唐春敏
(中石生態(tài)環(huán)境科技有限公司,湖南 長沙 410000)
在傳統(tǒng)水處理工藝中,石英砂、無煙煤粒等均為常用濾料,其中石英砂應(yīng)用最廣。石英砂過濾罐濾料的更換周期約為2年,但石英砂更換的作業(yè)難度高,時(shí)間周期長,且石英砂更換費(fèi)用高。此外,石英砂的機(jī)械強(qiáng)度大,相對密度約2.65,且在酸性水環(huán)境中化學(xué)穩(wěn)定性好,而在堿性水環(huán)境中,石英砂會溶出。無煙煤的化學(xué)穩(wěn)定性較石英砂好,在酸性、中性及堿性環(huán)境中都不溶出,但無煙煤的機(jī)械強(qiáng)度不如石英砂。傳統(tǒng)的深層過濾使用的粒狀濾料,普遍存在的問題是比表面積小、孔隙率小,截污能力受到限制[1]。
以軟填料——纖維代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粒狀濾料是纖維濾料為核心的現(xiàn)代過濾技術(shù)的開始,可以壓縮的軟性濾料,其材料空隙率大,占濾料層的93%~95%。并且在使用過程中,由于水流經(jīng)過濾層產(chǎn)生阻力,過濾引起濾料層壓縮,其空隙沿著水流的方向而逐漸變小,因而過濾效果好。纖維球的濾速達(dá)20~85 m/h,相對石英砂濾料等鋼性濾料而言,具有截留量大、濾速高、水頭損失小、工作周期長等優(yōu)點(diǎn)。此外,纖維球?yàn)V料可以重復(fù)使用,只需要用氣或水反洗后,則可恢復(fù)大部分濾料性能,達(dá)到反復(fù)使用的目的。
而且纖維球?yàn)V料的吸水率很高,纖維的毛細(xì)孔較大,具有較高的比表面積,作為濾料可吸附大量懸浮物,因此可獲得較高的脫除率和容量負(fù)荷。此外,由于纖維球?yàn)V料在水流沖擊下幾乎不會發(fā)生纖維束的流失,因此,纖維濾池在反沖強(qiáng)度的控制上較粒狀濾料濾池要求低,可使濾料反沖洗更徹底。所以纖維過濾技術(shù)越來越被人們應(yīng)用[2]。
本研究以改性軟性濾料為試驗(yàn)對象,通過單一試驗(yàn)探討不同濾料球徑、裝填密度以及填層高度對去除廢水中污染物的效果,并在單一試驗(yàn)后進(jìn)行多因素優(yōu)化試驗(yàn),以期為廢水處理采用新型軟性濾料替代傳統(tǒng)濾料提供技術(shù)支持。
從線上購買軟性濾料——纖維球,纖維球球徑分別為30、40、60 mm,將各種規(guī)格的纖維球?yàn)V料先用純凈水浸泡3 h,并對纖維球進(jìn)行清洗,將表面的灰塵和雜質(zhì)清洗干凈,再用超純水清洗2遍,晾置2 h后放置在約45℃烘箱中烘干。
制作纖維球?yàn)V罐,裝置如圖1所示,采用有機(jī)玻璃制作,裝置內(nèi)徑400 mm,高1 500 mm。裝置頂端為進(jìn)水管,中部為格柵壓板,下層為纖維球?yàn)V料,在濾料層布置氣水反沖洗管路,出水口設(shè)置在裝置底板,配套反沖洗的水泵和氣泵[3]。主要設(shè)備見表1。
表1 纖維球?yàn)V罐主要設(shè)備
圖1 纖維球?yàn)V罐試驗(yàn)裝置整體示意圖
過濾:污水經(jīng)進(jìn)水泵輸送至罐體上部,污水經(jīng)5 mm×5 mm的格柵壓盤后自上而下,經(jīng)纖維球?yàn)V料,去除雜質(zhì)和污染物。過濾后的水經(jīng)出水口排出。
反洗:反洗為氣水反洗,自來水經(jīng)反沖洗水泵輸送至過濾罐下端,氣泵將空氣輸送至反沖洗氣管,氣體的攪動(dòng)能使纖維球表面不停摩擦并去除掉表面的污染物,整個(gè)反沖洗的設(shè)計(jì)過程如下:
反洗開始—反沖洗水沖洗90 s—反洗水+反洗氣,沖洗120 s—反沖洗水沖洗90 s—反洗水+反洗氣,沖洗120 s—反沖洗水沖洗90 s—反洗完成。
供試廢水為配置的擬生活污水,水質(zhì)見表2。
表2 試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì) mg/L
本試驗(yàn)主要檢測指標(biāo)和分析方法見表3。
表3 試驗(yàn)指標(biāo)和分析方法
選用相同重量的30、40、60 mm的軟性濾料纖維球,開展單一的過濾試驗(yàn)。進(jìn)水水質(zhì)見表2,進(jìn)水流速約為10 L/h,試驗(yàn)時(shí)間為72 h,在室溫條件下,每天在上午10時(shí)、下午14時(shí)、下午18時(shí)取水,混合后測定,每組樣設(shè)置兩組平行樣,結(jié)果如圖2所示。
圖2 不同纖維球球徑對SS和COD去除的影響
從圖2可以看出,纖維球直徑越小,廢水處理的效果越好,當(dāng)纖維球直徑為30 mm時(shí),SS從150 mg/L降低至15.4 mg/L,COD從120 mg/L降低至85.5 mg/L,SS和COD的去除率分別為89.7%和28.5%,而當(dāng)纖維球直徑為60 mm時(shí),SS和COD的去除率只有67.4%和16.0%,其原因是,纖維球?yàn)V料直徑越小,生物膜的表面積就愈大,生物膜的量就越多,可為生物膜的好氧代謝提供足夠的氧,過濾效果就更佳[4]。但是,在實(shí)際應(yīng)用中,直徑越小的纖維球比直徑較大的纖維球更易堵塞,應(yīng)根據(jù)過濾罐的實(shí)際應(yīng)用選擇合適大小的纖維球?yàn)V料。
在室溫條件下,選擇相同直徑的纖維球,纖維球?yàn)V料的裝填密度分別為50、75、100 g/L,裝填高度保持一致,試驗(yàn)時(shí)間為72 h,在室溫條件下,每天在上午10時(shí)、下午14時(shí)、下午18時(shí)取水,混合后測定,每組樣設(shè)置兩組平行樣,檢測結(jié)果見圖3。
圖3 不同纖維球裝填密度對SS和COD去除的影響
從圖3可以看出,當(dāng)纖維球填充高度一致,而裝填密度從50 g/L增加至100 g/L時(shí),SS和COD去除率均逐漸升高,當(dāng)纖維球密度為100 g/L時(shí),SS和COD去除率分別為76.8%和23.3%,顯著高于纖維球密度為50 g/L時(shí)的SS和COD的去除率。這表明纖維球密度越大,對廢水中污染物的去除效果越好。但是,在試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn),隨著裝填密度的增加,污水處理的效率越低,出水流速越慢,這可能是因?yàn)楫?dāng)裝填密度增加時(shí),纖維球孔隙度越小,其過水速度降低[5],因此在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況來選擇最佳的填料裝填密度。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,選取最佳的裝填密度,裝填高度分別為800 mm、1 000 mm和1 200 mm,試驗(yàn)時(shí)間為72 h,在室溫條件下,每天在上午10時(shí)、下午14時(shí)、下午18時(shí)取水,混合后測定,每組樣設(shè)置兩組平行樣,檢測結(jié)果如圖4所示。
圖4 不同纖維球裝填高度對SS和COD去除的影響
從圖4可以看出,不同濾層高度對SS和COD均有去除效果,但因?yàn)檠b填密度是一致的,當(dāng)填層高度越高時(shí),其纖維球間的孔隙則越大,當(dāng)填層高度為1 000 mm時(shí),其對SS和COD的處理效果最佳,去除率分別為80.1%和27.5%。而通過觀察可知,濾料對SS的去除主要發(fā)生在從上往下的0~1 000 mm處,因此纖維球?yàn)V料對污染物去除效果的優(yōu)劣與濾層高度密切相關(guān)[6]。
根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案,正交設(shè)計(jì)方案見表4。
表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案
試驗(yàn)時(shí)間為72 h,在室溫條件下,每天在上午10時(shí)、下午14時(shí)、下午18時(shí)取水,混合后測定,每組樣設(shè)置兩組平行樣,得出纖維素濾料最佳使用條件,正交分析結(jié)果見表5。
表5 不同纖維球條件對廢水COD和SS去除效率與極差分析表
選取纖維球直徑30 mm和40 mm兩個(gè)水平;纖維球裝填密度75 g/L和100 g/L兩個(gè)水平;纖維球裝填高度選取800 mm和1 000 mm兩個(gè)水平進(jìn)行正交優(yōu)化試驗(yàn),采用SPSSAU軟件共生成4個(gè)優(yōu)化試驗(yàn)組合。從表5極差分析中可以看出,纖維球處理廢水的最佳水平為1,2,2,即當(dāng)纖維球直徑為30 mm、裝填密度為100 g/L、裝填高度為1 000 mm時(shí),為最優(yōu)參數(shù),系統(tǒng)出水的SS和COD去除率最大,分別為85.2%和27.6%。此外,從極差表的R值可以看出,A>C>B,即正交試驗(yàn)中,對SS和COD去除影響大小依次為纖維球直徑、裝填高度和裝填密度。
1.纖維球?yàn)V料直徑越小,生物膜的表面積就愈大,過濾效果就更佳,但在實(shí)際應(yīng)用中,直徑越小的纖維球,使用中的孔隙率較直徑大的纖維球更易堵塞;此外纖維球隨著裝填密度的增加污染物處理效果越好,但是處理效率降低,出水流速越慢,因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇合適的裝填密度。
2.當(dāng)纖維球直徑為30 mm、裝填密度為100 g/L、裝填高度為1 000 mm時(shí),為最優(yōu)參數(shù),系統(tǒng)出水的SS和COD去除率最大,分別為85.2%和27.6%。
3.本試驗(yàn)選用的纖維球?yàn)槠胀ɡw維球,在以后的應(yīng)用中可根據(jù)廢水類型和處理要求,對纖維球進(jìn)行改性[7],以增強(qiáng)纖維球性能,提升纖維球?yàn)V料去除污染物的能力。