纖維過濾器用于污水回用的研究
                                    蔣軼鋒 王 琳 王寶貞 劉 碩
（1．哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院，水污染控制研究中心，哈爾濱150090；
2．中國海洋大學，青島266003）
　　摘要：采用新型的纖維束過濾器對污水廠的二級出水進行了直接過濾和絮凝、過濾回用的研究。結(jié)果表明，過濾器在1O一30 m／h的濾速下均能有效去除水中的ss和濁度，出水SS低于10 mg／L；對COD、BOD、TP和細菌總數(shù)的去除率分別為10％ ～80％ 、21％ 一50％ 、11％ ～81％ 和87％ 。采用硫酸鋁作為絮凝劑與纖維過濾器聯(lián)合處理技術能進一步提高出水的水質(zhì)。通過單一水反沖洗和氣水聯(lián)合反沖洗的對比研究，發(fā)現(xiàn)氣水聯(lián)合反沖洗是適合恢復纖維束過濾器過濾效能的沖洗方式。在反沖洗水流量10—12 L／m ·s、水壓0．1 MPa、空氣流量60 L／m。·s、氣壓0．1 MPa的條件下，沖洗30 rain能夠有效地恢復纖維過濾器的過濾性能。
　　關鍵詞：纖維過濾 回用 絮凝反沖洗
    1 概 述
  隨著淡水資源的日益短缺和需水量的不斷增加，許多缺水城市和地區(qū)無新的水源可開發(fā)利用，污水的回收和再用已成為解決水資源短缺的有效措施之一。城市污水處理廠二級處理出水水量水質(zhì)穩(wěn)定、污染物含量較低（0．1％），經(jīng)常規(guī)的混凝．過濾．消毒工藝即可滿足工業(yè)循環(huán)冷卻水的要求，而這部分用水量占到了城市總需水量的1／3? 。纖維過濾是近年來發(fā)展起來的一種、經(jīng)濟的過濾和回用技術，具有良好的過濾精度和運行穩(wěn)定性 。本實驗采用的纖維過濾器以軟性纖維束為過濾介質(zhì)，利用了過濾水流和清洗水流壓力和方向的變化，使纖維能在過濾時自動壓緊，清洗時自動疏松，以達到污水回用的目的。研究是在山東的某一城市污水廠開展的，對污水廠的二級出水進行了直接過濾回用和絮凝、過濾回用的研究。
    2 材料和方法
    2．1 實驗材料
    維過濾器工作區(qū)內(nèi)徑為300 mm，高1700 mm，允許工作壓力小于0．6 MPa，介質(zhì)溫度小于60 。筒內(nèi)安裝有22條紡織成束的尼龍纖維，兩端固定于筒內(nèi)的花板之上。設有進水、出水、反沖洗進水、反沖洗出水、進氣和排氣6個通道，均可以通過閥門調(diào)節(jié)流量，安裝有壓力表，檢測運行壓力。設備的示意圖及工作過程如圖1所示。
              
    2．2 分析方法
    水質(zhì)指標根據(jù)國家*組織編寫的《水和廢水監(jiān)測分析方法》 進行檢測。
    3 結(jié)果和討論
    3，1 二級出水直接過濾
    3．1．1 濾速和出水水質(zhì)
    考慮到用戶用水量的相對穩(wěn)定和纖維過濾器操作簡單的實際情況，對比了設備在不同濾速下的直接過濾出水水質(zhì)情況。表1的數(shù)據(jù)說明纖維過濾器的濾速范圍很寬，在10、20、30 m／h的濾速下都具有良好的出水水質(zhì)，出水SS均在10 mg／L以下，平均去除率在60％ 以上，濾速越小，出水濃度越低。這是由于親水性的低彈性、高蓬松的纖維束在水壓下自動的扭轉(zhuǎn)壓縮，纖維絲緊密交錯形成濾層。而壓實區(qū)厚度只占整個濾層厚度的小部分，上部的濾料密實而下部的相對疏松，形成良好的濾料極配，使濾層具有空隙率高過濾阻力小的優(yōu)點，濾料比表面積增大、吸附性能改善、截污容量大大增加。即使在30 m／h的濾速下也能有效地截留水中的懸浮物，不致于因為高速水流的剪切作用而導致懸浮物穿透濾
層。所以過濾周期的確定是以水流通過濾層時的水頭損失達到0．06 MPa為反沖洗的條件。
    從表1中可以看到，濾速和過濾周期有明顯的相關性，濾速越大，過濾周期越短。雖然在3種濾速下設備具有相等的產(chǎn)水量，但過濾周期的長短影響設備反沖洗的自用水量；而且在較小的濾速下，更能發(fā)揮纖維濾層高截泥量的特點。因此，纖維過濾器*濾速的選取應根據(jù)當?shù)氐乃礌顩r、用水量的大小等因素比較確定。
               
    由于纖維過濾器對SS的截留，表現(xiàn)出對COD、BOD、TP、NTU、細菌也有一定的去除能力，去除率分別達到了10％ ～80％ 、21％ ～50％ 、11％ 一81％ 、52％ ～85％和87％ ；但對NH 一N、硬度的去除沒有作用。對于回用工業(yè)循環(huán)冷卻水而言，COD、BOD、TP、NTU、細菌的降低可有效地控制磷酸鈣垢和粘泥的累積，減小了阻垢劑和殺菌劑的用量H 。為了驗證過濾器的穩(wěn)定性，選取任一運行周期進行跟蹤檢測（如圖2所示）。由圖2看出，進水SS、NTU在一定范圍內(nèi)波動，但出水的濃度均穩(wěn)定在一個較低的數(shù)值。雖然隨著過濾的進行，sS和NTU有輕微的上升趨勢，但總體上對污染物的截留是有效的。而且進水濃度越高，去除率也越大。因此，纖維過濾替代傳統(tǒng)的石英砂過濾回用污水在技術上是可行的。
                  
    3．1．2 停運對產(chǎn)水的影響
    纖維過濾器具有操作簡單、維護方便的優(yōu)點，在設備停運時滿水保存即可。但實驗發(fā)現(xiàn)，設備在停止運行2 d后重新啟動，出水水質(zhì)明顯的惡化，并帶有明顯的污泥腐敗的氣味。由于原先被截留的懸浮物在濾層內(nèi)發(fā)生了厭氧反應，污泥腐敗變質(zhì)，產(chǎn)生可溶性有機物和營養(yǎng)物，導致重新運行后出水中的COD、BOD和TP的濃度大量升高，嚴重影響了用水的安全性。因此，設備停運后的重新啟動應控制在被截留污泥發(fā)生厭氧反應之前，如果遇到長期不運行，則應該清洗纖維濾料，并用藥劑洗滌處理后滿水保存。
    3．2 二級出水絮凝過濾
    為了進一步提高過濾出水的水質(zhì)，保證用水的安全性，研究了絮凝、過濾技術的回用效果。實驗在濾速20 m／h的工作條件下進行，藥劑采用水處理常用的硫酸鋁凝聚劑。
    3．2．1 凝聚劑投量對出水水質(zhì)的影響
    藥劑的用量不僅影響出水的水質(zhì)，同時也決定了水處理的費用。為了確定恰當?shù)乃巹┩读?，比較了0、10、20、30和40 mg硫酸鋁／L投量下的運行效果。進水與藥劑反應的時間為20 min，以形成粒徑較大的絮體。在20 m／h的濾速下，設備均連續(xù)運行8 h，出水水質(zhì)為取樣分析的平均值，結(jié)果如圖3所示。
                
    從圖3中可以看出，硫酸鋁的投加改善了出水的水質(zhì)，而且投量越大，SS、COD、TP和NTU等出水濃度也越低。這是因為硫酸鋁溶于水后，鋁離子與水發(fā)生反應水解，并伴隨有聚合反應，形成各種單核子和多核子絡合物。由于大部分的絡合物表面帶有正電荷，原水中所含有的帶負電的懸浮粒子（膠體物質(zhì)，水中SS、COD、TP、NTU的組成部分）被其吸附，產(chǎn)生凝結(jié)作用。當電荷被中和后，懸浮粒子相互聚集形成絮體，并在絡合物的聯(lián)結(jié)下繼續(xù)凝聚增大。對于具有良好過濾精度的纖維過濾而言，它們都能被有效的截留。因而宏觀表現(xiàn)出SS、COD、TP和NTU去除率的提高，與直接過濾相比，在10 mg／L絮凝劑投量下，出水濃度分別降低了2．2 mg／L、1 1 mgTL、0．2 mg／L和4．7 NTU。另外，由于1 mg／L硫酸鋁能中和0．45 mg／L的堿度（以碳酸鈣計），因而硫酸鋁的投加能降低出水的堿度。但對硬度和氨氮的去除沒有影響。
    3．2．2 藥劑投量的確定
    如上文指出，藥劑投量越大，出水中主要污染物的去除率也越高。但當投量大于10 mg／L時，去除率的改善趨于平緩（見圖3），因而藥劑的投量應控制在10 ms／L。過大的投量不僅浪費藥劑，而且會增加出水中硫酸根的濃度。
    3．3 濾層的清洗
    濾料的反沖洗是恢復濾層截污容量，保證下一周期正常運行的關鍵，再生效果的好壞直接關系到過濾出水的水質(zhì)優(yōu)劣和運行周期的長短。實驗對比了單獨水清洗和氣水聯(lián)合清洗的清洗效果。
    3．3．1 單獨水清洗
    反沖洗用水直接取用水廠的二級出水，反沖洗水流量和壓力分別控制在10～12 L／m ·s和0．1MPa，反沖洗持續(xù)了30 rain。結(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然纖維濾層能在反沖洗水的頂托下被拉升而變得疏松，但通過對出水水質(zhì)的檢測，發(fā)現(xiàn)清洗的效果很差。反沖洗水未能沖出纖維束截留的懸浮物，出水的水質(zhì)幾乎與進水水質(zhì)相當。
    3．3．2 氣水聯(lián)合清洗
    為了增加反沖洗體系對濾層的擾動作用，采用氣水聯(lián)合反沖洗的方式對濾層的清洗效果進行了考察。維持反沖洗水的參數(shù)不變，空氣的流量和壓力控制在60 L／m ·8和0．1 MPa。反沖洗過程以COD和ss為主要考察對象，對出水中的污染物的含量進行實時的檢測。圖4為反沖洗出水水質(zhì)隨時間的變化情況。
              
      由圖4看出，在沖洗的前期（0～10 min），原先被濾層截留的污染物大量地隨反沖洗液排除體外，導致出水中的COD和ss含量驟然升高，出水也呈現(xiàn)明顯黃色渾濁；而后期出水色度明顯的下降，顏色逐漸變淺并zui終與反沖洗進水一致，水中的污染物含量也隨之下降，在10—30 min內(nèi)，曲線均平緩下降。在30 min時，出水與進水水質(zhì)相當，認為清洗結(jié)束。由此可見，氣水聯(lián)合反沖洗與單獨的水反沖洗相比，具有良好的清洗濾層的效果，并且反沖洗時間控制在30 min比較合適。另外，經(jīng)計算設備的自用水量僅為產(chǎn)水量的1．7％ ，與傳統(tǒng)的砂濾反沖洗相比具有明顯的優(yōu)勢。當然，纖維過濾器在長期運行后，在纖維束上可能積累大量有機物、油污、甚至是微生物，造成阻力增大，過濾精度下降，這時可用2％NaOH溶液浸泡24 h，進行化學清洗。
    3．3．3 氣水反沖洗工作原理
    污水在通過密實的纖維濾料時，懸浮物被截留累積增大并堵塞孔隙，甚至產(chǎn)生篩濾作用而形成泥膜，使過濾阻力劇增。這時，應進行反沖洗恢復濾料的過濾性能。研究表明，反沖洗方式應根據(jù)進水的水質(zhì)情況確定。在本研究中，污水廠的二級出水實際是一個分散程度高的懸濁液和溶膠體系，含有大量的難降解有機物 。由于微粒雜質(zhì)的粒徑減小，擴散常數(shù)增大，相應的與濾料的粘附強度增加，如果采用單一的水反沖洗技術，由于其脫附能力有限，難以收到好的清洗效果。這就解釋了本實驗中采用單一水清洗沒有達到預期反沖效果的原因。而氣水同時反沖洗有效地提高了平均速度梯度G值，G值越大，代表氣水對濾料的剪切力越大，濾層清洗的效果也就越佳。纖維過濾器在氣水反沖洗時，水流和氣流將筒內(nèi)的花板頂起，纖維束處于疏松狀態(tài)，上升空氣泡的振動能有效地將附著于濾料表面的污染物擦洗下來，而纖維束之間的碰撞摩擦使得清洗效果更佳，洗下的污染物立即被反沖洗水流帶走，因而氣水反沖洗不僅效率高，而且效果好。
    4 結(jié) 論
    采用纖維過濾器對山東某一城市污水廠的二級出水進行了直接過濾和投加硫酸鋁凝聚劑后再過濾的回用的研究。結(jié)果表明，纖維過濾具有很寬的濾速范圍，在10～30 m／h的濾速下均能有效地去除水中的懸浮物和濁度，出水ss低于10 mg／L；而COD、BOD、TP、細菌的去除率分別為10％ 一80％ 、21％ 一50％ 、11％ 一81％ 和87％ 。投加硫酸鋁聚凝劑能明顯地改善出水的水質(zhì)，試驗表明聚凝劑的*投量為10 mg／L。在此條件下，出水SS、COD、TP和NTU分別降低了2．2 mg／L、11 mg／L、0．2 mg／L和4．7 NTU。通過單一水反沖洗和氣水聯(lián)合反沖洗的比較，認為氣水聯(lián)合反沖洗是合適的清洗方式。在反沖洗水流量10～12 L／m ·s、水壓0．1 MPa、空氣流量60 L／m -s、氣壓0．1 MPa的條件下，沖洗30min即能有效地恢復纖維過濾器的過濾性能。
    參考文獻
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來源：生意社