悬浮快速过滤工艺处理晴天污水效果初探

朱红生，李 阳，杨云安，陈 俊，千种健理，林 野，管运涛

1) 清华大学深圳研究生院，广东深圳 518055；2) 清华大学环境学院，国家环境保护环境微生物利用与安全控制重点实验室，北京 100084；3) 常州市排水管理处，江苏常州 213077；4) 日立造船株式会社，日本东京 1400013

传统的合流制排水系统在雨天易发生污水溢流，因溢流中包含大量的生活污水、管道沉积物和雨水径流，使得部分污染物浓度甚至远超一般生活污水，严重污染了受纳水体[1-5]，是造成水体黑臭的重要原因．为控制合流制溢流对受纳水体的污染，国家重大水专项项目对中国江南某市老城区区域的合流制排水系统展开了充分的现场调研和采样监测研究，针对难以截流和收集的溢流污水开发了一套悬浮快滤处理工艺．该工艺利用可悬浮于水中的滤料，下部进水、上部出水，使悬浮滤料受到上向水流力挤压成层后形成滤层[6-7]，该滤层依靠滤料受到的浮力形成空隙，实现对水中悬浮颗粒物的拦截和黏附，以达到过滤的目的．相对传统过滤，悬浮过滤的滤层有截污容量大、水头损失增长缓慢、总水头损失小、过滤周期长等特点[6]．相关研究结果表明，悬浮快速过滤工艺能够有效地控制溢流、污水污染，对雨污水中悬浮颗粒物(suspended solid, SS)及其吸附的有机物去除效果很好[3, 8-10]．李思远[3]研究表明，悬浮快滤池在高滤速下对SS的平均去除率可达45%以上．王润娟等[8]研究表明，最优试验条件下，上向流悬浮滤料滤池对原水SS、浊度及总磷(total phosphorus, TP)的平均去除率分别为86%、90%和64%．

合流制溢流一般发生在降雨期，而非雨期时悬浮快滤池闲置，设备利用率较低．因此，悬浮快速过滤工艺处理晴天污水的研究，一方面可以有效提高装置的利用率、去除污水中悬浮颗粒物以减少管道沉积，另一方面可以探究影响工艺处理效果的因素，为雨天运行与推广该工艺提供参考．本研究结合前期研究成果和经验[3, 9]，与日本日立造船株式会社合作，对合流制排水区域的悬浮快速过滤工艺处理晴天污水的效果进行研究，探究该工艺适用的处理对象水质范围，分析工艺出现的工程问题并提供解决方案．

1 材料与方法

悬浮快速过滤工艺设施设置于江南某市老城区中合流制排水未改造的城中村排水泵站，区域面积约为55 000 m2，服务人口约为2 750人．本研究以最大处理规模为640 m3/d的中试装置的运行数据为研究基础．该悬浮快速过滤装置采用的是烯烃系列纤维的新型滤料，其形状为圆柱体，滤材直径为8 mm，滤材长度为8 mm．运行时污水先进入预处理单元，然后自下而上进入滤池进行过滤，滤后进入出水池排出装置．反冲洗采用曝气反冲洗.填料及滤料示意见图1．

图1 悬浮快速过滤池和滤料示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of suspended quick filter tank and filter material

泵站截流区域的污水和雨水进入调蓄池．雨天时，当调蓄池达到一定水位时运行快速过滤工艺，实现对该区域雨污混合水的快速处理与排出，从而有效减少该区域的洪涝灾害和溢流污染；晴天时，悬浮快速过滤工艺可最大限度地去除污水中的悬浮颗粒物，以减少管道沉积物．

对该装置共进行了6次晴天运行采样试验，每隔1 h采集进、出水水样，采样信息见表1．其中，回送流量是指进入滤池的未过滤的原水回流至预处理单元的流量，其目的是在保证滤速相同的情况下，适当提高工艺预处理单元的水力负荷．

测定指标包括SS、化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)、溶解性COD(soluble COD, SCOD)．SS和COD测定方法分别采用重量法、重铬酸钾快速消解法，SCOD测定时水样先经过孔径为0.45 μm的滤膜过滤，然后测定过滤后水样的COD．为减少误差，平行采集几组进水水样进行混合，得到进水的混合水样，采用同样的方法得到出水的混合水样，然后采用湿法分粒径筛分的方法[3]，将进、出水各自的混合样分别依次经过孔径为25、45、100、300、1 000和2 000 μm的不锈钢筛进行筛分，再用蒸馏水进行反冲，测定不同粒径范围内颗粒物质量．

表1 六次实验采样信息

2 结果与讨论

2.1 悬浮快速过滤工艺处理污水的影响因素

2.1.1 预处理单元水力负荷

悬浮快速过滤工艺中存在预处理单元，预处理单元类似污水处理工艺中的配水井，使得进入滤池的污水趋向稳定，其水力负荷是滤池处理效果的重要因素．为研究预处理单元对悬浮快速过滤工艺处理效果的影响，选择A和D组、B和E组以及C和F组为研究对象，这3个对应实验组的两两之间过滤速度相同，但预处理单元的水面积负荷差异较大．图2为A、B、C组的进、出水水质和平均去除率，图3为D、E、F组的进、出水水质和平均去除率．图2表明，A、B、C组的去除率仍然受到进水水质的影响，SS去除率为47.7%～58.3%，COD去除率为19.9%～42.6%，说明悬浮快速过滤技术对污水中的SS的去除效果要优于COD．由图2和图3可知，在A组预处理单元水力负荷低于D组的情况下，A组对污染物的去除率高于D组．而B和E组、C和F组也有类似的结论，因此，预处理单元水力负荷是影响悬浮快速过滤工艺的处理效果的重要因素．

图2 A、B、C组的进出水水质和平均去除率Fig.2 Inlet, outlet water quality and average removal rate of group A, B and C

分析结果表明，理论上，相同滤速条件下，预处理单元水力负荷越小，其对污染物的去除效果越好．预处理单元类似于配水井，对进入滤池的污水进行稳定平衡，提高配水的均匀性．对滤池而言，配水均匀性越差，滤池的进水扰动程度越大，对滤池的稳定运行越不利，从而过滤效率降低．

2.1.2 滤 速

滤速(滤池滤速)是影响悬浮快速过滤工艺处理效果的重要因素．为分析不同滤速对处理效果的影响，选择D(滤速为20.83 m/h)、 E(滤速为16.67 m/h)和F(滤速为12.50 m/h)组作为研究对象，图3分别是D、E、F组的进、出水的SS、COD随运行时间的变化．从图3可见，总体而言，工艺出水水质因进水水质的波动而波动，其SS去除率为29.5%～37.5%，COD去除率为6.7%～15.1%．悬浮快速过滤对COD的去除率要比SS的去除率小，与污水中的COD部分以溶解态存在有关．3组实验数据显示，各组滤速大小依次为D>E>F，工艺对SS和COD的去除率为D>E>F，说明在一定参数范围内相同条件下，滤速越大，过滤效果越好．

图3 D、E、F组的进出水水质和平均去除率Fig.3 Inlet, outlet water quality and average removal rate of group D, E and F

分析表明，较高滤速条件下，与水接触的悬浮滤料受到的上向流的推动力更大，滤料之间的孔隙率更小，从而其对污染物的拦截效果更明显，对污染物的去除率更高．对悬浮过滤而言，一定条件下，滤速越大，上向水流力挤压成层后形成滤层的密实度越高，孔隙越小，颗粒态拦截和吸附效果越好[6-7]．

2.1.3 进水水质

一般而言，进水水质对反应器的处理效果具有较大的影响．为探究进水水质对悬浮快速过滤工艺处理效果的影响，以进水SS质量浓度为研究对象，将高于平均质量浓度的SS进水统计为高SS进水，低于平均质量浓度的SS进水统计为低SS进水，可发现高质量浓度SS进水平均去除率基本高于低质量浓度SS进水的平均去除率．因此，在滤速和预处理单元水力负荷相同的条件下，进水SS越高，悬浮快速过滤工艺对污水中SS去除效果越好，需要反冲洗的时间可能越长．

以B、C和E组进水的COD作为研究对象(表2)，研究进水COD对处理效果的影响．图2、图3和表2表明，非溶解性COD质量分数和悬浮快速过滤工艺对COD的去除率呈正相关，说明进水中的非溶解性COD质量分数越高，悬浮快速过滤工艺对污水中的COD去除效果越明显．

表2 B、C和E组处理前进水COD分析

总体而言，悬浮快速过滤技术对污水中颗粒物具有良好的拦截和吸附作用，当污水中的SS较高、非溶解性COD质量分数较高时，悬浮快速过滤工艺对污水的SS和COD具有更好的处理效果．SS、非溶解性COD与水体中颗粒物相关，而颗粒物质量分数越高，悬浮快速过滤的效果越好，该结论与李思远等[3, 8]的研究一致．

2.2 进水中颗粒物不同粒径区间过滤效果分析

悬浮快速过滤工艺主要去除污水中的颗粒物，因此，有必要研究污水中颗粒物的粒径分布，以及悬浮快速过滤工艺对不同粒径区间的过滤效果．

对该阶段的污水颗粒物粒径分布(表3)研究发现，A、C、E和F组(因现场原因，未测定D和E组污水中颗粒物粒径)污水中的颗粒物以极小粒径为主(< 25 μm)，其质量分数基本在80%以上，而<100 μm粒径的颗粒物质量分数为95%左右，说明污水中较大颗粒物(100 μm以上)质量分数较少．

对不同粒径区间过滤效果分析(图4)发现，虽然极小粒径(< 25 μm)在进水中所占质量分数较高，但悬浮快速过滤工艺对其处理效果有限，去除率约为21.2%～40.5%；而25 μm以上的颗粒物所占质量分数虽仅为20%左右，但悬浮快速过滤工艺对25 μm以上的颗粒物的平均去除率基本在50%以上．与对应的SS的平均去除率比较，极小粒径颗粒物(< 25 μm)的去除率基本低于SS平均去除率，25 μm以上的颗粒物的平均去除率基本高于SS平均去除率．同时，由预处理单元水力负荷和滤池滤速可知，A、C、E和F组对SS的去除率排序为A>C>E>F，而对极小粒径颗粒物(< 25 μm)则为F>E>C>A，极小粒径颗粒物(< 25 μm)质量分数和SS去除率呈负相关．

表3 A、C、E、F组污水中各粒径质量分数分布

图4 A、C、E和F组的不同粒径区间颗粒物去除效果Fig.4 Removal efficiency in different size range of particle of group A, C, E and F

因此，可认为极小粒径颗粒物(粒径<25 μm)是悬浮快速过滤工艺处理效果的限制因素，污水颗粒物中极小粒径颗粒物(粒径<25 μm)的质量分数越高，其处理效果越差．悬浮过滤时，上向水流力压缩形成的滤饼，利用滤饼之间的孔隙对颗粒物进行拦截和吸附[6]，颗粒物粒径越小，拦截效果越差．

2.3 工艺适宜性分析

悬浮快速过滤工艺对晴天污水的处理效果为：SS去除率为29.5%～58.3%、COD去除率为6.7%～42.6%，低于工艺对合流制溢流(combined sewer overflow, CSO)污染物的去除率．2013年和2014年对某市数个监测点的晴天污水、雨天溢流的采样监测结果[3,11-12]表明，合流制溢流的COD和SS质量浓度远高于晴天污水的(表4)．

表4 晴天污水与CSO污染物平均质量浓度

颗粒物粒径分布是影响工艺处理效果的重要因素．表5为晴天污水与CSO的颗粒粒径性质比较．CSO的颗粒物在区间分布上与晴天污水相似，但CSO中颗粒中位粒径与峰值粒径高于晴天污水，晴天污水流速较小，能冲刷起的颗粒粒径有限，且污水中原有大颗粒物质更易沉降，因此晴天污水中颗粒粒径要小于CSO．

表5 晴天污水与CSO颗粒粒径分布特性

晴天污水的SS、COD和颗粒物粒径均小于CSO，导致悬浮快速过滤工艺对晴天污水污染物的去除率相对较低．结合前述研究表明，该工艺对特定水质的污水的处理效果相对较差，尤其是对低质量浓度SS、低质量浓度非溶解性COD与高质量浓度极细粒径颗粒物(粒径<25 μm)的进水而言．进水中SS、非溶解性COD与极细粒径颗粒物(粒径<25 μm)的质量浓度可作为悬浮快速过滤工艺适宜性的关键性指标．

3 结 论

通过研究在中国江南某市合流制排水区域运用的悬浮快速过滤工艺对晴天污水的处理效果，结果表明：

1)悬浮快速过滤工艺对晴天污水的处理效果为：SS去除率为29.5%～58.3%、COD去除率为6.7%～42.6%．滤速、预处理单元水力负荷、进水水质是影响处理效果的主要因素．理论上，在一定适用范围内，滤速越大，预处理单元水力负荷越小，污水中SS和非溶解性COD比例越大，悬浮快速过滤技术对SS和COD的去除效果较好．悬浮快速过滤对粒径≥ 25 μm的颗粒具有较好的去除效果，极小粒径颗粒物(粒径< 25 μm)是影响处理效果的限制因素．

2)悬浮快速过滤工艺对晴天污水中污染物的去除率相对CSO低，与晴天污水中SS、COD、颗粒物粒径均小于CSO有关．悬浮快速过滤工艺对低质量浓度SS、低质量浓度非溶解性COD和高质量浓度极细粒径颗粒物(粒径<25 μm)的污水的处理效果相对较差．进水SS、非溶解性COD与极细粒径颗粒物(粒径<25 μm)质量浓度可作为悬浮快速过滤工艺适用性的关键性指标，其对于推广悬浮快速过滤工艺的应用具有指导意义．

3)应用于处理合流制溢流的悬浮快速过滤装置，为提高装置使用率，建议将其作为晴天污水的预处理设施，以去除污水中悬浮颗粒物，减少管道沉积物，对控制合流制溢流污染具有重要意义．