目前,中国仍面临水资源短缺、水环境恶化和水生态破坏等问题,这些因素严重限制了中国社会经济发展和生态文明建设^[1],而健康的水系统是维持城市可持续发展的重要基础。随着人们对环境质量的要求日趋提高,中国城镇污水排放标准呈现出污染控制指标增加、排放限值更加严格的趋势。作为水体污染外源输入的有效屏障,城镇污水处理厂对城市水环境治理和保护一直起着至关重要的作用。因此,开展城镇污水处理厂提标改造的实践探索,符合全面推进城镇污水治理工作的迫切需求^[2]。

针对城镇污水处理厂出水的特性,常用的提高污水排放标准(以下简称提标)改造工艺包括吸附法、高级氧化法、膜分离法、生物降解法等。其中,高级氧化法对化学需氧量(chemical oxygen demand,COD_Cr)、色度有较好的去除效果,但存在药剂消耗量大,污泥处置困难等问题; 膜分离法可去除绝大部分有机污染物,但投入及运行成本较高; 生物降解法虽然运行成本较低,但污染物去除率较低,对于低污染度的污水处理厂,其出水很难实现提标改造的目标^[3-4]。而活性炭作为一种较经济且易获取的吸附剂,对COD_Cr等污染物具有良好的去除效果^[5-7]。粉末活性炭具有发达的微孔结构,水体中的有机污染物在与活性炭接触或通过致密的炭层时,会在范德华力、化学键等作用下^[8-9]吸附于活性炭微孔中。吸附饱和的活性炭经脱水、干燥和高温再生处理后可进行回收利用。活性炭成本较低,作用效果快,在处理系统中可通过吸附、过滤等作用,对COD_Cr、氨氮、色度、浊度、悬浮物(suspended solids,SS)等进行去除,效果显著,活性炭在污水处理厂提标改造中具有良好的应用潜力。例如,刘鲁建等^[5]采用活性炭膜生物法开展了印染废水深度处理中试,结果表明,出水水质可满足GB 4287—2012《纺织染整工业水污染物排放标准》中规定的特别排放限值,但中试工程中直接运行成本达1.35元/t。

本研究所涉污水处理厂二沉池出水可生化性较差,悬浮物中多含活性污泥颗粒、微生物等。由于现有高效澄清池深度处理技术运行成本过高,且存在效果不稳定等因素,为达到降低成本、稳定处理效果的目的,我们拟对该污水处理厂的现有工艺进行调整,在二沉池出水端增设粉末活性炭吸附与超滤膜分离有机结合的活性炭滤膜深度处理工艺; 并通过开展中试,从处理效果、出水效率和经济性角度来分析本工艺在污水处理厂出水水质提标改造中的可行性,以期为类似项目的提标改造提供参考。

本研究所涉污水处理厂的水处理工艺如图1所示,图中实线箭头表示原有工艺,虚线箭头表示提标工艺。污水处理厂水质指标见表1。表1中,BOD₅为生化需氧量; NH₃-N为氨氮; TP为总磷; TN为总氮。其中,设计出水水质达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》^[10]一级A标准。本试验所用粉末活性炭,碘值>900 mg/L、亚甲基蓝吸附值≥100 mg/g、比表面积>1 200 m²/g、水分含量≤5%; 所用原水来自该污水处理厂二沉池出水。

图1 污水处理厂的水处理工艺流程图
Fig.1 Technological flowchart of wastewater treatment plant

表1 污水处理厂水质指标
Table 1 Water quality indexes of waste water treatment plantmg·L-1

活性炭滤膜深度处理中试设备由布水、滤膜、曝气、冲洗等部分组成,集水池停留时间为30 min,日处理量为3 000 m³,设计进水水质的技术指标为COD_Cr 80～100 mg/L,pH 6～9,SS 90～100 mg/L。本设备采用一次性投加活性炭,间隙运行,待活性炭吸附饱和后进行更换的处理方式; 更换后继续运行。中试设备内部结构如图2所示,中试设备技术参数见表2。

图2 活性炭滤膜深度处理中试装置内部结构
Fig.2 Internal structure of pilot equipment of advanced treatment of activated carbon membrane

表2 中试设备技术参数
Table 2 Technical parameters of pilot equipment

本活性炭滤膜深度处理中试设备的吸附系统主要部件为:吸附滤柱,用于活性炭截留,形成活性炭吸附层; 加药设备,用于投加粉末活性炭; 冲洗设备,用于清洗滤柱表面炭层。当活性炭外层吸附饱和时,需将活性炭层进行冲洗,重新曝气均匀后再次使用,形成新的活性炭层,或者直接排出更换新的活性炭。活性炭滤膜深度处理工艺流程如图3所示。

图3 活性炭滤膜深度处理工艺流程
Fig.3 Technological flowchart of advanced treatment of activated carbon membrane

将活性炭投入加药装置中(质量分数为0.2%,每12 h投加一次),加满水后,搅拌10 min,用加炭泵送入设备池体。投加完毕后,开启鼓风机曝气,直至池内水与活性炭粉末混合均匀。随后,打开进水泵,直到液位达到高液位; 关闭鼓风机,同时关闭出水阀门,用产水泵先进行内循环。观察玻璃透镜,当出水由黑色浑浊的活性炭混合液变为无色透明清水,则表示滤柱外表的炭层已经形成,开启出水阀门。定期从出水口采集水样,进行COD_Cr和SS质量浓度测试,计算相应指标的去除率。COD_Cr质量浓度采用标准重铬酸钾法测定; SS质量浓度采用重量法测定^[11]。

图4 不同活性炭投加量下出水CODCr对比
Fig.4 Comparison of CODCr in outflow under different activated carbon loadings

出水水质是对本深度处理工艺的重要评价指标,不同活性炭投加量下出水COD_Cr对比如图4所示。由图4可知,中试中进水COD_Cr为80～100 mg/L。在运行期间,出水COD_Cr范围为6～45 mg/L; 随着运行时间的增加,COD_Cr逐渐增加。运行6 h内,出水COD_Cr保持在25 mg/L以内,活性炭投加量对COD_Cr的去除效果没有显著影响。当运行时间超过6 h,活性炭投加量为150 kg的试验组,出水COD_Cr上升速率加快,且质量浓度超过活性炭投加量为250 kg的试验组,但仍然满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准规定的排放限值。根据已有研究,对于COD_Cr较低的进水,超滤膜法的最高去除率仅为53%^[12]; 微电解-曝气法仅为45%～53%^[13-14]; O₃/H₂O₂工艺约为49%^[15]。与上述工艺相比,本研究所用的活性炭滤膜深度处理工艺对进水COD_Cr的去除率最高达到93%; 而当系统稳定运行后,出水SS去除率达到99%以上。试验结果表明本工艺的处理效果完全满足该污水处理厂的提标改造要求。

在满足污染物去除效果的前提下,出水效率也是评价本深度处理工艺适用性的另一项指标,不同活性炭投加量下产水速率和产水量对比如图5所示。由图5(a)可知,本设备产水速率随着运行时间的增加逐渐下降,清洗操作可显著恢复产水速率。当活性炭投加量从150 kg提升到250 kg时,产水速率明显下降,最终导致产水量下降(图5(b))。这是由于活性炭投加量增加时,炭层厚度增加,设备压力增加,从而导致产水速率下降。魏朝成等^[16]在粉末活性炭预沉积强化超滤膜处理工艺的研究中也观察到相同的结果。因此,在满足出水达标的情况下,可适当减少单批次活性炭投加量,并通过适当增加清洗次数来提升设备产水速率。

图5 不同活性炭投加量下产水速率和产水量对比
Fig.5 Comparison of outflow production rate and production capacity under different activated carbon loadings

图6 系统负压随运行时间的变化
Fig.6 Variation of system negative pressure with running time

系统的运行稳定性是本处理工艺是否适用于实际处理的重要依据,而系统负压是系统稳定性的关键指标,系统负压随运行时间的变化如图6所示。由图6可知,系统的运行负压与单批次活性炭投加量密切相关。当活性炭投加量由150 kg增加至200 kg时,系统运行负压显著上升。然而,当活性炭投加量进一步增加至250 kg时,在运行3 h内,系统负压快速升高,随后系统负压出现快速下降及波动的现象。这可能是由于活性炭投加量过大时,设备内无法形成稳定的炭过滤层,最终影响处理系统的稳定性。

由上述分析可知,活性炭投加量是影响出水水质、产水效率和系统稳定性的主要因素。单批次活性炭投加量过多,会造成系统运行负压快速上升,产水速率下降,单位时间产水量下降; 同时还会导致设备运行不稳定,影响处理效果。因此,在处理不同水质、不同出水标准的污水时,需要根据实际情况优化单批次活性炭的投加量。另外,设备的运行负压与产水速率呈负相关。活性炭投加量为150 kg时,系统运行负压与产水速率的关系如图7所示。由图7可知,当系统负压达到0.03 MPa时,产水速率开始加速下降; 因此,为保证运行效率,在负压0.03 MPa时,需进行清洗操作。

在上述优化条件下,设备连续运行7 d的结果(图8)显示,本设备对出水COD_Cr具有良好的处理效果。在运行期间,对COD_Cr为80～100 mg/L的进水,出水COD_Cr可稳定保持在20～40 mg/L范围内,且系统负压稳定。

图7 系统运行负压与产水速率的关系
Fig.7 Relationship of negative pressure and production rate

图8 优化条件下设备连续运行7d的处理效果
Fig.8 Performance of 7-day's continuous running under optimized conditions

本中试设备的主要运行成本包括活性炭费用和电费两部分。产水按120 m³/h计,150 kg活性炭可使用9 h以上,活性炭成本为4 650元/t。因此,每吨水的活性炭消耗费用为0.65元。本设备运行期间主要的耗电部分为产水泵,按一批次活性炭运行9 h计,电费以0.8元/(kW·h)计,结合各设备运行频率(表3),计算可得处理每吨水消耗的电费为0.19元。综上所述,本工艺的直接处理成本为0.84元/t。

表3 各设备运行频率
Table 3 Operation frequency of each equipment

1)由于本工艺主要依赖于活性炭的吸附和致密炭层的过滤作用,对活性炭的性能要求较高,不同活性炭的性能不同,会造成设备运行参数的变化,故建议更换活性炭时,先对系统进行测试,调整投加量、清洗频率、更换频率等运行参数。

2)虽然本工艺对SS的去除率极高,但同时受原水SS质量浓度影响也很大。过多的悬浮物可能会造成炭层堵塞,系统运行负压升高,产水速率下降,故建议对SS质量浓度较大的原水进行前端预处理。

3)本工艺的活性炭用量较大,使用周期较短,活性炭成本较高,故建议更换活性炭时采用新炭和再生炭相结合的方式,可大大降低活性炭的使用成本,从而降低整个系统的运行成本。

采用活性炭滤膜深度处理工艺,能够有效降低污水处理厂出水中的COD_Cr和SS。本中试设备单次活性炭投加量为150 kg时,COD_Cr去除率为69%～93%,SS达到100%。出水COD_Cr和SS均可满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准规定的排放限值。此外,本中试设备的直接运行成本为0.84元/t,对有迫切提标需求的城镇污水处理厂,采用本活性炭滤膜深度处理工艺在技术上和经济上是可行的。