适于城镇污水处理的强化絮凝工艺

栾兆坤1， 张锦华2， 孔凡铭3， 韩德来3
(1.中国科学院生态环境研究中心环境水化学国家重点实验室， 北京100085；
2.浙江省路桥污水处理有限公司， 浙江台州318050；3.曲阜市污水处理厂， 山东曲阜273100)

　　 摘 要： 依据近年来的研究结果，详细地阐述了城镇污水的基本特性、二级生化处理的经济 分析以及国内外强化絮凝处理工艺技术发展状况与技术经济特点。在此基础上，提出将强化絮凝工艺技术作为我国现阶段水环境污染治理及城镇污水过渡处理的措施，这对缓解各地政府由于资金严重不足而无法开展区域性水环境污染治理以及城镇污水处理的局面具有重要而实际的意义。
　　关键词： 水环境污染； 城镇污水； 强化絮凝工艺； CEPT法
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：B
　　文章编号： 1000-4602(2002)01-0030-04

　　强化絮凝技术(简称CEPT法)是在一级处理工艺基础上，通过投加化学絮凝剂等强化措施去除污水中各种污染物，它可在短时间内以较少的投资和较低的运行费用大幅度削减污染负荷，缓解当前我国亟待解决的水环境污染问题。

1 污水基本特性

　　城镇污水中的大多数污染物都是以颗粒形态存在，依据颗粒大小可将污水中的污染物质分为溶解态、胶体态、超胶体态和悬浮态，其分布范围及性质见表1。

表1 城市污水中污染物的性质 颗粒直径(μm) ＜10^-5 10^-5 10^-4 10^-3 10 ^-2 10^-1 1 10 100 1 000 ＞1 000 颗粒分类 溶解态 胶体态 大分子胶体态 超胶体态 悬浮态 所占比例(%) 31.2 13.7 25 32 预处理难易程度 处理 沉淀 易沉淀 可生化性能 惰性 直接生化 可生化降解 生化降解缓慢 惰性不可降解 生物化学氧化速率常数(d-1、以10为底的指数) 0.39 0.22 0.09 0.08

　　图1是不同处理工艺对城市污水COD的去除率。

　　一般来讲，一级沉淀处理过程主要依赖于颗粒沉降速率和沉淀时间。若废水中污染物的平均密度为1.2g/m³、水温为25 ℃、初级沉淀池设计负荷为32～48m³/(m²·d)、能够通过初级沉淀去除的最小粒径为54～67μm的污染物，则COD去除率一般在20%～30%。生化处理过程对COD的去除率为60%～80%(取决于BOD/COD比值)，一般生化降解速率还与颗粒粒径及分子结构有关，只有分子质量＜1000u的溶解态有机物(BOD组分)才能被微生物迅速降解，高分子量或颗粒态有机物则要经过水解转化成溶解态才能被微生物降解，这成为生物降解速率的限制因素并且影响生物膜厚度、介质表面以及溶解氧的扩散。通常，废水中0.1～10 μm的胶体污染物处于稳定悬浮状态，一般难以沉淀或降解，采用CEPT法 能够快速将其凝聚成粗大絮体颗粒而沉降去除。

2 二级生化处理综合效益分析

　　我国目前城市污水普遍采用二级生化处理工艺，该法处理效果好，但投资大(1000～1 500元/m³)、运行费用高(1.0～1.5 元/m3)、建设周期长、占地面积大。以建设处理能力为10×10⁴m³/d的城市污水处理厂为例，约需投资1.0～1.2亿元，占地8～10 hm2，加上污水管网投资与建设，总投资接近或超过2亿元，且2～3年后才能正常运行。如目前北京污水处理量为104×10⁴m³/d(占其总量的40%)，直接运行费用为1.8 亿元/a，约合0. 5元/m³，维修更新费用为2.1亿元/a，总计3.9亿元/a，平均运行费用为1.04 元/m3 。而小规模污水处理厂投资、运行费用更高，尤其是2×10⁴m³/d以下的污水处理厂，投资费用高达2000元/m³，运行费用则要1.2～1.5元/m³。
　　发达国家城镇污水主要是生活污水，工业废水所占比例相对较少且必须处理达标才能进入城市污水管网，因而BOD/COD比值相对较高，易生化处理。我国城镇污水是生活污水与工业废水混合组成，一般工业废水比例较高(约占50%以上)，而且工业废水治理排放达标率较低，即使处理达到行业标准，但由于多数采用生化处理，污水的BOD/COD比值相对较低(一般在0.3以下)，不易生化处理，必须加大生化停留时间或延时曝气和采取保温 措施才能得到有效处理，这势必使处理厂投资与运行费用进一步增大。此外，我国南方城市污水COD值一般较低(在200 mg/L)，而氮磷含量较高，传统生化法对氮磷去除率很低，只有增加处理容积，增大回流比，才能提高氮磷去除率，这也导致投资与运行费用显著增加。

3 CEPT工艺发展与技术、经济分析

3.1 国内外发展状况
　　瑞典、挪威、芬兰等北欧国家的中小城镇污水处理厂大部分采用化学处理，以较低投资和运 行费用达到或接近生化处理效果，尤其磷去除率明显超过生 化处理(达到90%以上)。如挪威现有2/3的城镇污水采用CEPT法处理，其中最大污水处理厂(O slo west)处理能力为40×10⁴m³/d，COD和总磷去除率分别超过70%和90%。
　　美国、加拿大等城市也采用CEPT法或结合生化工艺处理城市污水。如美国圣地亚哥和洛杉矶污水处理厂连续运行5年，SS、总磷、重金属去除率一直均保持在85%以上，BOD去除率为51%～56%，而基建投资和运行费用却只有二级生化处理厂的30%～40%。其他一些污水处理厂通过采用CEPT与生化法结合，不仅大幅度提高了SS、BOD及磷的去除率，同时又显著削减了运行费用。
　　我国台湾、香港等地是研究和利用CEPT法处理城市污水的典型城市，根据香港环境署研究报告，利用CEPT技术可使污水SS、总磷去除率提高到85%以上，BOD去除率很容易达到50%以上，可节省投资40%～50%。因此，目前香港昂船洲污水处理厂一期采用FeCl3强化絮凝处理，处理量为350×10⁴m³/d，并在此基础上加建生化处理(二期)。我国内地目前仍处于研究探讨阶段，尚无实际工程范例。
3.2 处理效率及影响因素分析
　　大量国内外试验与运行结果表明，CEPT法可显著去除城镇污水中各种有毒有害污染物，如SS、重金属、磷等的去除率可达90%以上，难降解有机物的去除率达到80%以上，虽然它对 BOD的去除效率低于传统二级生化处理工艺，但仍可去除20%～50%，且能明显提高污水可生化性。最近对COD含量为150～800 mg/L、总磷含量为4～10 mg/L的深圳、上海、北京、山东、江苏、云南等城市污水进行的CEPT法处理试验表明，一般SS去除率可达90 %以上、COD去除率达47%～76%、总磷去除率达70%～85%、总氮去除率为20%～30%、各类重金属离子去除率在80%～100%，处理后出水中的8种阴、阳离子浓度基本没有变化。因此，CEPT工艺达到了显著降低水中大部分污染负荷的效果。
　　实际处理效果与污水污染物种类及含量有关。图2、3是采用CEPT法处理多种城镇污水所得到的COD去除率及其与BOD/COD比值的相关关系。

　　由图2、3可见，COD含量或BOD/COD比值越低，处理效果越好。对于COD含量在250 mg/L以下、BOD/COD＜0.3的污水，采用复合型聚铝絮凝剂进行强化絮凝处理，处理后出水COD一般可降至50 mg/L以下，基本达到国家一级排放标准。
　　对于BOD/COD＜0.3、COD含量在250 mg/L以下、总磷含量为5～8 mg/L的污水，复合型聚铝絮凝剂投加量在20～30 mg/L时，COD值可降低到50 mg/L以下，但总磷仅降低至3～4mg/L，只有絮凝剂量达到40～50 mg/L以上时，才能使污水总磷含量降低到1 mg/L 以下。根据复合型絮凝剂市场售价(1800～2000 元/t)估算，投加20～30 mg/L时，絮凝剂费用为0.05～0.07元/m³；投加50～60 mg/L，絮凝剂费用为0.09～0.12元/m³。再加上电耗、人工费用等，综合运行成本为0.20～0.30元/m³左右。
　　为了进一步推广和验证CEPT法对小流域纳污河道的治理效果，对深圳龙岗、观澜和燕川等污水河进行了试验研究。结果表明，对COD为120～200 mg/L、总磷为3～6 mg/L、SS为150～180 mg/L的3条纳污河污水，处理后出水指标除了氨氮外均达到地表水五类标准。由 于采用该法在短时间内可有效改善并缓解广东东江水质污染加剧状况，因而得到深圳市政府的极大重视和支持，决定在流量为(3～4)×10⁴m³/d的污水河(河水水质呈黑褐、恶臭状 ，COD、氮、磷、SS含量分别为200～300 mg/L、18～30 mg/L、5～7 mg/L、200 ～300 mg/L)进行中试试验，利用河道构筑简易拦水坝和水力混凝反应设施，处理出水水质呈清澈透明状，COD降至60 mg/L、磷降至0.8～1.2 mg/L、SS降至15 mg/L以下。
3.3 污泥产量分析
　　CEPT法产生的污泥量及污泥处置是人们所关注的问题。与生化处理相比，加入混凝剂将会增加处理过程的污泥量。污泥产生量可用下式表示：
　　SP=SS_in-SS_out+K_prec×D
　　式中　SP——污泥产生量，(g/m³)
　　　　　SSin、SSout——分别为进、出水中悬浮固体浓度，g/m³
　　　　　Kprec——污泥产率系数，g/g，对于铁系混凝剂为4～5，铝系为6～7
　　　　　D——金属混凝剂投量，g/m³
　　从上式可见，如果保持污染物去除率同时减少污泥产生量，只有减小K值或D值。在实际应用中，混凝剂投加量在很大程度上决定于对除磷的要求。一般情况下，由于絮凝剂投加量很少，污泥增加量并不比生化法多，而且强化絮凝产生的污泥密实性、脱水性、沉降性均比生化法好。一般生化污泥生成率约为40%，污泥含水率在98%以上；而强化絮凝污泥生成率为45%～50%，污泥含水率为92%～95%。虽然强化絮凝生成的污泥量略大于生化处理工艺，但易于脱水且不需要添加有机高分子絮凝剂，污泥可直接填埋或加以综合利用。
3.4 絮凝剂的开发
　　目前世界各国(地区)城市污水CEPT法处理的絮凝剂大多采用传统铝、铁盐凝聚剂与石灰或有机高分子絮凝剂配伍使用，与石灰配伍所需投加量大(100～300 g/t)、生成污泥量也较大，而与有机聚合物配伍使用可显著降低药剂投加量、减少污泥量，但因有机聚合物售价较高，运行费用并不能得到明显降低。我国主要采用具有资源和技术优势的无机高分子聚合铝或聚合铁絮凝剂，净化处理效果显著且运行费用低，尤其近年中科院研制开发了高效价廉矿物复合型无机高分子絮凝剂、管式涡旋反应器以及拦截沉淀等适配的强化絮凝工艺技术，效果显著。

4 CEPT工艺亟待推广

4.1 必要性及紧迫性
　　目前我国对于量大面广的城市污水污染问题缺乏适合国情的高效、低耗处理技术。城市污水处理厂所采用的技术与设备几乎与发达国家在同一水平，部分设备由国外进口，耗资巨大。据统计，我国目前污水排放量为1.37×10⁸m³/d，仅有10%得到处理。按国家“十五” 环保规划，到2005年我国城市污水处理率要达到50%以上，需开工建设的城市污水处理厂多达200个，总投资逾千亿元，加上市政管网建设费用，总投资将超过2000亿元，年运行费约在250亿元以上。作为只能带来环境与社会效益而无经济效益的污水处理厂，面对如此庞大的基建投资及运行费用，如不采取与现阶段经济发展水平相适应的处理技术，盲目攀比而投资建设将是十分危险的。以淮河治理为例，由于城市二级污水厂的巨额投资，致使目前已规划的52座污水处理厂迟迟不能开工，或因运行费高昂而无法正常运行，以致预期的淮河水环 境污染治理目标短期内无法实现。
　　随着小城镇建设的迅速发展，各地流域水质污染状况进一步恶化，小城镇污水处理厂规模大多在(2～3)×10⁴m³/d以下，如仍沿用传统生化处理工艺，必将成为当地政府的沉重财 政负担，推广简易实用的强化絮凝处理工艺是切实可行的。
　　纳污河流治理往往需要投入大量费用。强化絮凝工艺具有适应天然河道水力及污染物负荷变化大的特点，特别是去除磷与COD污染物的效果更明显，这对减轻我国南方区域性河流和湖泊富营养化具有重要应用价值。因此，暂时利用这些纳污河道进行人工强化絮凝净化处理，尤其是枯水期在其上游构筑简易强化絮凝净化处理设施，或在下游修建小型强化絮凝处理厂作为水环境污染治理的应急工程，这对于缓解由于治理资金严重不足而无法开展治理区 域性水环境污染的困难局面具有十分重要的意义。如深圳观澜河的30×10⁴m³/d枯水期 强化絮凝处理示范工程已投入运行，处理费用不超过0.15元/m³。
4.2 改革城镇污水运营方式
　　长期以来，我国市政建设及运营管理基本都是采取国家及地方财政全包承揽方式，污水处理厂需耗用大量地方财政补贴。因此，建立市场经济条件下的新的管理运营体制，鼓励水处理 工程设施运行服务产业化势在必行。深圳在这方面的经验值得借鉴，项目采用招标形式，政府投资，环保公司按政府额定的工程投资和吨水处理费用承建应急工程设施并运营管理，由环保部门执法监督。这样政府既节省了大量投资和运营费用，又有效地保证了处理水质达标。这种市场运营机制是我国环保产业发展的必然趋势。
4.3 加强强化絮凝工艺研究
　　强化絮凝工艺是近年来国外城市污水深度处理研究的热点，国内也需要加强这方面的科学研究。首先是研究开发适用于化学强化处理的高效、廉价絮凝剂规模化产业化技术；二是研究强化水力反应设备及构筑物的优化设计；三是开发在线自控投药与监控技术系统并建立示范工程，使示范工程成为推广CEPT法的有力范例。

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　　收稿日期：2001-08-06