系統的可靠性與運行靈活性等方面的優勢。

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收稿日期：2000-03-31