新型污水处理沉淀过滤技术研究进展抢先看

目前，国内外主流污水处理工艺由生化处理部分 (好氧或厌氧生物反应器) 和固液分离部分(初沉池、 二沉池) 组成。近年来研究者们主要关注低能耗、低成本、低占地的高效生化处理单元开发，而在一定程度上忽视固液分离单元的研究。例如，当今生化反应与分离过程相结合的技术发展趋势引领了多目标、多功能的生化分离组合技术的综合开发，出现了三沟式氧化沟、SBＲ法、UNITANK 工艺等反应沉淀一体化工艺，也出现了曝气生物滤池 ( BAF) 和膜生物反应器 (MBＲ) 等一系列将生化反应与过滤技术有机结合的新型高效污水处理工艺。 固液分离是生化处理工艺中制约反应器生物特性、处理效率和出水水质的重要因素，随着高效生物技术的不断完善，传统固液分离技术对高效生化处理工艺功能扩展的限制正日益凸显。 进入 21 世纪，许多新型沉淀和过滤技术更成 为领域内的开发热点。本文分别从技术原理以及工程应用角度介绍几种发展较快的新型沉淀技术和新 型过滤技术的研究进展。

1 新型固液分离技术的发展趋势

污水处理中，待分离体系的分离负荷和平均粒径大小决定了分离技术的选择及其成本。传统沉淀过滤技术成本较低，但可承受负荷和分离精度也较低。 膜技术分离精度高，出水水质好，但运行成本高，可承受负荷低。新型固液分离技术，如微砂沉淀、硅藻土、磁分离、动态砂滤、滤布滤池等。着眼于寻求分离效率、分离精度及运行成本之间的平衡，以实现综合效益最大化。

2 沉淀技术的进展

污水处理中沉淀过程用于实现进水颗粒物与水的分离。主要沉淀技术的典型分离负荷，负荷值的提高代表了沉淀技术的进步。混凝技术提高了普通沉淀技术的分离精度，硅藻土技术进一步提升分离精度及负荷，而磁分离和微砂沉淀技术借助物理作用不仅使分离负荷提升了数十倍，分离精度较硅藻土也有加强。 总体而言，随着污水成分日益复杂、污水排放要求更加严格， 传统沉淀技术在截留污染物尺寸和分离效率等方面已无法满足要求。新型沉淀技术的开发研究目前主 要集中在提升分离速度和去除率上，依靠高效凝聚药 剂或物化方法提高固液密度差而达到目的。

2. 1硅藻土技术

硅藻土是一种由古地质时期的硅藻、放射虫或海绵等遗体堆积并经初步成岩作用而成的硅质沉积岩，由具有多级、大量、有序排列微孔结构的硅质壁壳组成，主要利用水解后的静电作用促进体系中胶体脱稳 凝集而实现沉淀分离。 硅藻土的微孔结构还可吸附病毒、细微颗粒、重金属以及溶解性物质，特定装置中的硅藻土悬浮层还能实现部分过滤作用。

将活化硅藻土处理印染废水，COD 去除率达 74%，色度去除率达 94%。蒋小红等研究认为出水水质要求不高时改性硅藻土可单独处理城 市生活污水，添加生物膜或氧化塘等生物后处理装置可进一步提高出水水质。 河南永城市第一污水处理厂采用“A /O + 硅藻土”协同处理工艺，硅藻土投加量 40 mg /L，提高了污泥沉降性能，缩短了生化停留时 间，节省占地面积，运行成本约 0. 4 元/t，日处理污水 量达 1 万 t，出水指标达 GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级 A 标准，并实现连续稳 定运行［20］。 硅藻土技术在处理机理、影响因素及其 控制、改性方式优化和硅藻污泥后处理等方面还有很多研究和发展空间。 硅藻土技术提供了一条混凝吸附过程相结合的固液分离思路。

2. 2磁分离技术

磁分离技术是借助外加磁场并(或) 利用磁性接种技术使水中不同磁凝聚性组分凝聚成较大团块以 实现强化沉淀分离的一种新兴技术，20世纪60年代开始应用于水处理工程。污水中部分微生物受到磁场抑制或激发作用，可提高水处理微生物活性，从而强化污水处理效果。 分离后磁化污泥中的磁性接种 物可经处理后回收再利用，剩余污泥另外单独处理。 按照水处理工艺分，磁分离技术可分为直接磁分离法、间接磁分离法和微生物磁分离法 3 种 ; 按照装置原理，又可分为磁絮凝分离、高梯度磁分离和磁盘分 离 3 种。 经 20 多年发展，磁分离技术主要应用于生 活污水、食品废水、含油废水及印染废水等处理，具有处理效率高、设备体积小、结构简单、维护费用低、占地少等特点，工艺技术相对完整，并建立了磁过滤理论体系。

将沉淀时间缩短到化学沉淀的 1 /48，具 有 药 剂 省、分离速度快的优点。 陈文松等［21］ 采用氧化 －磁 种混凝－高梯度磁分离技术对印染废水进行处理，反应稳定时磁粉投加量为 150～200 mg /L，色度和 COD去除率均优于国家二级排放标准。 磁分离与絮凝技术结合可提高系统分离效率。 目前，美国有15 000 t / d 市政污水处理采用磁絮凝沉淀技术。

2. 3 微砂沉淀技术

微砂沉淀工艺(Actiflo) 由法国 Veolia 集团 OTV 公司在 20 世纪80年代初开发，主要用于去除水中悬浮物、浊度、色度、藻类、铁、锰以及颗粒态有机物。 该工艺利用微砂与高分子絮凝剂共同作用，使污染物与微砂聚合成直径 150 μm 以上的大颗粒絮体而加速沉淀分离，同时结合斜板沉淀原理减少沉淀池面积及 沉淀时间，保持良好稳定的出水效果。含微砂污泥沉淀后部分循环，在水力旋流器中实现泥 砂分离和微砂回用。 微砂沉淀工艺具有水力负荷高、 占地面积小、启动快、SS 去除率高、抗冲击负荷能力 强和出水水质稳定等特点。

针对城市合流制溢流污染，1992 年微砂沉淀工 艺在 Colombes 市的 SIAAP 水厂建立了中试装置，试验结果良好。 目前，国内外有 560 多座工程使用微砂 沉淀工艺处理市政污水和工业废水。2006 年北京市 水源九厂利用 Actiflo 工艺对混凝池、聚合池、微砂投加池、絮体熟化池和斜管沉淀池进行改造，处理后出水浊度可控制在 1 NTU 以内［24］。Actiflo沉淀工艺还 可以为后续过滤以及膜处理装置提供预处理，去除 SS 和磷，在多雨城市同初期雨水结合处理，充分挖掘 优良的沉淀性能。 Actiflo工艺对不同水质的适应性、 絮凝方式优化及其与污水相关的应用拓展可能是未 来较为重要的研究方向。

3 过滤技术的进展

以砂滤技术为代表的传统过滤技术利用石英砂等粒状滤料层截留水中悬浮杂质，有较长应用历史。 但由于受过滤介质和冲洗方式限制，长时间污水截留 率有限、运行效率低、能耗大、更换周期短。 典型过滤技术的分离负荷。 结合表 2 和图 1 分析， 混凝技术也能提升传统过滤技术的分离精度，动态砂过滤技术通过实现连续过滤而将分离负荷提升至传 统技术的 2 倍，动态膜和滤布滤池技术对分离效率和 分离精度的提升作用均十分明显。膜技术的分离精度最高，但是分离负荷及处理成本成为了目前该技术广泛使用的限制因素。这也促使研究者们向过滤精 度高、处理速度快的新型过滤技术展开诸多探索。

动态砂过滤系统是一种结合生物作用的改良连续砂滤器，通过同步过滤和反冲洗实现24h连续不停 机工作，主要应用于各类给水过滤处理、污水深度处 理和城市及工业水回用处理等。 该系统主要利用逆 流原理使进水通过底部布水器自下而上流经动态砂 过滤床，滤床截留污染物，顶部溢流清水，脏砂借助气 体在顶部洗砂器中紊流和机械碰撞作用实现反冲洗，洗净滤砂重力回流至砂床。其主要特点有 :

1) 立式结构紧凑且处理规模大;

2) 过滤作用与生物净化作 用结合;

3) 连续自清洗，无需停机;

4) SS 负荷适应性 强，处理效果稳定;

5) 运行成本低，维修保养少，高度自动化。

2膜技术进展

膜分离技术近年来在国内污水处理领域发展迅 速，主要使用压力差驱动的膜分离过程。依据膜孔尺寸及分离物 粒径范围可分为微滤。

微滤(MF) 和超滤 ( UF) 是世界上开发应用最早 的分离膜。目前我国微滤和超滤技术大约占我国膜工业年产值的 1 /5［39］。 微滤膜和超滤膜技术在生活 污水和工业废水回用、MBＲ、深度预处理工艺等方面 已有广泛应用研究。 目前 MBＲ 工艺中基本使用微滤 膜，MBＲ 也因具有出水水质良好、设备紧凑、运行管 理方便、剩余污泥产量少等特点近年来得到迅速发展。

纳滤(NF) 膜是在 20 世纪 80 年代末期发展起来 的一种截留分子量为 200 ～2 000 Da 的新型分离膜。 反渗透(ＲO) 膜是 20 世纪 50 年代开发的具有不对称 结构、孔 径 ＜ 2 nm 的 分 离 膜，操 作 压 力 在 0. 8 ～ 7. 5 MPa。反渗透技术和纳滤膜技术多用来实现生活污水及工业废水的深度处理及回用、海水及苦咸水淡化和工农业废水有用资源浓缩回收等。

膜分离过程的优点在于物料无相变，能耗低，分离精度高，适用范围广，装置简单紧凑、占地小、易控 制等，但被截留物质堵塞引起的膜污染问题及膜的使 用维护成本是制约膜技术广泛应用的主要障碍。 如何有效降低膜技术使用成本、提升膜技术分离负荷决 定了膜技术在未来污水处理领域的市场，也吸引了研 究者的广泛关注。

3. 3 平衡分离精度与负荷的新型过滤技术

3. 3. 1 动态膜技术

动态膜(Dynamic Membrane，DM)，也称动态形成 膜 ( Dynamically Formed Membrane ) 或 原 位 形 成 膜 (Formed-in-place Membrane)，通过过滤含成膜物质溶液而在多孔基材表面形成。 常见基材包括尼龙筛 网、筛绢、无纺布、不锈钢网等，氟石、硅藻土、高岭土、 页硅酸盐、熟石灰等矿物为常见的成膜物质。 动态膜 根据形成方式可分为预涂动态膜 (Pre-coated DM) 和

自生动态膜 (Self-forming DM)。动态膜研究源自反渗透的预涂动态膜，至 20 世纪 90 年代开始有针对自 生动态膜的超滤、微滤研究，主要用于生物、食品领域 强化过滤效果。 自生动态膜以其价格低廉、操作简便 的优势逐渐成为研究主流热点。 近年来，动态膜技术 结合 MBＲ 的基本原理发展出了动态膜生物反应器技 术，以活性污泥形成的动态膜取代传统微滤或超滤膜 实现固液分离。 动态膜基材主要采用微米级孔径的 微网材料，与活性污泥平均粒径相仿，但动态膜形成 后截留能力可达到微滤或超滤水平。 常见的动态膜生物反应器均为自生动态膜过程。

Yosshiaki Kiso 等 以尼龙网为基材，利用孔径 100 μm 动态膜小试反应器处理合成废水，在连续进出水和曝气条件下出水 SS 和 BOD 分别小于1. 5 mg /L 和5. 0 mg /L，在间歇曝气条件下 TN 去除率达 80%。 范彬等［41］ 利用普通筛绢为基材，动态膜生物反应器 处理污水厂生活污水，SS 去除率近 100%，出水 COD 去除率大于 80%，氨氮去除率达 96% 以上。利用无纺布为基材的动态膜生物反应器处理公路 服务区生活污水，处理量达 150 m3 /d，稳定运行 1 年 后 SS 和 COD 去除率均达 95% 以上，氨氮去除率达78%，出水水质符合 GB 8978—1996《污水综合排放 标准》一级标准。 动态膜反应器较传统 MBＲ 的优势 在于 : 1) 重力出水，节约能耗; 2) 出水通量高，水质良 好; 3) 基材廉价易得，经济性好; 4) 易清洗再生。动态膜基材、运行过程控制的优化和动态膜形成机理等方面的研究是动态膜水处理领域未来较为重要的方向。

3. 3. 2 滤布滤池技术

滤布滤池 ( Cloth-media Filtration) 又称为纤维转盘过滤器，是一种过滤等级为 5 ～10 μm 的表面过滤 装置。 滤布滤池系统比普通砂滤处理效果好，水质水 量稳定，能耗低(高程损失仅为 0. 3 m)，反冲洗时间 短，占地面积小 (仅为常规工艺的 1 /2)，维护使用简 便。 一些欧美国家已将该工艺作为城市污水深度处理单元。 我国江苏省在太湖流域城镇污水处理厂提 标升级时曾大力推广该系统。

滤布滤池采用过滤转盘外包滤布来代替传统过 滤介质，沿过滤方向分别为纤维毛层及大孔隙支撑层。过滤组件包括中心轴、过滤转盘、反冲洗系统、污 泥去除系统、中心传动系统及支架支撑系统。进水利用重力流入滤池并压过滤布，部分较轻的污泥吸附于滤布外侧形成泥饼从而可部分提升过滤效果，较重的污泥利用斗型池底排出滤池，滤布过滤阻力增加到一定液位时利用吸泥装置进行反冲洗。针对进水中含油或黏度高时对过滤介质的改进 可能是这类滤池未来主要的研发方向。

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