污水處理廠混凝-絮凝深度處理工藝研究進(jìn)展及展望

謝紅忠 許琪 萬艷雷 陳浩 李迎喜 劉會娟

摘要：污水處理是江河湖庫水環(huán)境治理中點(diǎn)源污染控制的重要環(huán)節(jié)，近年來隨著長江大保護(hù)等重要戰(zhàn)略的推進(jìn)，污水排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，污水深度處理的需求較大。重點(diǎn)分析了常用污水深度處理工藝混凝-絮凝沉淀法，闡述了典型工藝流程與污染物去除原理研究進(jìn)展。結(jié)果表明：混凝作用與化學(xué)沉淀是去除污水中的總磷等污染物的主要方法，但其對污染物的深度去除機(jī)理還有待深入研究。此外，結(jié)合再生水回用的目標(biāo)，展望了未來污水混凝-絮凝深度處理工藝的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：混凝-絮凝; 污水處理; 深度處理工藝; 水環(huán)境治理; 再生水回用

中圖法分類號：X742 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.011

文章編號：1006 - 0081（2022）01 - 0061 - 04

0 引 言

隨著社會與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國污水處理行業(yè)在擴(kuò)大處理規(guī)模的同時，也提高了污水處理廠出水排放標(biāo)準(zhǔn)。在原有運(yùn)行條件下，許多建設(shè)年份較早或者設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低的污水處理廠難以達(dá)到較嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。因此，以傳統(tǒng)活性污泥法為主要處理工藝的城鎮(zhèn)污水處理廠需要通過提標(biāo)改造來達(dá)到更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)要求。提標(biāo)改造總體原則是在現(xiàn)有污水處理廠不進(jìn)行大規(guī)模改、擴(kuò)建的前提下，通過改進(jìn)原工藝或者增建污水深度處理工藝，增加污水的處理能力和處理效率[2]。在提標(biāo)改造過程中，常常采用混凝-絮凝深度處理工藝，但在實際應(yīng)用中，該工藝在污染物深度去除，特別是磷去除的過程控制與精細(xì)化管理方面仍存在不少問題，因此需要對混凝-絮凝深度去除污染物的機(jī)理進(jìn)行研究分析。

本文通過總結(jié)污水深度處理現(xiàn)狀，分析了污水混凝-絮凝深度處理工藝研究進(jìn)展，展望了未來污水混凝-絮凝深度處理工藝發(fā)展路徑，可對逐步達(dá)成污染物深度去除的精細(xì)化管控提供參考。

1 污水深度處理背景及現(xiàn)狀

隨著近年來長江大保護(hù)重大戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，江河湖庫水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)受到重視。在開展長江流域水環(huán)境綜合治理的過程中，常常發(fā)現(xiàn)污水處理廠出水總量在水環(huán)境總補(bǔ)水量中的占比較大，因而污水處理的效果較大程度上會影響其下游的水環(huán)境水質(zhì)情況。同時，黨的十八大報告進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了新時代生態(tài)文明建設(shè)對水資源保護(hù)與水污染防治的重大意義，國務(wù)院于2015年4月公布了《水污染防治行動計劃》（簡稱“水十條”），在“水十條”公布實施以前，一般城鎮(zhèn)生活污水處理廠執(zhí)行GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B排放標(biāo)準(zhǔn)。“水十條”針對中國水污染物排放量大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過環(huán)境容量，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)偏粗，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重的實際情況，在第一至第三條著重部署了“全面控制污染物排放”“推動經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級”和“著力節(jié)約保護(hù)水資源”等任務(wù)。第一條“全面控制污染物排放”中對城鎮(zhèn)污水處理提出了具體目標(biāo)與要求，其中提到“敏感區(qū)域（重點(diǎn)湖泊、重點(diǎn)水庫、近岸海域匯水區(qū)域）城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施應(yīng)于2017年底前全面達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。建成區(qū)水體水質(zhì)達(dá)不到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的城市，新建城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施要執(zhí)行一級A排放標(biāo)準(zhǔn)?！币虼耍陙黹L江流域較多污水處理廠完成了從一級B標(biāo)準(zhǔn)向一級A標(biāo)準(zhǔn)，甚至是準(zhǔn)IV/III類水的升級改造過程。污水深度處理工藝得到了較多關(guān)注、應(yīng)用與發(fā)展，對城市污水進(jìn)行深度處理，并將其作為持續(xù)的水資源加以利用，也已成為緩解干旱地區(qū)水資源短缺的重要途徑，更是減輕受納水體環(huán)境污染、改善生態(tài)環(huán)境的有益做法。

2 污水混凝-絮凝深度處理工藝研究進(jìn)展

深度處理是在一級處理、二級處理后，對污水中難降解的有機(jī)物、氮和磷等易導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的可溶性無機(jī)物進(jìn)行進(jìn)一步處理的過程。目前污水處理廠常用的深度處理工藝包括：混凝-絮凝沉淀法、膜處理法、吸附法、臭氧氧化法、強(qiáng)化反硝化法等。針對不同污水處理廠所需深度處理的指標(biāo)類型差異，分別選取多種工藝進(jìn)行組合進(jìn)而對污水處理廠二沉池出水進(jìn)行深度處理，大多針對一級A排放標(biāo)準(zhǔn)或準(zhǔn)IV類水標(biāo)準(zhǔn)的深度處理措施，需要重點(diǎn)對懸浮物（Suspended Solids，簡稱SS）與總磷（Total Phosphorus，簡稱TP）進(jìn)行處理。因此，混凝-絮凝沉淀法是較為典型的深度處理方法，通過投加化學(xué)藥劑強(qiáng)化除磷與沉淀分離，保證SS與TP同時達(dá)到高排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.1 混凝-絮凝沉淀法

混凝-絮凝沉淀法的基本原理是應(yīng)用污水化學(xué)處理方法中的混凝法與化學(xué)沉淀，就是預(yù)先在污水中投加化學(xué)藥劑，使水中膠體顆粒脫穩(wěn)的同時與特征污染物發(fā)生反應(yīng)，生成難溶性鹽，然后讓水中的膠體和難溶性的懸浮物聚集形成易于分離的絮凝體，最后通過沉淀或澄清進(jìn)行分離的過程。

一般二級處理后的污水中的膠體顆粒呈穩(wěn)定狀態(tài)而比較難以去除，這是因為污水中的膠體顆粒大多帶有負(fù)電荷[3]，而膠體顆粒的雙電層結(jié)構(gòu)使得帶有同樣負(fù)電荷的顆粒間形成靜電斥力，靜電斥力與膠體顆粒的電動電位和距離相關(guān)。電動電位常被稱為Zeta電位，當(dāng)膠體顆粒的Zeta電位越大時，相應(yīng)的靜電斥力就越大，當(dāng)膠體顆粒間的距離越近時，靜電斥力也會越大;同時由于顆粒間還存在著相互吸引的范德華引力，范德華引力的大小與膠體顆粒間距離的6次方成反比[4]，所以膠體顆粒間相反的靜電斥力與范德華引力兩者共同制約著顆粒間的距離。在二級處理后的污水中，膠體顆粒還會受水分子熱運(yùn)動的撞擊而做不規(guī)則的布朗運(yùn)動，因此污水中的膠體顆粒在受多種作用影響下會保持一定距離形成一種相對穩(wěn)定的分布狀態(tài)。膠體顆粒保持一定距離難以聚集的原因除了靜電斥力與范德華引力外，還因為其表面帶電荷，會將極性水分子吸引到膠體顆粒的周圍形成水膜，水膜會阻止膠體顆粒聚集，這被稱為水化作用。水化作用因顆粒帶電荷而形成，所以受Zeta電位影響較大，當(dāng)Zeta電位減弱或者接近于零時，水化作用也會減弱或者消失。

投加化學(xué)藥劑對污水進(jìn)行混凝-絮凝（Coagulation–Flocculation）就是使膠體顆粒脫除以上所說的穩(wěn)定狀態(tài)[5-6]，使膠體顆粒間易于團(tuán)聚形成絮凝體的過程。絮凝體通常是通過以下步驟形成：① 混凝劑/絮凝劑在溶液中分散;② 分散的混凝劑/絮凝劑進(jìn)一步向固-液界面擴(kuò)散;③ 混凝劑/絮凝劑在膠體顆粒表面進(jìn)行吸附;④ 表面吸附有混凝劑/絮凝劑的顆粒與其他顆粒發(fā)生碰撞;⑤ 混凝劑/絮凝劑繼續(xù)吸附到被碰撞的膠體顆粒并使顆粒形成微小的絮凝體;⑥ 通過連續(xù)的碰撞與吸附過程，微小的絮凝體逐漸增大，最后形成具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的絮凝體[7-8]。雖然混凝-絮凝過程的機(jī)理比較復(fù)雜，但一般認(rèn)為主要以壓縮雙電層、吸附電中和、吸附架橋、網(wǎng)捕4種作用為主。

2.2 典型工藝流程及污染物去除原理

典型的混凝-絮凝處理操作程序是先投加混凝劑，快速攪拌1～3 min;接著投加絮凝劑，慢速攪拌20～30 min[9]?；炷?絮凝處理時，投加的混凝劑與絮凝劑有多種類型，混凝劑有鋁鹽、鐵鹽等無機(jī)鹽類，有聚合氯化鋁（Polyaluminum Chloride，簡稱PAC）、聚合硫酸鐵（Polymeric Ferrous Sulfate，簡稱PFS）等高分子類;絮凝劑有聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，簡稱PAM）、聚苯乙烯磺酸鈉等。目前，污水處理廠應(yīng)用較多的混凝劑與絮凝劑分別是PAC與PAM[10-11]。

在鋁鹽或鐵鹽作為混凝劑來處理污水時，除了混凝作用能夠滿足去除SS的作用外，還能以化學(xué)沉淀的方式去除污水中的磷。隨著目前污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，僅采用以生化法為主的二級處理難以達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)中TP低于0.5 mg/L的要求，在二級處理后續(xù)工藝中使用PAC或PFS這類混凝劑，既可以起到混凝作用，同時還可以化學(xué)沉淀除磷。因此，PAC與PFS受到了污水處理廠的廣泛使用。使用鋁鹽和鐵鹽來除磷的機(jī)理并非僅因其可以與PO43-反應(yīng)分別生成不溶性的AlPO4與FePO4，且鋁鹽與鐵鹽進(jìn)入水中后，首先會發(fā)生快速水解，生成一系列水解過渡產(chǎn)物，最終生成相應(yīng)的金屬氫氧化物，在這個過程中，與PO43-的反應(yīng)可能不僅限于一種，這些復(fù)雜反應(yīng)會得到Al（OH）3-x（PO4）x或Fe（OH）3-x（PO4）x的絡(luò)合物[12]，最終提高除磷效果。

有文獻(xiàn)指出，不同的磷形態(tài)對混凝劑/絮凝劑的表面位置表現(xiàn)出不同的親和力，并會影響混凝劑/絮凝劑對磷的去除效率[3]。因此，為了減少混凝劑/絮凝劑的投加量，并提高混凝-絮凝過程除磷效率，有必要研究基于廢水中不同形態(tài)磷的混凝劑/絮凝劑的針對性投加策略。研究表明：磷在水環(huán)境中的分類方法有多種形式，其主要區(qū)分方法可按照溶解性分為可溶性磷（可通過0.45 μm濾膜）和不可溶性的顆粒性磷[13-15]，也可通過分級提取的方法，按照含磷物質(zhì)對酸、堿和熱的反應(yīng)性來區(qū)分不同組分的磷[16]。但目前還是以可溶性磷和顆粒性磷為主[17-19]，它們由以下幾類的磷組成：可溶性活性磷（通常為正磷酸鹽，以自由離子或者化學(xué)基團(tuán)的形式存在），可溶性非活性磷與顆粒磷。例如，Due?as等[20]研究污水樣品中磷的不同形態(tài)，并分析了初沉池污水中可溶性磷和顆粒磷的分布情況。Liu等[21]的研究中發(fā)現(xiàn)正磷酸鹽與PAC水解產(chǎn)生的鋁離子是PAC去除無機(jī)磷效果好的原因。相似地，在Wang等[22]的研究中發(fā)現(xiàn)，PAC對于含1.47～3.46 mg/L正磷酸鹽的二沉池出水進(jìn)行處理時，正磷酸鹽去除率高達(dá)96.36%。因此，已有研究發(fā)現(xiàn)污水處理廠二沉池出水中通過PAC混凝去除的主要是以正磷酸鹽為主的總磷[23]。但目前有關(guān)混凝-絮凝沉淀法深度除磷機(jī)理還需更深入的研究與探討。

3 污水深度處理工藝展望

目前，污水深度處理工藝不僅在研究上受到較大重視，在實際應(yīng)用中也已有較多案例。在實際應(yīng)用中，一般是以污水二級處理后的水質(zhì)為衡量基準(zhǔn)，針對以數(shù)項超標(biāo)污染物為指標(biāo)設(shè)計的相關(guān)深度處理工藝環(huán)節(jié)，往往易造成深度處理工藝環(huán)節(jié)較長且復(fù)雜，不利于后續(xù)運(yùn)行管理維護(hù)。在“水質(zhì)永續(xù)、能量自給、資源循環(huán)、環(huán)境友好”理念指引下，在部分重要環(huán)境保護(hù)區(qū)域的污水深度處理要求可能繼續(xù)提高的背景下，再生水將成為污水處理廠主要發(fā)展目標(biāo)。

目前的污水深度處理工藝與未來的發(fā)展目標(biāo)與要求還存在一定差距，污水深度處理新工藝的研發(fā)還有廣闊的發(fā)展空間，集約化、高效化、低成本的污水深度處理新工藝是未來的發(fā)展方向。以目前較為常用的混凝-絮凝沉淀法為代表的污水深度處理工藝需要深入分析污染物去除機(jī)理，以去除機(jī)理為基礎(chǔ)，研究多污染物同步去除技術(shù)及高效低耗的工藝路線，進(jìn)一步增強(qiáng)污水深度處理工藝對江河湖庫水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)的技術(shù)支撐作用。

4 結(jié) 語

混凝-絮凝沉淀是目前最為常用的污水深度處理工藝環(huán)節(jié)之一，混凝作用與化學(xué)沉淀是去除污水中的總磷等污染物的主要方法，但其對污染物的深度去除機(jī)理還有待深入研究，基于污染物去除機(jī)理，以再生水回用為目標(biāo)的集約化、高效化、低成本污水深度處理工藝亟待開發(fā)。

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（編輯：唐湘茜）

Research progress and prospect of coagulation-flocculation advanced treatment technologies in wastewater treatment plants

XIE Hongzhong1，4， XU Qi1，4，5， WAN Yanlei1，2， CHEN Hao1，3， LI Yingxi1， LIU Huijuan5

（1. Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. Key Laboratory of Changjiang Regulation and Protection of Ministry of Water Resources， Wuhan 430010， China; 3. Hubei Key Laboratory of Basin Water Security，Wuhan 430010， China; 4. Hubei Provincial Engineering Research Center for Comprehensive Water Environment Treatment in the Yangtze River Basin， Wuhan 430010， China; 5. Center for Water and Ecology，School of Environment，Tsinghua University，Beijing 100084， China）

Abstract： Wastewater treatment is an important part of point source pollution control in the water environment treatment of rivers， lakes and reservoirs. In recent years， with the promotion of important strategies such as the Protection of the Yangtze River， the wastewater discharge standards have been becoming continuously stricter. Therefore， the demand for advanced wastewater treatment increased. This paper focused on the coagulation-flocculation sedimentation， a commonly used advanced wastewater treatment process. The typical process flow and research progresses of pollutant removal principles of coagulation-flocculation sedimentation were discussed. The results showed that coagulation and chemical precipitation are the main functions to remove total phosphorus and other pollutants in wastewater， but its deep removal mechanism for pollutants needs to be studied in depth. Finally， the future development of wastewater advanced treatment process of coagulation-flocculation was prospected with the goal of reusing recycled water.

Key words： coagulation-flocculation; wastewater treatment; ?advanced treatment technology; ?water environment treatment; ?reuse of recycled wastewater