我国是一个水资源短缺的国家，目前全国600多个城市中有400多个城市缺水〔1〕。城市污水资源化作为开源的重要形式，已成为解决水危机的重要措施之一〔2〕。沈阳北部污水处理厂是东北地区最大的污水处理厂，日处理能力为40万t,其中20万t/d采用A/O脱氮的处理工艺。对该厂处理出水进行深度处理，使之得以回用，对解决城市水资源短缺具有重要意义。对此，本研究采用污泥回流高效絮凝+双层滤料过滤的工艺对沈阳北部污水处理厂的二级生化处理出水进行深度处理，以达到回用于康平坑口电厂冷却用水的目的。通过中试动态连续流试验对该工艺的可行性进行了研究。
1 试验系统及试验方法
1.1 试验水质
试验原水取自沈阳市北部污水处理厂二级生化处理工艺出水，其水质：CODCr 30～70 mg/L,浊度 4～14 NTU,色度 38～91度，TP 2.8～5.6 mg/L.
1.2 中试装置
中试试验系统流程如图 1所示。
图 1 中试试验系统流程
该工艺主要处理单元包括高效沉淀池、回流系统和过滤装置。其中，高效沉淀池沉淀区中加装了小间距竖向斜向组合板构件，其网格式絮凝反应区分为14格;沉淀区斜板间距25 mm,斜板长800 mm,水平倾角60度，在斜板下垂直延长250 mm.过滤装置滤柱内径为250 mm,高为4 500 mm;滤层采用双层滤料，上层为无烟煤，粒径1.0～2.0 mm,高400 mm,下层为石英砂，粒径0.5～1.2 mm,高500 mm;承托层厚400 mm,从下到上由粗到细铺不同粒径的卵石。
1.3 中试系统运行工艺参数选择
进水流量为1 m3/h;混凝剂采用聚合氯化铝(PAC),投加量为30～40 mg/L;助凝剂采用阳离子PAM RT 2300,投加量为0.45 mg/L;絮凝时间为 13 min;沉淀池表面负荷为12 m3/(m2·h);滤柱滤速为10 m/h.当原水浊度变化时，活性污泥回流量和混凝剂投加量随之变化。
1.4 分析项目与方法
CODCr、NH3-N、TP、色度、浊度和污泥平均浓度等的分析参照《水和废水监测分析方法》(第4版)。
2 试验结果与分析
2.1 中试系统对色度和浊度的去除效果
中试系统对色度和浊度的去除效果见图 2. 由图 2可知，当原水色度为38～91度，浊度为4～13.4 NTU时，沉淀出水色度平均为27.9度，浊度平均为1.4 NTU;过滤出水色度平均为19.7度，浊度平均为0.6 NTU.经该工艺处理后，总色度去除率为57.1%～76.6%,平均为65.6%;总浊度去除率为84.8%～97.5%,平均为91.1%.试验结果表明，高效沉淀装置对色度、浊度的平均去除率分别为50%、60%,分别占到工艺对色度和浊度去除率的76%、66%,说明污泥回流高效絮凝是该工艺去除色度和浊度的主要原因。
图 2 进出水色度和浊度的变化
研究表明，高效沉淀池中的活性污泥含有大量金属氢氧化物及悬浮胶体颗粒物〔3〕，通过污泥回流接触絮凝的方法可有效增加水中颗粒物浓度，增加混凝剂水解产物的絮凝核心，提高微粒碰撞几率，从而提高颗粒间的凝聚机会，促进颗粒的凝聚成长。同时，活性污泥中细菌的细胞代谢和自溶会在体外分泌一种高分子胞外聚合物(EPS)〔4〕，在适宜条件下EPS可与悬浮颗粒通过离子键、氢键相结合，迅速形成网状结构而沉降〔5〕，其对于低温低浊水具有良好的絮凝效果。投加适当的混凝剂和助凝剂，采用翼片微涡旋絮凝网格混合，并配合高浓度污泥回流能有效起到处理低温低浊水的目的。通过增强机械搅拌，可促进胶体颗粒间产生的同向絮凝，进一步改善混凝效果〔6〕，使色度和浊度等得到去除。运行结果表明，污泥回流高效絮凝+过滤工艺对色度和浊度有稳定的去除效果，工艺最终出水色度和浊度远小于《城市污水再生利用 工业用水水质》(GB/T 19923-2005)中的规定，符合再生水回用水质标准。
2.2 中试系统对CODCr的去除效果
中试系统对CODCr的去除效果见图 3。
图 3 进出水CODCr的变化
从图 3可以看出，当原水CODCr为30～70 mg/L时，沉淀出水CODCr平均为 31.1 mg/L,过滤出水CODCr平均为 25.3 mg/L,总CODCr去除率平均为43%,其中高效沉淀装置对CODCr的去除率平均为30%,占工艺总去除率的70%,说明污泥回流高效絮凝对CODCr的去除起主要作用。
污泥回流高效絮凝系统是将高效沉淀池中具有黏附活性的高密度沉淀污泥回流，与加混凝剂的原水混合，通过混凝剂压缩双电层、吸附架桥、网捕卷扫作用使胶粒脱稳并凝聚形成絮凝体〔7〕，其不但对色度、浊度具有良好的去除效果，同时有助于去除水中悬浮有机物，使出水CODCr降低。该工艺对CODCr的去除效果稳定，出水CODCr达到《城市污水再生利用 工业用水水质》(GB/T 19923-2005)的要求。
2.3 中试系统对总磷的去除效果
中试系统对总磷的去除效果如图 4所示。从图 4可以看出，当原水总磷为2.8～5.6 mg/L时，沉淀出水总磷平均为1.0 mg/L,过滤出水总磷平均为0.6 mg/L,总的总磷去除率为75.6%～94.6%,平均为86.3%.试验结果表明，该工艺对总磷的去除比较理想。混凝剂溶解后的金属阳离子可与污水中的磷反应，生成难溶解的磷酸盐类沉淀物〔8〕，因此混凝过程去除磷的效果显着。混凝过程在去除非溶解性固体的同时，也可去除污水中的某些溶解性物质(如砷、汞等).此外，高效沉淀池出水通过无烟煤和石英砂双层滤料的过滤作用，其中未沉淀完全的胶体物质和悬浮物质得到进一步去除，进一步降低了出水磷含量，提高了系统整体处理效果。
图 4 进出水总磷的变化
2.4 中试系统对氨氮的去除效果
中试系统对氨氮的去除效果如图 5所示。
图 5 进出水氨氮的变化
由图 5可以看出，原水氨氮在开始阶段比较低(<1 mg/L),此时出水氨氮<1 mg/L.当原水氨氮为5～15 mg/L时，过滤出水氨氮在12 mg/L以下。系统总氨氮去除率平均仅为19.7%,说明该工艺对氨氮的去除并不理想。这是因为原水中的氨氮主要以离子态溶解于水中，用化学法去除氨氮没有太大的作用，因此，混凝沉淀+过滤工艺很难将其去除〔9〕;但由于网捕卷扫作用也能够去除一小部分含氮有机物，使工艺对氮也有一定的去除效果。同时，研究发现高效沉淀池出水经过滤以后，其氨氮都有微小的上升趋势。经分析可能是由于滤柱中存在缺氧区，在反硝化过程中发生同化反硝化，使一部分硝态氮转化为氨态氮。
3 中试试验产水成本分析
通过设备的初期投资、长期运行费以及维护费计算产水成本。
初期投资包括计量泵、活性泥渣回流泵、滤柱反冲洗泵、管道混合器等设备，以及高效絮凝沉淀池、滤柱等中试装置。使用寿命按4 a计，则每吨产水折合设备费0.28元，设备折旧费0.11元。
长期运行费及维护费包括药剂费、人工费、电费等。其中高效絮凝工艺中试试验每吨产水消耗电能0.5 kW·h,电费单价按0.5元/(kW·h)计，则每吨产水电费为0.25元;每吨产水消耗聚合氯化铝(按40 mg/L计)与聚丙烯酰胺(按0.4 mg/L计)费用为0.35元;每吨产水人工费按0.18元计。由此可见，采用污泥回流高效絮凝+过滤工艺对污水处理厂二级生化处理出水进行深度处理使之回用的产水成本为1.17元/ m3,具有处理效果好、产水成本低的优势。。
4 结论
城市污水处理厂二级生化处理工艺出水经过中试条件下的污泥回流高效絮凝+过滤联合工艺处理后，出水色度为19.7度，浊度为0.6 NTU,CODCr为25.3 mg/L,总磷为0.6 mg/L,出水色度、浊度、CODCr、总磷能够满足《城市污水再生利用 工业用水水质》(GB/T 19923-2005)的要求。但系统对氨氮去除效果不甚理想，建议另行增加氨氮处理工艺。
采用污泥回流高效絮凝+过滤工艺对污水处理厂二级生化处理出水进行深度处理回用的产水成本为1.17元/m3,具有一定的经济可行性。
