与生物技术联用处理城市生活污水的混凝研究

吴成强^1,2 杨敏¹ 王国栋² 邵兵¹ 杨金翠²（1中科院生态环境研究中心环境水化学国家重点实验室 2西北农林科技大学生命科学院）

　　化学混凝技术能够降低后续生物处理的负荷及能耗，并且运行稳定，近期投资环境效益较好^[1]。但是，化学混凝对于原水中溶解COD的去除效果差 ^[2，3]。当原水中溶解COD波动较大时，出水水质无法得到保证，而且药剂用量大，产生的大量污泥难于处理，需要采取适当方法予以处置。基于这个问题，本文作者拟采用化学混凝与生物技术联用处理城市生活污水。采用化学混凝的主要目的是通过低剂量的Fe、AL絮凝剂去除原水中的悬浮颗粒、胶体及大分子有机物质，使后续生物处理单元能以较高的处理速度去除残余的溶解性小分子有机物。然后采用厌氧消化对污泥进行稳定化处理，减少最终污泥处置量，并实现能源的回收。如有可能，可以对消化出水中Fe²⁺进行回收。
　　本文利用批量实验对采用Fe、AL絮凝剂预处理城市生活污水及采用厌氧消化处理混凝污泥进行了研究，并对FeCL₃及PAC耐冲击负荷的性能进行了一定的探讨。

1　实验材料及方法

1.1实验对象及材料
　　试验用的城市生活污水（混有少量的工业废水，COD：300～800mg/L）取自北京市北小河生活污水处理厂计量房。
　　所采用的絮凝剂为：液体聚合三氯化铁：碱化度14%、13%Fe（中科院生态中心制备）；聚合三氯化铝（PAC）：碱化度80-85%、30%AL₂O₃（巩义产）；固体三氯化铁：分析纯。
1.2实验方法
　　采用PHIPPS&BIRD六联搅拌机，投入絮凝剂后，快速搅拌（200rpm）1min，慢速搅拌（40rpm）10min，静置15min，虹吸取样。
1.3分析指标及方法
　　COD：重铬酸钾法（CTL-12 化学需氧量速测仪）；pH：pHmeter HM-14P；SS：重量法；Fe²⁺：比色法（722s分光光度计）。

2　试验结果与分析

2.1混凝实验
2.1.1絮凝剂用量及去除效果对比
　　目前，无机高分子复合絮凝剂的有效成分为Fe(Ⅲ)、Al(Ⅲ)及Si(Ⅳ)^[4]，因此采用Fe、AL絮凝剂作为污水处理药剂。本文混凝试验的主要目的是去除原水中的悬浮颗粒、胶体及大分子有机物质。取得COD去除率为65%的各絮凝剂的混凝条件见表1。

表1 混凝条件对比 絮凝剂 用量 pH 聚合三氯化铁 30mgFe³⁺/L 6.3~7.6 PAC 30mgAL³⁺/L 6.0~7.6 固体三氯化铁 25mgFe³⁺/L 6.2~7.6

　　在不调节原水pH的情况下，各絮凝剂处理后的出水SS均小于20mg/L。去除率一定时，固体FeCL₃的药剂量低于其它絮凝剂，而且铁系絮凝剂所得的污泥无论在沉降速度还是在污泥体积上都远优于铝系，因此采用固体FeCL₃作为主要絮凝剂。由于该剂量FeCL₃处理后出水pH降低较多，因此需要降低其用量，以便保证后续生物处理所需碱度，同时为了确保同一混凝效果和消除FeCL₃处理后出水色度大、透明度低的缺点，本文决定采用PAC配合处理。
2.1.2 PAC与FeCL₃协同混凝的投加次序试验
　　FeCL₃同PAC分属于小分子和高分子无机絮凝剂，在水中的水解速度、主要形态及作用机理不全一样，因此需考察两者在一起的作用情况。
　　原水COD为300mg/L，不调节pH，采用5 mg/L (按金属量计，以下类同)FeCL₃及相同剂量的PAC处理原水，结果见图1，表明FeCL₃同PAC同时投加的混凝效果远不如分开投加（两种絮凝剂投加时间相隔30s），而且与分开投加的次序无关。

2.1.3 PAC与FeCL₃的协同混凝效果
　　以上结果表明降低FeCL₃用量，可使混凝处理后的出水pH降低较少。但为了保证合理的COD去除率，必须确定FeCL₃和PAC的配比对混凝的影响。
　　药剂量基本相同时，各絮凝剂的处理效果见图2。显然10 mg/LPAC配合等量的FeCL₃进行混凝，COD去除效果最好，出水COD大幅度下降。

　　原水COD为660mg/L，pH为7.51，采用FeCL₃及PAC进行配合混凝效果对比，先投加FeCL₃，快速混合30s后再投加PAC（以下投加次序相同），试验结果见表2。PAC及FeCL₃用量均为10mg/L时，处理效果最好，而且pH下降甚微，再增加各絮凝剂用量，COD去除率增加非常有限。

表2 协同混凝效果 FeCL₃/mg·L^-1 PAC /mg·L^-1 pH COD去除率/% 10 10 7.35 77.7 20 10 7.07 78.7 10 5 7.33 74.1 30 5 6.85 77.0

2.1.4混凝污泥沉降效果对比
　　不同的絮凝剂产生的絮体在污泥沉降性、污泥体积等性状上会有很大的不同。本实验对这些污泥性状进行了一些比较，结果见表3和图3。

表3 混凝污泥沉降特性 标号 FeCL₃/mg·L^-1 PAC /mg·L^-1 沉降指数SVI(ml·g^-1) 1 10 10 261 2 5 20 367 3 0 30 417

　　取100ml混凝污泥装入100ml量筒后测得沉降10min的污泥沉降速度，结果表明1号的沉降速率是2号及3号的5～6倍，而且其沉降指数也明显低于2号及3号。
2.1.5原水中各组分对混凝的影响
　　由于城市生活污水中成分复杂、COD波动较大，因此，有必要探讨原水组分对混凝处理效果的影响。
　　本试验将原水中COD进行如下分类：原水经过f12.5中速定量滤纸过滤的滤液COD定为溶解COD（CODd）；原水自然沉降1h后的上清液COD减去CODd定为胶体COD（CODg）；原水COD减去上清液COD为颗粒物COD（CODp）。
　　试验用原水，是通过自然沉降1h及过滤将城市生活污水分为三部分，再进行配水而成。
　　（1）采用10 mg/LPAC及等量的FeCL₃配合处理。当原水中CODp在0～895mg/L变化时(CODd为245mg/L)，出水COD最高为167mg/L,最低为148 mg/L，而且出水SS不超过20mg/L(结果见图4)。当CODp/CODd为0.9左右时，出水COD最低，在两侧呈上升趋势,但总体上变化不大。

　　（2）CODd为210～245mg/L时，CODg对于该剂量的FeCL₃及PAC协同混凝的影响非常小（结果见表4）。

表4 CODg对混凝的影响 原水组成 /mg·L^-1 FeCL₃

/mg·L^-1

PAC

/mg·L^-1 出水COD /mg·L^-1 COD_p COD_g COD_d 220 57 245 10 10 146 225 200 210 10 10 148

　　分别采用10mg/L FeCL₃或PAC处理原水，其中CODp=0mg/L、CODd=145mg/L，CODg及试验结果见图5。

　　单独采用FeCL₃或PAC处理后的出水COD都高于CODd，说明大部分絮凝剂消耗在去除CODg上。而FeCL₃和PAC的协同混凝出水COD远远低于CODd，CODg都能得到有效去除。
　　（3）PAC去除CODd的效果要好于FeCL₃，但是FeCL₃及PAC协同混凝去除CODd的能力非常有限（见图5），即CODd是影响混凝的关键因素。但本试验协同混凝主要目的不是要去除大量的CODd，当然如果原水中CODd变化较大，则出水COD肯定会有一定的波动，这样会对后续生物处理有所影响。
　　总之，采用10mg/LPAC及FeCL₃协同混凝，受原水中CODp及CODg的影响不大，CODp及CODg基本上都能得到去除。当原水中CODd变化不太大时，出水水质能保持较好的稳定性。
2.2 厌氧消化批量试验
　　城市生活污水无论采用哪种处理工艺，所产生的污泥必须都要经过最终处置，其中一种比较适合我国国情、经济上可行的处置方法就是将污泥消化同干化场结合起来。当原水经过絮凝剂处理后，污泥体积不仅增加，而且原水中易生物降解的一些有机质也被沉淀到污泥中，因此对污泥的消化处理，既可以减少污泥体积，回收能源，又有利于污泥的最终处置。然而不同的絮凝剂及其用量可能会对厌氧消化产生不同影响，因此有必要探讨FeCL₃及PAC对厌氧消化的影响。
　　从UASB中，取蔗糖配水培养的厌氧污泥，经过三次稀释洗涤（消除厌氧污泥中含有的VFA对厌氧的影响）后，取等量的厌氧污泥分别同原水自然沉淀污泥、FeCL₃混凝污泥以及PAC混凝污泥混合（混凝污泥中的金属量大于本文所采用最佳用量絮凝剂混凝后的污泥）进行厌氧消化。采用史氏发酵管收集甲烷气体，整套装置都在恒温35℃的恒温摇床中进行振荡。试验条件及结果见表5及图6。

表5 混凝污泥厌氧消化试验 试验对象 污泥负荷kgCOD/kgTSS 甲烷 pH COD/mg·L^-1 金属含量/mg·L^-1 理论值/ml 实测值/ml 产气率/% 进水 出水 进水 出水 进水 出水 原污泥FeCL₃ 1.193 366 41.0 6.98 584 混凝污泥PAC 1.212 893 432 48.4 7.30 7.17 8160 360 1488 99 混凝污泥 1.191 327 36.6 7.30 601 754

　　结果表明大剂量Fe（Ⅲ）对厌氧消化没有抑制作用，反而由于絮凝剂将一部分原水中易生化的有机物去除到混凝污泥中，并且在Fe（Ⅲ）被还原为Fe（Ⅱ）过程中，从絮体中释放了出来，因而厌氧消化反而进行得更好，甲烷回收率比原污泥高出7～8个百分点。但是大部分Fe（Ⅱ）仍沉淀在污泥中，消化出水中仅含99mgFe²⁺/L。PAC混凝污泥的消化效果较差，甲烷转化率比原污泥低5个百分点。可能原因是PAC通过架桥及卷扫作用将有机分子裹在絮体中，在厌氧消化过程中无法释放有机物或者释放速度慢。

3　结论

　　（1）本文采用10mg/LFeCL₃和等量的PAC协同处理混有少量工业废水的城市生活污水，出水pH下降甚微，CODp及CODg都能得到有效去除，有利于后续生物处理的快速进行。同时，混凝污泥沉降速度较快，是PAC混凝污泥的5～6倍。
　　（2）原水中CODd是决定混凝的关键因子，当原水中COD_d变化不太大时，出水水质比较稳定。
　　（3）Fe（Ⅲ）为1488mg/L的FeCL₃混凝污泥的厌氧消化效果好于PAC混凝污泥及原污泥，甲烷回收率达到48.4%，消化出水中Fe²⁺为99mg/L。

参考文献

　　1 邱慎初.化学强化一级处理(CEPT)技术.中国给水排水,2000,16(1):26～29
　　2 Levine,A.D.,Tchobanoglous,G.&Asano,T.,‘Size distributions of particulatecontaminants in wastewater and impact on treatability’,Wat.Res.,1991,25(8),pp.911-922.
　　3 谢朝新,钱易.城市污水化学强化沉淀技术(CEPT)实验研究.水处理化学会议
　　4 汤鸿霄.无机高分子絮凝剂的研制趋向.中国给水排水,1999,15(2):1～4
　　5周世辉,师绍琪,蒋展鹏.城市生活污水强化一级处理中絮凝剂选择研究.给水排水,1999,25(11)