改性硅藻土填料濾池處理污水處理廠尾水的中試研究

改性硅藻土填料濾池處理污水處理廠尾水的中試研究

0污水處理廠未完善工藝近年來，盡管新建了大量的污水處理廠，但大多數(shù)廢水處理廠不具備脫氮和去除磷的能力。以福州市為例,早幾年建成的污水處理廠在原工藝設計中均未考慮完善的脫氮除磷,導致出水中氨氮、總磷超標排放。如果這些污水處理廠從工藝上進行脫氮除磷的改造,需要增加大量構筑物,增加占地面積和大量的運行費用,改造難度較大,投資高,成為困擾這些污水處理廠正常運行和實現(xiàn)穩(wěn)定達標的難題之一。本文研究應用改性硅藻土陶粒填料濾池,對污水處理廠排放的尾水進行深度脫氮除磷處理,取得滿意的結果。1試驗部分1.1硅藻土的改性改性硅藻土陶粒:硅藻土在廢水中的應用研究,主要是利用硅藻土孔容大、孔徑大、比表面積大、吸附性強的性能,去除廢水中的離子、色度、CODCr、BOD5等。它的主要化學成分是無定性的SiO2,并含有少量的AlO、FeO、CaO和有機質等。硅藻土的表面及孔內表面分布有大量的硅羥基,這些硅羥基在水溶液中離解出H+,從而使硅藻土顆粒表現(xiàn)出一定的表面負電性。但城市生活污水或綜合廢水中的膠體顆粒大多是帶負電的,如用普通的硅藻土作為污水處理劑,只能起到壓縮雙電層的作用,而無法使膠體顆粒脫穩(wěn),處理效果不佳。所以對硅藻土進行各種方式的改性,如采用鋁、鐵等帶正電荷的離子對其進行表面改性,使其對帶負電的膠體顆粒也能脫穩(wěn)。改性硅藻土有巨大的比表面、強大的吸附性以及表面電性,使其在污水處理過程中,不但能去除顆粒態(tài)和膠體態(tài)的污染物質,還能有效地去除色度和以溶解態(tài)存在的氮、磷、金屬離子等污染物。同時由于硅藻土具有巨大數(shù)量的均勻小孔,預先對其進行特種生物酶的固定化,可以強化其在廢水中的生化能力,大大提高污水處理能力。本試驗所用的改性硅藻土是專利技術(CN2005/0200113.7),并用特殊方法將專用生物酶固定其中,其物理性能如下:體積密度?1~2mm為1.25g/cm2,?2~3mm為1.1~1.15g/cm2,?4~5mm為1~1.1g/cm2;內部孔隙率≥0.09;外部孔隙率0.339~0.5;年沖洗磨損率3%~5%。試驗污水來源于福州市某污水處理廠二沉池的出水。1.2裝置的動力設備根據(jù)試驗需要設計制作直徑300mm的圓形PVC填料濾池裝置,底層用隔板預留出水空間,其上由小到大依次鋪設不同粒徑的硅藻土陶粒。試驗選取三種粒徑的硅藻土陶粒,分別為粗粒徑(?4~5mm),中粒徑(?2~3mm),細粒徑(?1~2mm)。用流量計控制進水流量,污水從上層進入裝置,盡量靠重力自然流由底層出水,試驗中根據(jù)實際需要裝置輔助動力設備。填料濾池示意見圖1。1.3試驗裝置運行工況根據(jù)試驗目的,設計不同填料粒徑、不同填料層高度、不同濾池直徑以及不同污水負荷進行試驗。裝置連續(xù)運行5天,在出水口取樣進行水質污染物指標分析。每組試驗重復5次,計算平均值。2試驗結果的分析與討論2.1水中污染物濃度取不同時段的福州某污水處理廠尾水,采用國家標準規(guī)定的分析方法進行水質分析。結果表明,試驗進水中CODCr為48~53mg/L,BOD5為8~18mg/L,NH3—N為9~15mg/L,TP為1.1~1.8mg/L。對照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級B標準,尾水中CODCr和BOD5濃度均可達到規(guī)定標準要求;氨氮濃度均超過標準(≤8mg/L),超標倍數(shù)在1.1~1.9;總磷濃度也超過標準(≤1.0mg/L),超標倍數(shù)在1.1~1.8。2.2陶粒去除氨氮的活性試驗改性硅藻土具有未改性前硅藻土的吸附特性,而其吸附能力與其表面積相關,粒徑小的比表面積大,粒徑大的比表面積小,因此粒徑是決定其物理化學吸附效果的重要因素。研究中選擇?1~2mm、?2~3mm和?4~5mm三種粒徑范圍的陶粒進行尾水處理試驗。試驗條件如下:進水流量30L/h,填料層高度60cm,填料濾池直徑30cm。進水為某污水處理廠尾水,水質同2.1。試驗時間為連續(xù)穩(wěn)定運行5天以上。陶粒濾池對氨氮和總磷的平均去除效果見圖2。試驗結果表明,在一定水力負荷、填料層高度和填料濾池直徑條件下,陶粒粒徑越大,其對污水中的氨氮和總磷的吸附去除效果越差,?4~5mm陶粒對氨氮的處理效率比?1~2mm陶粒低15%,總磷的去除效率較之低17%,其原因主要是粒徑小,陶粒的比表面積相對較大,有利于氨氮、總磷等元素的吸附吸收。但填料層粒徑越小,污水水流速度越慢,處理量小,易造成填料濾池堵塞。2.3正交試驗設計為研究如何優(yōu)化多層填料結構設計,設計了一組四因素三水平正交試驗,對三種粒徑填料層的厚度和濾池直徑進行試驗優(yōu)化,正交試驗因素和水平見表1。選取處理后尾水中氨氮濃度為處理效果判定指標,正交試驗結果見表2。極差R分析結果表明,多層填料結構中,影響處理效率的最主要因素是濾池的直徑,其次是細填料的厚度,粗填料層厚度和中填料層厚度的影響相對較小。根據(jù)正交試驗最優(yōu)方案的確定辦法,得到各種填料層厚度和濾池直徑的因素水平組合為:A2B3C3D3,即多層填料內部結構最優(yōu)化設計參數(shù)為:粗粒度填料層厚度20cm,中粒度填料層厚度10cm,細粒度填料層厚度30cm,濾池直徑30cm,即濾池直徑與填料層厚度比例為1∶2,粗、中、細填料層厚度比例取2∶1∶3。濾池直徑決定了填料濾池的過水面積和接觸面積,因此,濾池直徑提高意味著增加填料用料和比表面積,處理效果更佳。細填料比粗填料具有更大的比表面積和吸附能力,因此,細填料層厚度增加有利于提高吸附效率,達到去除污染物的效果。后續(xù)試驗中,以上述優(yōu)化的填料濾池結構及尺寸比例加工試驗裝置,進一步研究污水負荷對處理效果的影響。2.4不同重力負荷下硅藻土陶粒深度處理的影響分析2.4.1出水中氨氮濃度與污水流量相關性在不同進水流量負荷條件下,考察進水流量變化對改性硅藻土陶粒填料濾池深度去除城市污水處理廠尾水中氨氮效果的影響,試驗結果見圖3。結果表明,出水中氨氮濃度與污水流量呈負相關性。流量從10L/h提高到30L/h,出水中氨氮濃度維持在0.5mg/L以下,氨氮去除率在94%以上;當流量從30L/h提高到60L/h,由于水力負荷提高,硅藻土陶粒的對氨氮的吸附效果有所降低,出水濃度由0.57mg/L提高到1.56mg/L,氨氮去除率呈線性下降趨勢,由94%降低到86%。2.4.2總磷及總磷去除情況在不同進水流量負荷條件下,考察進水流量變化對硅藻土陶粒濾池填料塔深度去除城市污水處理廠尾水中總磷效果的影響,試驗結果見圖4。結果表明,出水中總磷濃度與污水流量有顯著的負相關性。流量從10L/h提高到40L/h,出水中總磷濃度維持在0.2mg/L以下,總磷去除率在90%以上;當流量從40L/h提高到60L/h,由于水力負荷提高,硅藻土陶粒的對總磷的吸附效果顯著降低,出水濃度由0.16mg/L提高到0.4mg/L,總磷去除率呈下降趨勢,由92%降低到72%。上述研究結果表明,水力負荷的提高不利于脫氮除磷過程,其原因是改性硅藻土脫氮除磷主要以物理化學吸附過程為主,在一定的吸附比表面條件下,其吸附能力是恒定的,水力負荷增加將加快硅藻土表面電荷吸附飽和平衡,降低了進水中污染物的去除效果。3濾池填料塔設計及再生廢水回收處理效果(1)在一定水力負荷、填料層高度和填料塔直徑條件下,陶粒粒徑越大,對污水中的氨氮和總磷的吸附去除效果越差,?4~5mm陶粒比?1~2mm陶粒對氨氮的處理效率低15%,總磷的去除效果低17%。(2)采用正交試驗方法對單塔多層填料內部結構參數(shù)進行優(yōu)化,結果表明,在粗粒度填料層厚度20cm,中粒度填料層厚度10cm,細粒度填料層厚度30cm,濾池直徑30cm,即濾池直徑與填料層厚度比例為1∶2,粗、中、細填料層厚度比例取2∶1∶3條件下,單塔多層填料層結構最為合理,對氨氮等污染物的去除效果最佳。并制作了裝置模型,可供硅藻土陶粒濾池填料塔設計參考。(3)濾池填料塔水力負荷對硅藻土陶粒凈化作用影響較大,水力負荷太高將降低硅藻土陶粒對氨氮、總磷的吸附去除效果。因此,控制合理水力負荷是優(yōu)化硅藻土陶粒濾池填料塔脫氮處理效果的關鍵。小試研究表明,將流量控制在40L/h可以保持較好處理能力。(4)硅藻土陶粒濾池填料塔對城市污水處理廠尾水中氨氮、總磷的深度處理效果較好,經硅藻