活性砂技术在污水深度处理中的应用探讨

根据现在城镇污水处理厂提标改造的背景和要求，对现有工艺进行综合分析和比较。结果表明活性砂滤池具有明显的优势，值得推广应用。
引言
随着工业的快速发展，人口的迅速增长，我国环境污染越来越严重。环境统计公报报道，2008 年全国废水排放总量571.7 亿t，比2007 年增加2.7%。其中，工业废水排放量241.7 亿t，占废水排放总量的42.3%；城镇生活污水排放量330.0 亿t，占废水排放总量的57.7%。工业用水重复利用率83.8%[1- 3]。针对这种环境，我国把环保工作放到非常重要的位置，对排污总量提出明确的量化指标。各地环境保护部门相应制定严格的污水排放标准，并且严格控制氮磷的排放总量。全国已建设好的市政污水厂均面临提标改造的境遇，需要从原来执行的一级B 提高到一级A；新建的市政污水处理厂设计标准均是一级A 标。与此同时，对大中型城市人口密集的地方，制定污水再生的策略，这也需要进行污水的深度处理、再生和利用[4- 5]。
1 .主要污水深度处理工艺
目前应用于市政污水深度处理技术包括传统砂滤技术、膜分离技术、转盘过滤器(滤布滤池)、高效滤池、反硝化滤池、活性砂过滤池等。
1.1 传统砂滤技术
传统的主要砂滤技术包括过滤、吸附、混凝、沉淀及消毒，其主要形式有：①二沉池出水—砂滤—消毒；②二沉池出水—混凝—沉淀—过滤—消毒；③二沉池出水—混凝—沉淀—过滤—(活性炭吸附)—消毒。综合目前深度处理现状，其存在的问题主要是：工艺流程长、占地面积大、需要定期反冲洗、能耗较高、处理效果不稳定且对脱氮除磷效果不佳等问题。1.2 膜过滤技术
膜过滤技术是经过特殊的无机材料或有机高分子材料对混合物中的成分进行选择性通过的方法，污水深度处理应用中主要是超滤和微滤膜。微滤主要是去除混合液中的悬浮物，而超滤膜可以去除混合液中的大分子物质和悬浮物。膜生物反应器(MBR)是在两者和活性污泥法相结合的基础上发展起来的，其产生于20 世纪末期。它不仅利用了膜过滤技术的选择性和高效性，而且利用了生物的有效性和彻底性，对有机物进行氧化，并发生硝化、反硝化，从而最大限度的去除水中的有害物质[7- 10]。膜生物反应器的出水水质清澈，有机物含量极低，可直接使用，但是目前尚未解决膜污染的相关技术问题，投资费用和运行维护费用非常高昂，不适合于在我国这种发展中国家大规模推广使用。
1.3 转盘过滤器(滤布滤池)
转盘过滤器(滤布滤池)主要作用是对SS、COD 的截留。
转盘过滤器的工作机理是：进水通过200～300 mm 的自由水头进行配水到多个转盘过滤器，较低的水头确保其不需要使用污水泵进行污水提升。机械使用多室圆形旋转过滤盘，滤板的表面可以准确地确定固体过滤器规格，大截面，高过滤流量。
旋转盘式过滤器根据入口形式，分为内进外出、外进内出2 种形式。内进外出式过滤介质采用PE聚脂或不锈钢，盘片浸没65%，运行方式为过滤—反冲洗；外进内出式过滤介质采用有机纤维堆织而成，盘片全部浸没，由尼龙纤维织成绒毛状表面及聚醋纤维作为支撑体，运行方式为过滤—反抽吸—排泥。
转盘过滤器在国内一些城镇污水厂应用中普遍存的问题有：①目前设备投资还是比较高；②主要去除SS，对脱氮除磷没有效果。
1.4 高效滤池
高效滤池基于一种新型软包装———纤维束过滤元件的过滤器，纤维直径可达几十微米和几微米，具有巨大的比表面(d 50：8×104 m2/m3)，过滤阻力较小，打破了颗粒介质过滤精度不能进一步缩小范围。微小的滤料直径，大大增加了滤料比表面积和表面自由能，增加了水中杂质颗粒和过滤介质接触和吸收能力，从而提高了过滤效率和截污容量。
高效纤维过滤设备按滤层密度调节方式可划分为加压室式和无加压室式2 大类。无加压室式包括机械挤压调节和水力调节2 种，其中较先进和较成熟的为自助力式。
加压室式过滤设备在滤层内部设有加压室，通过加压室的纤维挤压过滤层，沿水流方向逐渐缩小，密度逐渐增加，相应的过滤器的孔径和孔隙率逐渐下降，达到了预期的深度过滤。
自助力式过滤设备在内部设置自助力式纤维密度调节装置，该装置不需要额外的电源和其他的操作，只要在正常过滤运行和反冲洗过程通过水力完成的纤维过滤层压缩和放松。在过滤操作，可迅速(通常在1 min 内)将过滤层被压缩到理想状态，不会导致支撑装置的纤维密度大于过滤体密度的不良态度；在冲洗操作，不论是否过滤层沉积量有多大，过滤层压缩密度更大，能够快速将过滤层完全放松，，能避免纤维向活动支撑装置上堆积而有利于泥渣排出。
高效滤池的缺点是：
1)用久以后纤维里面的泥会结成板块，导致高效滤池反冲洗不彻底；
2)高效滤池对SS 的处理效果相当的好，出水SS<5 mg/L，但是如果水中含油的话，则处理效果不好。
1.5 反硝化滤池
反硝化滤池采用具有特殊规格和形状的砂粒滤料，砂粒直径3 mm，比表面积高达1 000 m2/m3，通常置于深床水域环境中，其表面微生物能够有效反硝化。
它们可以在池体完成脱氮，除磷、去除SS 功能。当不使用碳源投加，即深床滤池，总氮不达标时，补加碳源即为反硝化滤池，可满足氮去除的需求，同时通过加药直接过滤去除磷，在同一个池体中总氮，总磷，SS 3 个水质指标的一级A 达标排放或中水回用。它的特点包括：
1)反硝化滤池只是悬浮生物法1/10 占地面积，便于污水处理厂扩建或改造。
2)水分配装置采用曝气砖，相比传统的水处理用塑料曝气头形式，可以有更高的抗水力冲击载荷和冲击，适用于微污染水源水的性能废水处理。在国内的一些工程实例，前序的水常规处理工段跑泥比较严重，经过改进出水SS 仍然不能达标，采用反硝化滤池效果比较好。
3)反冲洗耗水量少，反冲洗水仅为总容量的2%，反洗速度15 m/h，远远低于其它同类系统。
4)脱氮反应与时间有关，但具体的去除效率、所需的时间又与处理水的温度有关。通常，进水温度12～13 ℃常规的深度处理工艺脱氮效果相对较差，在10℃将阻止细菌的生长。然而，反硝化过滤进水最低设计温度可以达到8 ℃。
反硝化滤池的缺点是[16- 17]：
1)一次性投资成本较高。
2)对城市污水处理厂土建提出严格要求。少量污水处理可用钢罐，但污水处理量大时，需要采用水泥池结构。池体结构和载荷的需要特别设计；由于池底曝气砖对水平度要求较高，在水处理中的应用中池体面积较大时，池体平整度控制提出了更高的要求。
3)反硝化滤池使用的风机出口压力一般达到80～100 kPa，当处理水量大，选择相应的大流量风机出口温度比较高，从而增加了能耗；目前，反硝化滤池在国内的应用比较少，但随着未来科技的进步和处理要求提高，它的应用也是一个重要的方向。
1.6 活性砂过滤器
活性砂过滤器是近年来国外首先研制成功的新型综合性水处理设备。
它省去了常规净水工艺的反应，沉淀部分，在过滤器完成混合，混凝，过滤和反冲洗过程，在滤床的直接浓缩和分离。因为几乎所有的化学处理直接在滤床进行。因此在设备体积和常规化学处理相比较，连续砂滤可节省80%以上，加药量比传统的化学处理节省20%～30%。正是基于上述优点，活性砂过滤器得到广泛的发展和应用。
活性砂过滤器是基于逆流原理，进水经布水器均匀分布，逆流向上的流动均匀经过连续砂滤床，水中杂质被过滤，滤液被处理干净，从上方出水。处理含杂质连续砂设备的锥底通过空气提升泵输送到顶部的洗砂盒，通过湍流的作用使脏的砂粒从连续砂中分离出来，下落过程中，通过一个小股逆流清水进行冲洗，反冲洗水通过冲洗水口流出，干净的砂子利用重力返回砂床，开始下一个周期的循环。
在城市污水深度处理单元，活性砂过滤器技术与传统过滤工艺方案相比较，在保证良好的出水水质的前提下，活性砂滤工艺可节省占地面积超过50%，和土建工程和设备总投资成本均优于常规深度处理工艺，特别是中小城市污水处理厂的深度处理，它具有很高的推广价值。
2.实际工程应用
金坛市第一污水处理厂于1999 年建设，处理规模6 万m3/d，分2 期建设，第1 期采用A2/O 工艺处理3 万m3/d，工艺流程为进水—沉砂池—A2/O—系统—氯消毒系统—出水，当时采用排放标准为GB8978—1996，2008 年底开始执行太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业标准DB 32/1072—2007 中主要水污染物排放限值。该厂因此进行工艺改造，采用二级出水—曝气生物滤池—活性砂滤池—出水工艺，该工艺改进为24 h 连续进水—出水，预处理前原水投加絮凝剂，经管道混合器混合后进入活性砂过滤罐。滤速为8.5 m/h，空气提砂泵压力160 kPa，空气流量1～2 m3/h，清洗水流量为总进水流量的1%～3%。滤料为石英砂，粒径1.2～2.0 mm，处理后的达到理想效果，出水SS 在8 mg/L 以下、TP 的去除达到99.9%，
随着SS 的滤除，活性砂过滤器对COD 和NH3-N 也有一定的去除率，均在35%左右。
3.结论
活性砂滤池采用深层过滤，出水效果更稳定，控制简单，使用寿命长，加药量少，在除磷、除SS效果等方面具有优势。活性砂滤池是一种非常适合于城市污水处理厂一级B 至一级A 升级改造中的改造方案，活性砂滤池具有明显的优势，值得推广应用。