吳成強^1,2 楊敏¹ 王國棟² 邵兵¹ 楊金翠²（1中科院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境水化學國家重點實驗室 2西北農(nóng)林科技大學生命科學院）

　　化學混凝技術(shù)能夠降低后續(xù)生物處理的負荷及能耗，并且運行穩(wěn)定，近期投資環(huán)境效益較好^[1]。但是，化學混凝對于原水中溶解COD的去除效果差 ^[2，3]。當原水中溶解COD波動較大時，出水水質(zhì)無法得到保證，而且藥劑用量大，產(chǎn)生的大量污泥難于處理，需要采取適當方法予以處置。基于這個問題，本文作者擬采用化學混凝與生物技術(shù)聯(lián)用處理城市生活污水。采用化學混凝的主要目的是通過低劑量的Fe、AL絮凝劑去除原水中的懸浮顆粒、膠體及大分子有機物質(zhì)，使后續(xù)生物處理單元能以較高的處理速度去除殘余的溶解性小分子有機物。然后采用厭氧消化對污泥進行穩(wěn)定化處理，減少最終污泥處置量，并實現(xiàn)能源的回收。如有可能，可以對消化出水中Fe²⁺進行回收。
　　本文利用批量實驗對采用Fe、AL絮凝劑預(yù)處理城市生活污水及采用厭氧消化處理混凝污泥進行了研究，并對FeCL₃及PAC耐沖擊負荷的性能進行了一定的探討。

1　實驗材料及方法

1.1實驗對象及材料
　　試驗用的城市生活污水（混有少量的工業(yè)廢水，COD：300～800mg/L）取自北京市北小河生活污水處理廠計量房。
　　所采用的絮凝劑為：液體聚合三氯化鐵：堿化度14%、13%Fe（中科院生態(tài)中心制備）；聚合三氯化鋁（PAC）：堿化度80-85%、30%AL₂O₃（鞏義產(chǎn)）；固體三氯化鐵：分析純。
1.2實驗方法
　　采用PHIPPS&BIRD六聯(lián)攪拌機，投入絮凝劑后，快速攪拌（200rpm）1min，慢速攪拌（40rpm）10min，靜置15min，虹吸取樣。
1.3分析指標及方法
　　COD：重鉻酸鉀法（CTL-12 化學需氧量速測儀）；pH：pHmeter HM-14P；SS：重量法；Fe²⁺：比色法（722s分光光度計）。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1混凝實驗
2.1.1絮凝劑用量及去除效果對比
　　目前，無機高分子復(fù)合絮凝劑的有效成分為Fe(Ⅲ)、Al(Ⅲ)及Si(Ⅳ)^[4]，因此采用Fe、AL絮凝劑作為污水處理藥劑。本文混凝試驗的主要目的是去除原水中的懸浮顆粒、膠體及大分子有機物質(zhì)。取得COD去除率為65%的各絮凝劑的混凝條件見表1。

表1 混凝條件對比 絮凝劑 用量 pH 聚合三氯化鐵 30mgFe³⁺/L 6.3~7.6 PAC 30mgAL³⁺/L 6.0~7.6 固體三氯化鐵 25mgFe³⁺/L 6.2~7.6

　　在不調(diào)節(jié)原水pH的情況下，各絮凝劑處理后的出水SS均小于20mg/L。去除率一定時，固體FeCL₃的藥劑量低于其它絮凝劑，而且鐵系絮凝劑所得的污泥無論在沉降速度還是在污泥體積上都遠優(yōu)于鋁系，因此采用固體FeCL₃作為主要絮凝劑。由于該劑量FeCL₃處理后出水pH降低較多，因此需要降低其用量，以便保證后續(xù)生物處理所需堿度，同時為了確保同一混凝效果和消除FeCL₃處理后出水色度大、透明度低的缺點，本文決定采用PAC配合處理。
2.1.2 PAC與FeCL₃協(xié)同混凝的投加次序試驗
　　FeCL₃同PAC分屬于小分子和高分子無機絮凝劑，在水中的水解速度、主要形態(tài)及作用機理不全一樣，因此需考察兩者在一起的作用情況。
　　原水COD為300mg/L，不調(diào)節(jié)pH，采用5 mg/L (按金屬量計，以下類同)FeCL₃及相同劑量的PAC處理原水，結(jié)果見圖1，表明FeCL₃同PAC同時投加的混凝效果遠不如分開投加（兩種絮凝劑投加時間相隔30s），而且與分開投加的次序無關(guān)。

2.1.3 PAC與FeCL₃的協(xié)同混凝效果
　　以上結(jié)果表明降低FeCL₃用量，可使混凝處理后的出水pH降低較少。但為了保證合理的COD去除率，必須確定FeCL₃和PAC的配比對混凝的影響。
　　藥劑量基本相同時，各絮凝劑的處理效果見圖2。顯然10 mg/LPAC配合等量的FeCL₃進行混凝，COD去除效果最好，出水COD大幅度下降。

　　原水COD為660mg/L，pH為7.51，采用FeCL₃及PAC進行配合混凝效果對比，先投加FeCL₃，快速混合30s后再投加PAC（以下投加次序相同），試驗結(jié)果見表2。PAC及FeCL₃用量均為10mg/L時，處理效果最好，而且pH下降甚微，再增加各絮凝劑用量，COD去除率增加非常有限。

表2 協(xié)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混凝污泥沉降效果對比
　　不同的絮凝劑產(chǎn)生的絮體在污泥沉降性、污泥體積等性狀上會有很大的不同。本實驗對這些污泥性狀進行了一些比較，結(jié)果見表3和圖3。

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

　　取100ml混凝污泥裝入100ml量筒后測得沉降10min的污泥沉降速度，結(jié)果表明1號的沉降速率是2號及3號的5～6倍，而且其沉降指數(shù)也明顯低于2號及3號。
2.1.5原水中各組分對混凝的影響
　　由于城市生活污水中成分復(fù)雜、COD波動較大，因此，有必要探討原水組分對混凝處理效果的影響。
　　本試驗將原水中COD進行如下分類：原水經(jīng)過f12.5中速定量濾紙過濾的濾液COD定為溶解COD（CODd）；原水自然沉降1h后的上清液COD減去CODd定為膠體COD（CODg）；原水COD減去上清液COD為顆粒物COD（CODp）。
　　試驗用原水，是通過自然沉降1h及過濾將城市生活污水分為三部分，再進行配水而成。
　　（1）采用10 mg/LPAC及等量的FeCL₃配合處理。當原水中CODp在0～895mg/L變化時(CODd為245mg/L)，出水COD最高為167mg/L,最低為148 mg/L，而且出水SS不超過20mg/L(結(jié)果見圖4)。當CODp/CODd為0.9左右時，出水COD最低，在兩側(cè)呈上升趨勢,但總體上變化不大。

　　（2）CODd為210～245mg/L時，CODg對于該劑量的FeCL₃及PAC協(xié)同混凝的影響非常小（結(jié)果見表4）。

表4 CODg對混凝的影響 原水組成 /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

　　分別采用10mg/L FeCL₃或PAC處理原水，其中CODp=0mg/L、CODd=145mg/L，CODg及試驗結(jié)果見圖5。

　　單獨采用FeCL₃或PAC處理后的出水COD都高于CODd，說明大部分絮凝劑消耗在去除CODg上。而FeCL₃和PAC的協(xié)同混凝出水COD遠遠低于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協(xié)同混凝去除CODd的能力非常有限（見圖5），即CODd是影響混凝的關(guān)鍵因素。但本試驗協(xié)同混凝主要目的不是要去除大量的CODd，當然如果原水中CODd變化較大，則出水COD肯定會有一定的波動，這樣會對后續(xù)生物處理有所影響。
　　總之，采用10mg/LPAC及FeCL₃協(xié)同混凝，受原水中CODp及CODg的影響不大，CODp及CODg基本上都能得到去除。當原水中CODd變化不太大時，出水水質(zhì)能保持較好的穩(wěn)定性。
2.2 厭氧消化批量試驗
　　城市生活污水無論采用哪種處理工藝，所產(chǎn)生的污泥必須都要經(jīng)過最終處置，其中一種比較適合我國國情、經(jīng)濟上可行的處置方法就是將污泥消化同干化場結(jié)合起來。當原水經(jīng)過絮凝劑處理后，污泥體積不僅增加，而且原水中易生物降解的一些有機質(zhì)也被沉淀到污泥中，因此對污泥的消化處理，既可以減少污泥體積，回收能源，又有利于污泥的最終處置。然而不同的絮凝劑及其用量可能會對厭氧消化產(chǎn)生不同影響，因此有必要探討FeCL₃及PAC對厭氧消化的影響。
　　從UASB中，取蔗糖配水培養(yǎng)的厭氧污泥，經(jīng)過三次稀釋洗滌（消除厭氧污泥中含有的VFA對厭氧的影響）后，取等量的厭氧污泥分別同原水自然沉淀污泥、FeCL₃混凝污泥以及PAC混凝污泥混合（混凝污泥中的金屬量大于本文所采用最佳用量絮凝劑混凝后的污泥）進行厭氧消化。采用史氏發(fā)酵管收集甲烷氣體，整套裝置都在恒溫35℃的恒溫搖床中進行振蕩。試驗條件及結(jié)果見表5及圖6。

表5 混凝污泥厭氧消化試驗 試驗對象 污泥負荷kgCOD/kgTSS 甲烷 pH COD/mg·L^-1 金屬含量/mg·L^-1 理論值/ml 實測值/ml 產(chǎn)氣率/% 進水 出水 進水 出水 進水 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

　　結(jié)果表明大劑量Fe（Ⅲ）對厭氧消化沒有抑制作用，反而由于絮凝劑將一部分原水中易生化的有機物去除到混凝污泥中，并且在Fe（Ⅲ）被還原為Fe（Ⅱ）過程中，從絮體中釋放了出來，因而厭氧消化反而進行得更好，甲烷回收率比原污泥高出7～8個百分點。但是大部分Fe（Ⅱ）仍沉淀在污泥中，消化出水中僅含99mgFe²⁺/L。PAC混凝污泥的消化效果較差，甲烷轉(zhuǎn)化率比原污泥低5個百分點。可能原因是PAC通過架橋及卷掃作用將有機分子裹在絮體中，在厭氧消化過程中無法釋放有機物或者釋放速度慢。

3　結(jié)論

　　（1）本文采用10mg/LFeCL₃和等量的PAC協(xié)同處理混有少量工業(yè)廢水的城市生活污水，出水pH下降甚微，CODp及CODg都能得到有效去除，有利于后續(xù)生物處理的快速進行。同時，混凝污泥沉降速度較快，是PAC混凝污泥的5～6倍。
　　（2）原水中CODd是決定混凝的關(guān)鍵因子，當原水中COD_d變化不太大時，出水水質(zhì)比較穩(wěn)定。
　　（3）Fe（Ⅲ）為1488mg/L的FeCL₃混凝污泥的厭氧消化效果好于PAC混凝污泥及原污泥，甲烷回收率達到48.4%，消化出水中Fe²⁺為99mg/L。

參考文獻

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