（环境工程专业论文）悬浮物过滤——浓缩一体化技术研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 随着国家对环境保护的日益重视，各地环保治理工程层出不穷，污水处理工 艺也日益成熟，但部分污水处理工艺仍存在以下弊端：占地面积大，基建费用高， 耗能大等。针对上述问题，开发一种占地少、处理效率高、集多种功能于一体的 新型污水处理技术就具有十分重要的意义。 根据目前污水处理技术的发展趋势，作者产生了将沉淀池与浓缩功能合为一 体的悬浮物过滤浓缩一体化技术创新构想，并根据此构想建成模型装置，通 过对该模型装置进行试验研究，验证该悬浮物过滤浓缩一体化技术的可行性， 达到既可减少占地、节约基建和运行管理费用、充分利用资源，又可提高污水处 理效率的目的，为该新型技术在污水处理厂的推广和应用提供理论依据。 本试验利用悬浮物过滤浓缩一体化技术对青岛市海泊河污水处理厂b 段 曝气池出水进行试验研究，验证了不同滤料、滤料层高度及过滤速度对处理效果 的影响，确定了最佳的工艺运行条件。 ( 1 ) 通过对多孔旋转球形悬浮塑料滤料、多孔球型悬浮塑料滤料、陶粒悬浮 滤料i 、陶粒悬浮滤料i i 四种不同悬浮填料的选择试验，确定了陶粒悬浮滤料i i 作为本试验装置的过滤介质。 ( 2 ) 通过不同滤料层高度和过滤速度对过滤效率的影响试验，确定了最佳滤 料层高度为4 5 c m ，最佳过滤速度为0 3 m h 。 ( 3 ) 在使用陶粒悬浮滤料i i 作为本试验装置的过滤介质，进水悬浮物浓度为 1 0 0 0 m g l ，进水色度为1 6 0 倍，滤料层高度为4 5 c m ，过滤速度为0 3 m h 条件下 运行，出水悬浮物浓度小于3 0 m g l ，最低可以达到1 6 m g l ，悬浮物去除效率达到 9 6 - - - 9 8 ；在悬浮物去除的同时悬浮物也得到浓缩，浓缩后达到9 9 4 1 m g l 左右； 出水色度小于8 0 倍。出水悬浮物浓度和出水色度均达到城镇污水处理厂污染物 排放标准( g b1 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 的二级标准。 综上所述，利用悬浮物过滤浓缩一体化技术处理上述b 段曝气池出水是 可行的，该模型装置既能起到过滤悬浮物作用，同时可使悬浮物得到浓缩；因此 在某种程度上可以缓解沉淀池和浓缩池分建占地面积大、成本和运行管理费用高 等问题，为悬浮物过滤浓缩一体化技术广泛应用于污水处理厂奠定基础。 青岛理工大学工学硕士学位论文 关键词：悬浮物；滤料；浓缩；脱色；一体化装置 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h ei n c r e a s eo ft h ea t t e n t i o n p a i d t ot h ee n v i r o n m e n tb yt h e g o v e r n m e n t ，m a n yk i n d so fp r o j e c t st r e m i n gw a s t e w a t e r sr i s eu pa l lo v e rc o u n t r y t h e t e c h n o l o g i e sa n dc r a f t st r e m i n gw a s t e w a t e ra r eb e c o m i n gm a t u r e ra n dm a t u r e r b u tt h e s e t e c h n o l o g i e sa n dc r a f t ss t i l lh a v em a n yd i s a d v a n t a g e ，s u c ha sl a r g el a n do c c u p a n c y , h i g h c o n s t r u c t i o nc o s t ，a n d h i g he n e r g y - c o n s u m p t i o n s oi ti ss i g n i f i c a n ta n dh i g ht i m et o d e v e l o p eo nan e wt e c h n o l o g yw h i c hi ss m a l ll a n do c c u p a n c y , h i g he f f i c i e n c ya n d m u l t i f u n c t i o n e d b a s e do nt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y , t h ea u t h o r c o n c e i v e do fan e wn o t i o nt h a tc o m b i n e st h es e d i m e n t a t i o nt a n kr u c t i o na n d t h i c k e n i n g f u c t i o nt o g e t h e r , t h e nc o n s t r u c t e dt h em o d e le q u i p m e n t ，v a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t yo f c o m b i n e dt e c h n o l o g yb ym o d e le q u i p m e n te x p e r i m e n t i n go nt h es p o t i tc a ng e tt h e a i m so fr e d u c i n go c c u p a n c y , s a v i n gc o n s t r u c t i o na n do v e r h e a dc o s t s ，u s i n gr e s o u r c e s u f f i c i e n t l ya n de n h a n c i n gt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n te f f i c i e n c yb yp o p u l a r i z i n gt h en e w e q u i p m e n t ，i tc a no f f e rt h e o r e t i cr e a s o n sf o rt h ep o p u l a r i z ea n da p p l i c a t i o ni nt h e w a s t e w a t e rt r e a t m e n tf a c t o r y t h es a m p l ew a t e ra d o p t e df r o mt h eo u t l e to fb s e g m e n ta e r a t i o nt a n ki nq i n g d a o h a ip oh ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tf a c t o r y , t h ee x p e r i m e n tv a l i d a t e dt h et r e a t m e n te f f e c t d u r i n gd i f f e r e n ts u s p e n d e df i l t e rm a t e r i a l ，f i l l e rh e i g h ta n df i l t r a t i o nv e l o c i t y , a n d c o n f i r m e do p t i m u mo p e r a t i n gc o n d i t i o no fm o d e le q u i p m e n t ( 1 ) t h r o u g ht h es e l e c t i v ee x p e r i m e n t so fg l o b u l a rs u s p e n s i b l ef i l t e rm a t e r i a l ， m u l t i h o l eg l o b u l a rs u s p e n s i b l ef i l t e rm a t e r i a l ，h a y d i t es u s p e n s i b l ef i l t e rm a t e r i a lia n d h a y d i t es u s p e n s i b l ef i l t e rm a t e r i a li i ，t h ea u t h o rd e t e r m i n e du s i n gh a y d i t es u s p e n s i b l e f i l l e ri if o r t h ef i l t r a t i n gm e d i u m ( 2 ) t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t so ft r e a t m e n te f f e c tu n d e rd i f f e r e n tf i l t r a t i o nv e l o c i t y a n dd i f f e r e n tf i l l e rh e i g h t ，t h ea u t h o rc o n f i r m e dt h a tt h e o p t i m u mf i l l e rh e i g h ti s 4 5 c m ，a n do p t i m u mf i l t r a t i o nv e l o c i t yi s0 3 m h ( 3 ) u s i n gh a y d i t es u s p e n s i b l ef i l l e ri if o rt h ef i l t r a t i n gm e d i u m ，w h e ni n l e tw a t e r s c o n c e n t r a t i o no fs u s p e n d e ds u b s t a n c ei s10 0 0m g l ，i n l e tw a t e r sc h r o m ai s16 0 1 1 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 t i m e s ，t h ef i l l e rh e i g h ti s4 5 c m ，a n dt h ef i l t r a t i o nv e l o c i t yi s0 3 m h ，e f f l u e n ts u s p e n d e d s u b s t a n c ec o n c e n t r a t i o nc a nl e s st h a n3 0m g la n dt h em i n i m u mc o n c e n t r a t i o ni s16 m g l ，r e m o v a le f f i c i e n c yi s9 6 一9 8 ：t h i c k e n e ds l u d g ei sa b o u t9 9 4lm g l ；e f f i u e n t c h r o m ai sl e s st h a n8 0t i m e s ；e f f l u e n ts u s p e n d e ds u b s t a n c ec o n c e n t r a t i o na n de f f l u e n t c o l o rc a na c h i e v et h ei i - c l a s sc r i t e r i as p e c i f i e di nt h ed i s c h a r g es t a n d a r do fp o l l u t a n t s f o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ( g b18 918 - - 2 0 0 2 ) i nc o n s e q u e n c e ，i ti sf e a s i b l et ot r e a tt h eo u t l e to fb s e g m e n ta e r a t i o nt a n kb y c o m b i n e dt e c h n o l o g yo fs u s p e n d e ds u b s t a n c ef i l t r a t i o na n dt h i c k e n i n g t h em o d l e e q u i p m e n tc a nn o to n l yr e m o v et h es u s p e n d e ds u b s t a n c e ，b u ta l s oc o n c e n t r a t ei t s c o n c e n t r a t i o n ，s oi ns o m ee x t e n ti tc a ni m p r o v el a r g eo c c u p a n c yo ft h es e d i m e n t a t i o n t a n ka n dt h i c k e n i n gt a n k ，s a v i n gc o n s t r u c t i o na n do v e r h e a dc o s t s i te s t a b l i s h e d b a s e m e n tf o rc o m b i n e dt e c h n o l o g yo fs u s p e n d e ds u b s t a n c ef i l t r a t i o na n dt h i c k e n i n g e x t e n s i v eu s i n gi nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t k e y w o r d s ： s u s p e n d e ds u b s t a n c e ；f i l t e rm a t e r i a l ；t h i c k e n i n g ；c h r o m ar e m o v a l ； c o m b i n e de q u i p m e n t i v 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 城市污水处理设施是现代化城市经济发展和水资源保护不可缺少的组成部 分。在美国、英国、荷兰、日本等发达国家，已经普遍实行了城市污水的集中二 级处理；近年来，我国对城市污水治理和环境保护十分重视，同时加大了对污水 治理的资金投入和治理力度，使我国在污水处理厂的建设方面取得了巨大进展。 截至2 0 0 3 年，我国已建成运行的污水处理厂有5 1 6 座，污水处理能力3 2 8 4 万m 3 d 。 目前我国污水处理厂所采用的污水处理工艺类型主要有以下几种：传统活性 污泥处理工艺、a b 工艺、a o 及a 2 o 工艺、水解一好氧工艺、氧化沟工艺、s b r 及其变型工艺、曝气生物滤池工艺、生物接触氧化工艺、氧化塘、b i o l a k 及土 地处理工艺【l 】。在这些污水处理工艺中对悬浮物去除主要是通过沉淀池沉降来实现 的。例如，青岛市海泊河污水处理厂采用a b 法污水处理工艺，在此处理工艺中， 较大悬浮物通过初沉池去除，而较小的悬浮物则是通过二沉池得以去除。青岛市 海泊河污水处理厂在该处理工艺中采用5 个平流式沉淀池进行悬浮物沉降去除， 大大增加污水处理厂的投资和运行管理费用。 污水处理厂剩余污泥处理在投资和运行成本中占比较大的比例，2 0 0 3 年中国 城市污水厂的总污水处理量约为9 5 9 5 6 2 1 0 8 t a ，城市平均污水含固率为0 0 2 ， 则湿污泥产量为9 6 5 5 6 2 1 0 4 t a 2 1 。剩余污泥处理主要是通过浓缩减少污泥体积以 后进行填埋、焚烧、土地利用等【3 1 。污泥浓缩主要包括重力浓缩、气浮浓缩和离心 浓缩。剩余污泥的含水率与后续污泥浓缩池占地面积密切相关，因而减少剩余污 泥含水率可以大大减少污水处理厂污泥浓缩占地面积和运行成本。所以，研究一 种处理效率高、占地小的悬浮物过滤浓缩一体化技术可以促进我国城市污水 处理厂的建设和发展。 1 2 水体中悬浮物的危害 水中的固体污染物主要以悬浮状态、胶体状态和溶解状态的形式存在。悬浮 状态的固体污染物通常称为悬浮物，是指杂质、泥沙类的无机物、动植物体腐烂 而产生的有机质和浮游生物等【4 】。地表水中存在悬浮物会使水体外观恶化、混浊度 升高、改变水的颜色、降低透明度，影响水生生物的呼吸和代谢，甚至造成鱼类 的窒息死亡【5 1 。许多江河由于悬浮物大量增加，悬浮物沉积于河底淤积河道，甚至 青岛理工大学工学硕士学位论文 造成河道阻塞，危害水底栖生生物的繁殖，影响渔业生产；悬浮物沉积于灌溉农 田中，则会堵塞土壤毛细管，影响通透性，造成土壤板结，不利于农作物的生长 等等【6 】。造纸、皮革、冲渣、选矿湿法粉碎和喷淋除尘等工业操作中也产生大量含 无机、有机的悬浮物废水 7 】。因此，在生活污水和工业废水处理过程中，去除悬浮 物( s s ) 具有特定意义。另外，由于悬浮物颗粒是病源微生物的主要栖息地，从 卫生安全学的角度讲，去除悬浮物也同样具有必要性，特别是污水回用中，对悬 浮物指标具有严格的规定【8 】。 1 2 1 滴灌系统中悬浮物的影响 由于水资源短缺的加剧，处理后的废水回用于农业生产得到了广泛的应用， 但随之出现的悬浮物对滴灌系统的堵塞问题也越来越引起人们的关注。根据滴灌 系统堵塞产生的原因，可将其分为生物性堵塞、悬浮物质堵塞、化学沉淀堵塞和 昆虫堵塞四大类。 悬浮物质包括诸如粘土、淤泥、砂粒、植物颗粒以及微生物等一些非溶解性 物质。经过日积月累，这些颗粒不仅会在过滤器和系统的其他部分产生堵塞，还 会对系统的软塑料部件造成磨损破坏。系统部件表面的一些微小划痕是微生物理 想的附着场所。虽然粘土对系统部件表面的剥蚀力很小，但在其表面很容易吸附 细菌。一旦粘土吸附在系统部件表面，就会有细菌吸附在这些粘土上。过后，又 会有新的粘土吸附在细菌上，这样反反复复循环下去，就会造成滴灌系统堵塞p j 。 1 2 2 污水渗滤土地处理系统中悬浮物的影响 近年来污水渗滤土地处理的研究和应用越来越多，随之产生的污水渗滤土地 处理堵塞问题也同样引起人们的重视。堵塞不仅影响到系统水力负荷，而且也影 响到系统寿命。造成渗滤系统介质孔隙堵塞的主要原因是悬浮物的截留、吸附。 悬浮物的截留、吸附主要发生在系统对污水的过滤过程中，悬浮物浓度是随 滤料厚度增加而呈指数递减。大部分悬浮物被截留在滤料与污水接触的浅表层， 因此过滤造成的堵塞主要发生在这里，随深度的增加，过滤所造成的堵塞将会大 大减小。在污水渗滤土地处理系统中，一般采用定水头供水，而且不进行反冲洗， 这一点与滤床过滤不同。随着堵塞的加剧，渗滤介质的孔隙体积逐渐减小，渗透 性能下降，系统的水力负荷减小，进水流量也相应减小。当系统的水力负荷减小 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 到不能满足设计要求时，需停止运行，通过落干或翻动系统渗滤介质的表层进行 恢复。因此，在污水渗滤土地处理系统中，悬浮物的截留、吸附是一个不断进行 的过程，如不进行处理，系统最终会完全堵塞【10 1 。 1 2 3 循环冷却水系统中悬浮物的影响 冷却水中的悬浮物，包括砂粒、淤泥、金属氧化物、微生物及其新陈代谢的 产物、动植物残骸等，对凝汽器铜管可能产生三种危害： ( 1 ) 生成疏松的沉淀，降低传热效率。 ( 2 ) 形成大量结晶核，降低碳酸钙等盐类溶解度，从而降低极限浓缩倍率，并 增加化学药品的消耗量。 ( 3 ) 系统中的沉积物会形成充气浓差电池而引起垢下腐蚀。 在循环冷却水系统中，悬浮物往往聚集在水流速度较慢或在流速突然发生变 化的位置，如冷却塔水池底部等部位。悬浮杂质的粒度、密度及水的特性，对于 沉降及成垢会产生影响。悬浮物颗粒越大，其密度越高，沉积的可能性就越大。 沉降时间也是影响悬浮物沉积与成垢的主要因素。冷却塔水池等处流动截面积较 大，流速小，悬浮物有足够的停留时间，只要粒子的大小合适，便能充分沉积下 来。 悬浮物对于循环冷却水浓缩倍率的影响，主要表现在悬浮物在循环水系统中 形成沉淀。其形成过程：构晶离子在成核作用下形成晶核，晶核逐渐长大形成沉 淀微粒。沉淀微粒聚集，形成无定形沉淀，沉淀微粒定向排列，形成晶形沉淀。 从结晶动力学的角度来看，悬浮物的存在无疑会促进碳酸钙沉淀，降低循环水浓 缩倍率。另外药剂配方的稳定效果皆随水中悬浮物含量的增加而降低。 悬浮物沉积在金属表面上，可能引起局部腐蚀。沉积物的作用是屏蔽，在其 下面形成不流动的条件。沉积物也可能是可渗透的腐蚀产物。在由溶解氧引起的 腐蚀过程中，缝隙中的溶液将会缺氧，而缝隙内的金属表面相对于外部金属表面 呈阳极性，短路电流将引起阴离子的电解迁移。如果此处涉及到的是能破坏钝态 的阴离子，又促使在缝隙中产生蚀孔。结果，伴随着蚀孔周围环境中的电解质酸 化，该处金属迅速溶解【1 1 1 。 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 3 悬浮物去除方法现状 目前城市污水处理厂中，对悬浮物的去除主要是通过沉淀池来实现的。在污 水处理工艺流程中，初沉池对污水中的大颗粒悬浮物进行沉淀去除，对后续构筑 物运行起到减少负荷的作用；而二沉池则是对工艺处理后期的微小悬浮物颗粒进 行去除，使出水悬浮物达到工艺处理的预期效果。根据沉淀池池内水流方向，可 分为平流式沉淀池、辐流式沉淀池、竖流式沉淀池和斜板( 管) 沉淀池【4 】。 1 、平流式沉淀池 平流式沉淀池池型呈长方形，水在池内按水平方向流动，从池端流入，从另 一端流出。按功能区分，沉淀池可分为流入区、流出区、沉淀区、污泥区以及缓 冲层五部分。适用于大、中、小污水处理厂，一般用于初沉池，作为二沉池较少。 对于地下水位较高和地质条件较差地区较适宜，但平流式沉淀池配水不均匀，它 适合作为大型污水处理厂的初沉池。 2 、辐流式沉淀池 辐流式沉淀池亦称为辐射式沉淀池。池型多呈圆形，小型池子有时亦采用正 方形或多角形。池子的进、出口布置基本上与竖流式沉淀池相同，进口在中央， 出口在周围。但池径与池深之比，辐流式沉淀池比竖流式沉淀池大许多倍。水流 在池中呈水平方向向四周辐( 射) 流，由于过水断面面积不断变化，故池中的水流速 度从池中心向池四周逐渐减慢。泥斗设在池中央，池底向中心倾斜，污泥通常用 刮泥( 或吸泥) 机械排除 1 2 】。辐流式沉淀池一般用于大型污水处理厂，既能够用作初 次沉淀池，也可作二次沉淀池使用。 3 、竖流式沉淀池 竖流式沉淀池的池型多呈圆形，也有方形和多角形的。进水采用中心入流、 周边溢流的方式，水流方向与颗粒的沉降方向相反。在圆形竖流式沉淀池中，废 水从中心管上部流入，在其下部流出，通过反射板的阻拦向四周分布于沉淀区的 整个断面上，沉淀后的出水由四周溢出。溢流区设于池周，采用自由堰或三角锯 齿堰。若池体直径大于7 m ，还可考虑设置辐射式集水槽。竖流式沉淀池一般适用 于小型污水处理厂，它也适合作为中小污水处理厂的污泥浓缩池。 4 、斜板( 管) 沉淀池 这是利用浅池原理而发展出来的一种池型，可以减少沉淀池的深度，缩短沉 4 重墅堡三奎兰三兰堡圭兰堡堡圣 淀时间，因而减少沉淀池的体积，同时也可提高沉淀效率。在斜板式沉淀池或斜 管沉淀池中，由于水流方向相对于水平面而言是呈倾斜方向的，所以也可称之为 斜流式沉淀池。斜板沉淀池按水流方向，可分为上向流( 又称异向流) 、平向流( 又 称侧向流) 、下向流( 又称同向流) 三种。斜管沉淀池只有上向流与下向流两种。 罗辉荣、廖足良等( 1 9 9 4 ) 对缺角正方形斜管沉淀进行试验研究，通过实验证明了 缺角正方形斜管具有水力条件好，处理原水浊度范围广，沉淀效果好等优点；高 士国【1 4 ( 1 9 9 4 ) 就侧向流波形斜板沉淀工艺进行实验研究，认为其沉淀效率较高且对 大幅度负荷变化有很强的承受能力。斜管沉淀池应用于污水处理厂挖潜或扩大处 理能力，一般宜用作初沉池，而不宜作二沉池。 各种沉淀池的优点与缺点见表l l 所示。 表1 1 沉淀池的优、缺点比较 t a b l el m lc o m p a r i s o nw i t ha d v a n t a g e sa n dd e f e c t so f s e d i m e n t a t i o nt a n k s 沉淀池 优点缺点适用条件 造价较低；2 操作管理方1 占地面积较大；2 不采用机械 平流式便；3 对原水浊度适应性强；排泥装置时，排泥较困难；3 需一般用于大、中 4 处理效果稳定：5 带有机维护机械排泥设备型污水处理厂 械排泥设备时，排泥效果好 1 排泥较方便；2 一般与反1 上升速度受颗粒沉降速度所 竖流式应池合建，不需要另建反应限；2 出水量小；3 般沉淀效一般用于小型 池果较差；4 施工较平流式沉淀池污水处理厂 3 占地面积小困难 1 沉淀效果好；2 有机械排i 基建投资及费用大；2 刮泥机一般用于大中 幅流式 泥装置时，排泥效果好维护管理较复杂；3 使用金属材型污水处理厂 斜管( 板) 孔 料多；4 施工较平流式困难的高浊度水预 沉 1 ，沉淀效率高；2 占地少1 基建投资及费用大；2 对原水 浊度适应性较平流池差；3 不设可用于各种规模 机械排泥装置时，排泥较困难；污水处理厂沉淀 4 设机械排泥时，维护管理较平池的改建、扩建 流池麻烦利挖潜 -一一 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 4 污泥浓缩方法现状 污泥浓缩的目的是通过浓缩去除颗粒间隙的部分间隙水，减少污泥的体积。 因为间隙水所占比例最大，故浓缩是减容的主要方法【1 5 】。污泥浓缩效率的高低， 浓缩效果的好坏直接影响污泥处理成本乃至整个污水处理厂的运行成本。污泥浓 缩亦相当于污泥脱水操作的预处理过程，目前污泥浓缩方式包括重力浓缩、气浮 浓缩以及离心浓缩【4 1 。 l 、重力浓缩 重力浓缩本质上是一种沉淀工艺，属于压缩沉淀【16 1 。重力浓缩池主要用于浓 缩初沉污泥和剩余活性污泥的混合污泥。重力浓缩池按其运转方式分为连续式和 间歇式，按其池型可分为圆形及矩形，其中连续流污泥浓缩池可采用沉淀池形式， 一般为竖流式或辐流式。该浓缩池优点为构造简单，操作方便；动力消耗小，运 行费用低，贮存污泥能力强。但是该浓缩池占地面积大，浓缩效果不理想，污泥 易腐化，散发臭气。间歇式重力浓缩主要用于小型污水处理厂，连续式重力浓缩 主要用于大、中型污水处理厂。 2 、气浮式浓缩 气浮式浓缩适用于浓缩活性污泥和生物滤池等污泥颗粒较轻( 相对密度接近 1 ) 的污泥，能把含水率为9 9 5 的活性污泥浓缩至u 9 4 - 9 6 。其浓缩后含水率低于 采用重力浓缩所达到的含水率，但运行费用较高。该浓缩池的浓缩效果好，出泥 含水率低：占地面积小，只为重力浓缩池的十分之一；运行效果稳定，不受季节 影响；产生臭气少；能去除油类。但是气浮浓缩池运行费用较高；操作管理要求 较高；电耗大，污泥贮存能力小。根据气泡形成的方式，气浮可以分为：压力溶气 气浮、生物溶气气浮、涡凹气浮、真空气浮、化学气浮、电解气浮等【1 7 】，在污泥 处理中压力溶气气浮工艺已广泛应用于城市污水处理厂剩余活性污泥的浓缩【1 8 】， 生物溶气气浮工艺浓缩活性污泥也有应用 1 7 】，涡凹气浮工艺和其它几种气浮工艺 在城市污水处理厂污泥浓缩中的应用尚未见报道。 3 、离心浓缩 离心浓缩工艺的动力是离心力，离心力是重力的5 0 0 - - - 3 0 0 0 倍1 9 】。离心浓缩 池是根据污泥中固体颗粒与水的比重差异，利用离心力场的作用实现泥水分离， 同时使污泥得到浓缩。离。1 3 浓缩池具有浓缩效果好，工作效率高，占地面积小， 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 几乎不散发臭气，工作环境好。一些试验的结果表明，利用离心机可将浓度为0 5 的活性污泥浓缩到5 一。但是离心浓缩池要求专用的离心设备；耗电量大； 对操作人员技术要求较高，管理复杂。离心浓缩池适用于浓缩剩余污泥。 各种浓缩池的优点与缺点【2 0 】见表l _ 2 所示。 表1 _ 2 浓缩池的优、缺点比较 t a b l e1 _ 2c o m p a r i s o nw i t ha d v a n t a g e sa n dd e f e c t so ft h i c k e n i n gt a n k s 1 5 课题研究的目的、意义和内容 1 5 1 课题研究的目的和意义 我国治理水污染的技术和处理工艺，与国外一些发达国家相比并不逊色。只 是由于各种原因，特别是投资缺少的原因，使大量新工艺技术应用受到限制。但 是在水污染治理设备方面与发达国家新型污水处理设备还存在着一些差距，例如： 处理效率低、标准化程度低、成本高等，远远跟不上现代污水处理的发展步伐。 因而在污水处理技术日益成熟的今天，开发研究适合我国国情的新型技术：占地 面积小、处理效率高、能够集多种工艺或功能于一体、经济型、不会对周围环境 造成二次污染等，已成为热门课题。 本课题针对目前污水处理厂所存在的沉淀池和浓缩池分建且占地面积大、停 留时间长、运行成本高等缺陷，进行悬浮物过滤浓缩一体化技术研究，运用 这项技术设计了集过滤和浓缩于一体的模型试验装置。通过对模型试验装置的研 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 究，以过滤浓缩一体化技术来替代二沉池，既能起到悬浮物过滤作用，同时又使 悬浮物得到浓缩；而且某种程度上缓解了沉淀池和浓缩池的占地面积大、投资成 本高和运行管理费用高等问题。该技术装置的研究和开发，对降低城市污水厂的 投资及运行成本有十分重要的现实意义。目前国内外未见对此种装置的研究报道， 因此具有一定的创新性。 1 5 2 课题研究的内容 l 、通过试验对模型试验装置中悬浮滤料进行选择，确定过滤效果最佳的悬浮 滤料作为该模型试验装置的过滤介质： 2 、通过试验，研究滤料层高度和过滤速度对悬浮物去除效果的影响，确定试 验装置的最佳滤料层高度和过滤速度，为悬浮物过滤浓缩一体化技术后续中试试 验和生产性试验提供一些理论数据和参数； 3 、通过试验，研究模型试验装置的悬浮物浓缩效果以及色度去除，为该过滤 浓缩一体化技术应用于污水处理工艺奠定基础； 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 a 弟- h 2 章滤料过滤技术及基本原理 2 1 过滤技术的发展 过滤是指悬浮混合液经过多孔介质或滤膜进行固液分离的过程，是水处理工 艺过程之一。水的过滤可视为一种“物理一化学”过程，使水通过颗粒物料滤床， 分离出水中的悬浮颗粒物和胶体杂质。水充满在滤池滤料的空隙内，杂质被吸附 在滤料颗粒的表面或被截留在空隙中2 1 1 。 最早的过滤设备是一种横向水流的滤池，后来才发展成竖向水流的滤池，这 时人们才正式称之为慢滤池。其运行特点有两个：一是过滤的水流速度很慢，其滤 速仅为0 1 0 3 m h ；另一方面是在过滤的初期存在一个较长的成熟期，新建的慢 滤池要运转1 _ 2 周后才能出现清亮的过滤水。虽然慢滤池出水水质良好，但因表 面负荷率低，需很大的占地面积，建造费用大，运转时费用也大，对慢滤池的这 些缺点，快滤池的出现成为必然。因此，到了2 0 世纪初，慢滤池逐渐被淘汰，取 而代之的是快滤池技术。 快滤池因它的滤速快而得名，其滤料与慢滤池基本相同，有效粒径约为 o 3 5 1 o o c m ，滤层厚度约为7 0 9 0 c m ，滤速约为5 1 0 m 1 1 。 快滤池的出现必须解决两个问题：一、如何在高速水流条件下，将悬浮固体 颗粒物粘着在滤料表面上；二、如何在数十小时甚至数小时内清除滤层中所截留 的悬浮物。快滤池的净化机理是利用滤料与脱稳粒子的相互作用来净化水质，由 于水中悬浮固体的表面显电性而存在电荷斥力，无法相互凝聚，难以被滤料颗粒 吸附，因此向原水中投加混凝剂，使水中悬浮固体脱稳后再经过滤池过滤，脱稳 后的悬浮固体极易被滤料表面吸附截留，从而第一个问题得以解决。快滤池过滤 一段时间后，截留在滤料表面的浊质增加，使得过滤后水质不能达到出水水质要 求，这时快滤池采用反冲洗的办法，使滤层膨胀或稍有膨胀，滤料在水力的剪切 或滤料之间的相互碰撞作用下，使被截留的浊质剥落，滤料得以清洗干净。快滤 池问世至今已有百年历史，过滤方式和滤池形式都在不断改进，其主要目的在于 如何增加滤池的含污能力，延长运行周期以及提高过滤速度。于是形成了各种滤 池【2 2 】： 从水流通过滤床方向来分有：下向流、上向流、双向流、径向流、水平流滤 池。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 从不同滤料和滤料的组合有：单层、双层、三层以及混合滤料滤池。 从冲洗方式上分有：低水头冲洗、中水头冲洗、高水头冲洗、表面冲洗、气 水反冲洗滤池。 从滤池的水流性质来分有：压力式和重力式两种滤池。 从滤料的种类来分有：无机滤料，如石英砂、石榴石、磁铁矿等；有机滤料， 如无烟煤、核桃壳、有机聚合物等及各种人工合成滤料滤池。 经过多年的发展，在目前水处理过滤工艺的应用中，存在的主要问题是滤料 颗粒在水中自由沉降形成上细下粗的颗粒层和孔径分布，使得滤料层表面很快形 成滤饼，结果使水头损失快速增大、滤速减小。起到截污作用的主要是表层滤料， 不能发挥整个滤床的截污能力，产水效率低。另外，传统石英砂等滤料比重大， 反冲洗强度大。这也是目前过滤工艺存在的缺陷之一。因而针对这些问题，各种 过滤新工艺新材料的研发不断开展起来。 上世纪末，各种人工合成滤料迅猛发展，这其中出现了几种悬浮滤料，尤其 聚苯乙烯悬浮滤料逐渐引起了广泛的重视，这种滤料的特点是比重小于水，滤层 整体悬浮于水中，采用上向流过滤方式，实践证明该种过滤方式具有较大的截污 能力，运转周期长，反冲洗容易，经济性能优越。 2 2 悬浮滤料过滤简述 悬浮滤料过滤，是指采用了密度小于水的轻质滤料，并且采用了下部进水、 上部出水的上向流过滤工艺技术【2 3 1 。滤池的结构形式见图2 1 。 悬浮滤料悬浮于水中，受到向上的浮力而漂浮在水中并且相互挤压成层后形 成滤层，传统石英砂滤料滤层空隙的形成依靠重力方式，而该种滤层依靠滤料受 到的浮力形成空隙，但滤层内部的空隙特点类同，水力条件相似，因而同样可以 实现水处理的过滤过程。 悬浮滤料过滤的滤池在构造上由上部清水区、中部滤层、下部缓冲区三大部 分组成。悬浮滤料过滤正常过滤的工艺流程为：原水从滤池的下方进水，在缓冲区 得到缓冲平衡并实现均匀配水后，进入滤层开始过滤，过滤后的清水通过穿孔滤 板或滤头向上进入清水区，从清水区一侧的出水堰出水。如图2 1 中所示。 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 1 悬浮滤料过滤示意图 f i g2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs u s p e n s i b l ef i l t e r i n gm a t e r i a lf i l t r a t i o n 经过长时间的过滤后，滤层逐渐被杂质颗粒堵塞，滤层截污能力降低，出水 水质变坏，开始实施反冲洗过程。图2 _ 示意了悬浮滤料反冲洗的过程：清水区 清水向下高速流动，冲洗滤层，同时横向设置辅助冲洗扰动管通过高速水流，横 向对滤料进行冲洗，增强滤床的搅动效果，滤料表面的浊质在水流的剪切和滤料 颗粒间的碰撞下被剥离，实现污染物与滤料的顺利脱离，反冲洗的废水依靠重力 从下部流出。 o=_三=_=_ 出水槽十口水区tjj 滤层区 反 。 _ lj p 洗出水口 缓冲区 _ 二j 司= 二_ _ 图2 _ 2 悬浮滤料反冲洗示意图 f i g2 _ 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs u s p e n s i b l ef i l t e r i n gm a t e r i a lb a c kf l u s h i n g 青岛理工大学工学硕士学位论文 由于悬浮滤料在反冲洗时只需直接向下通入强冲洗水流通过滤床即可实现反 冲洗过程，而且由于反冲废水中的污染物排出的方向与重力方向相同，因而节省 反冲洗的能量消耗，而不需耗费多余的能量。通过这种冲洗方式，被滤床截留的 污染物瞬间从滤料表层释放出来并向下排出。另外，悬浮滤料由于采用上向流过 滤技术，并且整个滤层空隙较大，因而具有滤层的截污容量大、水头损失增长缓 慢、总水头损失小、过滤周期长等特点。 2 3 过滤机理 2 3 1 颗粒去除机理 现代过滤理论研究认为，在过滤过程中，悬浮颗粒的去除，主要是由颗粒与 滤料之间以及颗粒与颗粒之间的粘附作用而被去除的。这就涉及到两个方面的问 题2 4 】：一、被水挟带的悬浮颗粒如何脱离水流流线，向滤料表面靠近的颗粒迁移 机理。二、当悬浮颗粒与滤料表面接触时，依靠哪些力的作用使得它们粘附在滤 料表面上，这就是颗粒的粘附机理。 一、颗粒的迁移( t r a n s p o r t a t i o n ) 机理 对于颗粒的迁移机理，目前只能定性描述，其相对作用大小，尚无法定量计 算。在悬浮滤料的过滤过程中，滤料的比重小于水，因而受到水的浮力而向上漂 浮在水中，由于滤板设置在水面下，从而阻挡了滤料的向上漂浮，并且使滤料相 互挤压成层，这就使滤层的状态除整体处于悬浮状态以外，其余均与下向流过滤 类似。因此，颗粒的迁移机理也就与传统的过滤过程类似。在悬浮滤料过滤的一 般条件下，滤料直径0 9 _ o m m ，滤速5 1 5m h ，水温8 1 5 ，则滤层内的流 动状态可根据雷诺数r e 判断。 r e ：鱼型 ( 2 1 ) 啦 根据2 1 式计算可知，滤层内水流的雷诺数一般小于1 0 ，由此判断水流在滤 层的空隙中属层流，滤层的水头损失与流速之间保持线性关系。在该种过滤情况 下，粘性流动占优势，滤料表面的边界层没有脱离，流体速度在滤料表面为零， 在空隙的中心处流速最大。滤层中被水挟带的悬浮颗粒将沿着水流流线运动。它 之所以脱离流线而向滤料表面迁移，一般认为是由拦截、沉淀、惯性、扩散和水 动力学等作用引起的 2 5 】。在实际状况中，水中的不同悬浮颗粒的去除机理则是由 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 流层内的流态、滤料的粒径、颗粒的大小与性质等多种因素综合作用的结果，只 是在不同的时刻、不同的颗粒可能某些机理占有优势而起主导作用。 a 拦截作用( i n t e r c e p t i o n ) 当颗粒尺寸较大时，处于流线中的颗粒由于尺寸大小大于滤料间的空隙尺寸， 颗粒直接碰到滤料表面而被拦截。在城市污水的二级出水中，悬浮颗粒中较大的 一部分为曝气池中的污泥碎片，这些污泥碎片主要由各类有机物组成，比重较轻， 在水中漂浮，且一般尺寸较大，多呈絮体状态。在过滤过程中，原水从底部进入， 上部流出，底层的滤料最先接触到原水，各类大粒径的污泥絮体从而首先被去除。 实验中发现，底层滤料的截污量大说明了拦截作用的普遍存在。1 9 7 0 年， t c h o b a n o g l o u s 和e l i a s s e n 的研究表明，拦截作用是污水深度过滤中对水中s s 的去 除的最主要作用2 5 1 。 b 沉淀作用( s e d i m e n t a t i o n ) 1 9 0 4 年h a z e n 提出在滤层的空隙中，颗粒物主要受重力作用。滤料的作用类 似一个无数底盘或假底盘的沉淀池，在滤层中的每一个空隙空间均起着一个微型 沉淀池的作用，滤料则提供了巨大的沉淀面积，同时，优势的水力条件为颗粒的 沉降创造了有利条件。由于在悬浮滤料过滤过程中，水流为上向流方式，颗粒受 重力沉降的方向与进水水流方向相反，并且二级出水中的污泥絮体密度较小，使 得颗粒的沉淀作用大大减弱，这与传统的下向流过滤大为不同，对于颗粒的去除 十分不利。但目前的研究表明，尚不能排除一部分密度较大、体积较小的颗粒在 穿过滤层的同时，由于受到了复杂的水力条件的影响，内部流态的变化而使惯性 作用减弱，从而重力沉降占据优势而在滤料表面沉积下来。实验中，在背对水流 方向的滤料表面依然可以发现大量沉积物说明了沉淀作用的存在。 c 惯性作用( i n e r t i a ) 水中悬浮颗粒如果密度大于水，由于它的惯性作用，在流体以曲线绕过滤料 时，颗粒开始对流体产生相对运动，穿过流线而到达滤料表面。一般认为，在水 的过滤过程中，由于密度差较小，而且水的粘性较大，因而惯性作用较弱，去除 率不明显。 d 扩散作用( d i f f u s i o n ) 细微的悬浮颗粒物由于受到周围水分子热运动的影响而表现为随机运动，从 而使有的颗粒扩散至滤料表面。扩散作用主要取决于水的温度和颗粒尺寸大小。 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 颗粒在水中由于受到扩散作用而被输送至滤料表面的情况。一般认为扩散只对粒 径小于lu m 的微粒才有意义。 e 水动力作用( h y d r o d y n a m i c ) 在低雷诺数的水力作用下，水流在滤料空隙内的流动是层流，具有速度梯度， 存在剪力场。悬浮颗粒在剪力场中发生旋转，从而受到一种侧向力而横跨流线运 动至滤料表面。 总体来说，在悬浮滤料的过滤实验研究中，悬浮滤层对颗粒物的去除机理与 传统的下向流过滤类似，只是作用的程度不同而己。这从一定程度上表明，不管 是上向流还是下向流过滤，都是上述几种作用力在起主要作用。对于某个悬浮颗 粒来说，同时受到了几种作用力的作用，但占主导作用的只能是一种或两种，这 主要取决于颗粒的密度、尺寸大小、形状等。一般分析认为，在污水过滤中，对 于较大的污泥碎片，拦截起主要作用；对于小于o 1l a m 的颗粒，扩散和水动力起 主要作用；对于密度较大的颗粒，沉淀则起主要作用；若滤层空隙内的流速较高 时，密度较大的细小颗粒可能会由于惯性作用而具有较大的去除率。 二、颗粒的粘附( a t t a c h m e n t ) 机理 过滤去除的主要对象是水中的各类颗粒物。给水过滤中这些颗粒物质主要由 各