流砂过滤器应用于污水深度处理的研究

吴 晓 吴 霞 李中元

(1.江西科学院能源研究所，江西 南昌 330029；2.新余钢铁集团第一动力分厂，江西 新余 338001；3.萍乡市同方环保工程有限公司，江西 萍乡 337000)

一、背景

污水深度处理是指废水经一级、二级处理后，为了使废水作为水资源回用于生产或生活；或达到更高一级的排放标准而采取的水处理措施，也称三级处理。三级处理的目的主要是去除水中磷、氮和难以生物降解的有机物、矿物质和病原体等。目前运用较多的方法有混凝沉淀法、过滤法、膜分离法和氧化还原法。三级处理方法费用较大，管理较为复杂，每吨水处理的费用相比一级处理费用要高4～5倍以上。

混凝沉淀法是利用投加混凝剂对污水进行深度处理的一种常用方法之一。混凝剂通常有无机高分子絮凝剂、有机高分子絮凝剂和生物高分子絮凝剂。在废水的混凝沉淀处理过程中，影响混凝效果的因素较多，如水中杂质的成分和浓度、水温、pH值，以及混凝剂的性质和混凝条件等。然而，混凝剂的投入本身也可能对水体造成污染，而且混凝处理设施占地面积较大，污泥量多，污泥还需浓缩脱水。膜分离技术应用于污水处理领域在近年来已有不少的文献报道，应属于污水深度处理的新技术。分离膜主要分微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，具体要根据水质而确定。膜可以在分子范围内进行分离，属于物理过程，不需发生相的变化和添加其他助剂。然而，作为三级处理，膜分离投资规模较大，运行成本较高，而且对废水的预处理要求较高，只有经过预处理后，并合理选择膜及膜分离工艺，才能有较理想的膜通量和截留率，进而才可提高废水的去除率。氧化还原法是通过化学反应把废水中污染物氧化或还原成无害物质，或者转化成容易与水分离的物质形态，从而实现水中污染物的去除和污水的无害化处理。该方法主要包括臭氧氧化、光化学催化氧化、电化学氧化等。氧化还原法的废水处理效果要受多种因素的制约，如氧化、还原试剂的选择、废水的浓度、温度和pH值等。

过滤法是使废水在层流条件下，利用惯性作用、沉淀作用和扩散作用截留水中的悬浮杂质，使水质得到净化。过滤法对悬浮物、浊度、CODcr、BOD5、磷、重金属、细菌和病毒均有去除作用，常用的过滤法有颗粒滤料深床过滤、纤维滤料过滤和滤布过滤等方式。在过滤法中，近年来又相继有关于连续砂滤的研究报道，而且在实际应用中得到快速发展。流砂过滤又称连续砂滤、活性砂过滤和流态砂过滤等，最初由瑞典诺迪克公司(Nordic Water)发明，该技术自1980年问世以来，很快获得用户的认可，目前已在世界各地均有运行。目前，连续砂滤是一种新兴的污水深度处理方法，它集混凝、沉淀和过滤于一体，连续过滤运行，不需反冲洗，系统运行及维护费用低，在污水深度处理工艺中越来越受到重视。

二、流砂过滤研究现状

流砂过滤按功能大致可分为三类：普通连续流砂过滤，主要用于去除 SS、TP；生物流砂过滤，专为去除污水中的COD、BOD、NH3-N 而设计，同时也能去除污水中的悬浮物固体(SS)，它集成了过滤和生化功能；反硝化流砂过滤，专门用于反硝化处理、强化氮的去除，它集成了过滤和反硝化功能。

DynaSand系列流砂过滤器是瑞典Nordic Water公司的主导产品，也是目前主流的流砂过滤器形式，其核心部件主要有中心提砂管、洗砂器、底部锥斗、导砂斗、布水器和气动控制柜。其石英砂粒径1.0～1.6mm，单台过滤面积5m2，滤床高度1～2m，水力负荷5～10m3/(m2·h)，反洗水/进水 3～5%。另外，荷兰Paques公司的ASTRASAND系列过滤器是一种改良的活性砂砂滤器，它在滤床中增加了曝气系统，具备曝气生物滤池的处理功能。

在我国除了少数国外产品，大多数还是在此基础上不断更新和改造，相关研究已有不少。王东，马景辉等人，采用DynaSand活性砂过滤器装置，并借助聚合氯化铁和聚合氯化铝对城市污水处理厂二沉池出水深度处理进行了研究。结果表明该装置用于市政中水回用是可行的，废水的CODCr、SS、氨氮、浊度的平均去除率分别为35.36%、75.15%、9.43%、82.55%，总磷去除率范围为14.29%～65.44%[1]。陈志平，曹阳等人也探讨了用活性砂过滤技术对城市生活污水进行深度处理，实验采用 A2/O工艺处理的出水，实验结果显示：CODcr为40mg/L、SS为18.3mg/L、NH3-N为1mg/L、TN为13mg/L的二沉池出水通过活性砂过滤器过后，CODcr、SS分别稳定在50mg/L和10mg/L以下，平均去除率分别达到了44%和51.6%，能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准[2]。张志扬，魏铮等人，采用以高密度沉淀池和活性砂滤池为主体工艺处理钢铁生产循环冷却水排放的废水。高密度沉淀池结合石灰软化的处理原理，去除废水中的暂时硬度及SS。活性砂滤池进一步去除SS及其它污染物质。该废水主要污染物为：总硬度830-700mg/L、浊度NTU29.37-16.38mg/L、CODCr101-52mg/L，经处理后的水质为：总硬度390-323mg/L、浊度NTU4.00-2.85mg/L、CODCr37-23。总硬度、浊度、COD的去除率分别达到60%、85%、62%以上，出水水质各项指标均达到《城市污水再生利用工业用水水质标准》(GB/T19923-2006)[3]。董倩倩，刘振法等人，采用复合絮凝剂与活性砂滤池协同深度处理印染废水，将絮凝剂聚合氯化铝(PAC)、氯化铁(FeCl3)与阴离子型高分子絮凝剂聚丙烯酰胺(APAM)复配，然后将复合絮凝剂和活性砂滤池相结合，对经二级生化处理的印染废水进行联合处理。当复合絮凝剂投加量为ρ(PAC)：50mg/L、ρ(FeCl3)：10.0mg/L、ρ(APAM)：1.0mg/L时，二级生化处理的印染废水水质为CODcr：65-90mg/L、BOD5：2～3mg/L、NH3-N：2～4mg/L、TP：0.7～0.9mg/L、浊度：4～6NTU、pH值：7.5～8.0时，联合处理结果显示：经处理水质的浊度、COD和TP平均去除率分别达到56.6%、45.3%，59.4%，出水水质各项指标均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级 A标准[4]。洪常春、陈福霞等人，采用流砂过滤技术对难降解的腈纶污水进行深度，运行结果显示：将CODcr为310mg/L、SS为58 mg/L、BOD5为28.2mg/L腈纶废水经过流砂过滤器后，出水水质CODcr达243mg/L、SS达为12mg/L、BOD5达18.9mg/L，CODcr、SS、BOD5的去除率平均分别达到21%、78%、32.7%。流砂过滤器在去除悬浮物的同时，污水中的有机物都得到一定程度的去除，终水CODcr平均达到243ml/L，达到国家要求的含氰污水二级综合排放标准[5]。霍夙彦，李智慧等人，应用高效流砂过滤器配套涡凹气浮技术，实现了油田产出污水的就地处理和回注，涡凹气浮单元主要由曝气池和气浮池两部分构成。在曝气池向来水投加混凝剂，悬浮颗粒形成絮状物的油上浮，形成的泥渣由刮泥装置排除，处理后的废水由另一端进入流砂过滤器过滤。污水处理后的水质含油≤8mg/L，悬浮物含量≤5mg/L，能够满足油田地层回注水质指标的要求[6]。陈晓安，严福平等人，采用瑞典NORDIC公司的连续流砂过滤器对城市二级出水进行了中试研究。连续流砂过滤器该单套最大设计流量为1044m3/d、过滤面积5m2、最大过滤速度8.7m/h、砂床高度2000mm，空气提升泵最大供气量140L/min。采用连续流砂反硝化过滤系统进行深度处理，在系统中投加聚合氯化铝，以及反硝化所需的醋酸钠作为碳源。二沉池出水水质CODCr、NH3-N、TN、TP、SS分别为：16.3～36.1、0.15～0.67、7.8～19.04、0.2～0.43、5～15mg/L。研究表明：处理后的水质NH3-N、TN、TP、SS、CODCr指标均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A的排放标准，对TP、TN、SS的去除效果显著，平均去除率分别达到70.8%、65.8%和83.9%[7]。

三、ZH高效流态砂过滤器在工程中的运用

萍乡市同方环保工程有限公司一直从事水处理工程及其设备的开发、生产和销售工作，针对废水深处理的现状及市场需求，该公司与中环保水务投资有限公司、江苏恒昌环水设备有限公司合作，研制出ZH高效流态砂过滤器，产品还通过江西省科技厅组织的重点新产品鉴定[赣科新鉴字(2013)76]，该流态砂过滤器在空气动力室、导砂斗、围堰的结构设计和电气控制等方面进行优化，并在实际工程中运用中取得较为理想的效果。

流态砂过滤器工作原理：

絮凝剂随着原水一起通过输水管(8)进入过滤器内部，经底部布水器(4)均匀分配后向上通过石英砂滤床(5)，原水中的悬浮物在絮凝剂的作用下团聚，并附着在石英滤料的表面。原水在上升的过程中，团聚的杂质被不断截留和吸附，最终过滤处理后的水从过滤器顶部出水口(13)排出。

石英砂借助重力作用，在砂滤床中向下移动，滤床底部的石英砂层中截留的絮状杂质逐渐增多，压缩空气通过空气动力室(1)，将夹带絮状杂质的石英砂通过提砂管(9)不断提升至流砂过滤器顶部，石英砂在洗砂器(10)中自由下落，并在反冲水的紊流作用下，将石英砂表面的絮状杂质洗脱，洗砂所产生的反冲污水从过滤器排污口(7)排出，而洗干净的石英砂经过导砂斗(3)及其底角(2)重新散落分布到整个滤床截面，实现了石英砂滤料的清洗和循环流动的过程。

图 流态砂过滤器结构示意图

含油污量大的污水进入流态砂过滤器，经过絮凝、沉淀、过滤后，只能去除大部分油，出水的含油量指标仍无法满足出水要求。为了克服处理含油量大的废水难以达到出水要求时，该流态砂过滤器在出水口(13)前设置围堰(12)，包含第一挡水板(15)、第二挡水板(14)和排油口(17)，水从第一挡板上面流过，由于油比水轻而漂浮于水上面，而两层挡板之间的水从第二挡水板(14)底部排出，漂浮于上面的油则通过出水口(13)安装的电磁阀，定时开启，从排油口(17)排出，实现过滤后出水的油水分离。

流态砂过滤器在工程中的运用：

某污水处理厂的污水处理采用A2O二级生物处理工艺+消毒处理工艺，工程处理能力为5万吨/日，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。为了使出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准，对原污水处理工程进行改造，深度处理工段采用了萍乡市同方环保工程有限公司开发的四台ZH高效流态砂过滤器。该污水处理厂二沉池出水CODcr为42～60mg/L，SS为12～20mg/L，NH3-N为4.5～7mg/L，TP为0.5～0.8mg/L。经活性砂过滤器过滤后，出水水质经环保监测中心监测显示：出水CODcr达到35～48mg/L，SS为5～8mg/L，NH3-N为2.5～3.5mg/L，TP为0.3～0.5mg/L，CODcr、SS、NH3-N、TP的去除率分别达到41%、75%、64%、62%，二沉池出水深处里达到了预期目的。

某钢铁厂也将ZH高效流态砂过滤器应用于废水回用处理工程中，采用了混凝+流态砂过滤工艺处理炼铁、炼钢等系统排放的生产废水，处理能力为200t/h，处理后的中水回用于炉渣冷却系统，实现了生产废水的再利用。混凝剂为吸附型复合聚氯化铝铁，利用吸附型复合聚氯化铝铁去除废水的色度、浊度和悬浮物，再经流态砂过滤器进一步去除废水的悬浮物和其他物质，运行结果达到了企业回用水质要求。该炼铁、炼钢系统排放废水pH为7-8，悬浮物100mg/L，总硬度为350mg/L，氯离子为50mg/L，全铁为0.9mg/L，石油类10mg/L，浊度78NTU，总溶固660mg/L，经混凝和活性砂过滤器过滤后，出水水质pH为7-8，悬浮物17.43mg/L，总硬度为169.35mg/L，氯离子为34.63mg/L，全铁为0.16mg/L，石油类2.87mg/L，浊度7.91NTU，总溶固162.3mg/L，悬浮物、总硬度、氯离子、全铁、石油类、浊度、总溶固的去除率为83%、52%、31%、82%、71%、90%、75%。

结论

连续砂滤是一种有效的污水深度处理方法，设备占地面积小，处理效率高，集混凝、沉淀、过滤工序融一体，废水处理成本低，能持续运行，在污水处理中不断受到重视。萍乡市同方环保工程有限公司对现行的连续砂滤器进行了改进，通过空气动力室、导砂斗、围堰的结构设计和电气控制等方面的优化，开发出ZH高效流态砂过滤器，并在实际工程中运用中取得较为理想的效果。

[1]王东，马景辉，张红丽，丛林.DynaSand活性砂过滤器在市政中水回用中的应用[J].工业水处理，2006，(9)：59-61.

[2]陈志平，曹阳，杨浩文，罗永恒，吴艳娣.活性砂过滤技术中试启动研究[J].中国给水排水，2013，(1)：76-78.

[3]张志扬，魏铮，田泽祥，庞维亮，季民.高密度沉淀-活性砂过滤工艺在钢铁工业废水处理中的应用[J].城市环境与城市生态，2012，(3)：40-42.

[4]董倩倩，刘振法，王纪代，何乾妹.复合絮凝剂与活性砂滤池协同深度处理印染废水研究及应用[J].河北工业科技，2014，(2)：129-132.

[5]洪常春，陈福霞，郭志红.流砂过滤技术在腈纶污水处理中的应用[J].油气田环境保护，2011，(4)：39-41.

[6]霍夙彦，李智慧，赵昕铬，陈忻，翟明轩.高效流态砂过滤器[J].油气田地面工程，2010，(7)：105.

[7]陈晓安，严福平，李旭，桂丽娟.连续流砂过滤器处理城市二级出水中试研究[J].工业用水与废水，2011，42(1)，66-70.