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        CSOs污染特點及核心處理工藝的選擇

          導 讀
          CSOs 污水是以城市污水為本底,混有因降水而產生的徑流污染,并因沖刷作用而攜帶管道底泥,具有非連續性、爆發性、隨機性的污染特點;對水環境危害較大,將其進行截流并削減污染后再行排放已成為行業共識。CSOs 污水水質及核心處理工藝的選擇是確保CSOs污染削減效果的關鍵。一級強化處理工藝因具備抗沖擊負荷能力強、可間歇運行、啟動迅速、表面水力負荷高、去除效率高、出水效果穩定、維護簡單等特點,成為CSOs污水的主流處理工藝,對比分析了以投加微砂、磁粉和回流污泥作為絮凝核心對絮凝過程進行強化的一級強化處理工藝,在出水水質相同的情況下,加砂高速沉淀池水力負荷最高;普通高密度沉淀池的產水率及排泥濃度最高。
          1 合流制溢流(CSOs)及其危害
          在降雨(或融雪)期,由于大量雨水流入排水系統,合流制排水系統內的污水流量超過截污流量時,超過排水系統負荷的雨污混合污水便會直接排入受納水體,這被稱為合流制管道溢流(Combined Sewer Overflows,簡稱 CSOs)。
          CSOs污水中含有大量的污染性物質:如有機物、N、P 等營養物質;重金屬、氯代有機物、EDCs(環境內分泌干擾物質)、PPCPs(藥物及個人護理品)等有毒有害物質;大量致病微生物。CSOs污水作為這些污染物質遷移的載體,若未經處理而直排水體,存在較大危害。CSOs中的污染物會引發水體缺氧、富營養化進而導致水生態環境失衡;微生物中各種致病菌的繁殖、隨水體而傳播將嚴重威脅城市居民的身體健康;污水中攜帶的顆粒污染物進入水體后會使水體渾濁,影響水體的城市功能和感觀,破壞人與自然的和諧;因接納CSOs污染還會導致受納水體緩解城市熱島效應的作用被削弱,制約城市的可持續發展。
          2 CSOs污水的污染特點
          CSOs 污水主要由城市污水和降水組成;此外,CSOs 污水因沖刷作用還攜有相當部分的污水管道底泥,底泥中含有大量污染物及致病微生物。其中:①城市污水主要包含生活污水、工業廢水,其流量及水質相對穩定;②降水包含降雨、融雪,水量受天氣影響,情況多變,存在很大的不確定性,水質由兩部分組成,自身天然水質及徑流攜帶的污染水質,自身天然水質相對穩定(與空氣質量負相關),徑流污染水質隨降雨情況變化而變化;③管道底泥對CSOs污水的影響主要是增加污染物濃度,底泥的污染物濃度以及淤積量與降水頻次及強度有很大關系。綜上,CSOs 污水是以城市污水為本底,混有因降水而產生的徑流污染,并因沖刷作用而攜帶管道底泥。因此,CSOs 污水的特點很大程度上取決于降水情況,故其污染具有非連續性、暴發性、隨機性的特點,具體如下。
          2.1 隨降雨特性不同而變化
          根據趙慶豪的研究可知,雨天合流制管道流量峰值與雨強峰值并非同時出現,管道流量峰值一般滯后于雨強峰值的主要原因是降雨經匯流進入管網以及管道內的輸送都需要時間;雨天合流制污水污染物濃度峰值與管道流量峰值出現時間相差較小,幾乎是同時出現;當降雨為小到中雨或大雨時,污染物濃度平均值隨降雨總量的增加而增加,而當降雨為暴雨或大暴雨時,后期降水對污染物起稀釋作用明顯,導致后期污染物濃度較低,污染物平均濃度隨降雨總量的增大而減小。
          因此,短時集中降雨特別是前峰雨,CSOs污染最為嚴重,而連續的中、低強度降雨特別是后峰雨,可充分發揮截流設施的截流效能,CSOs污染則較輕,見圖1。
          
          圖1 雨天CSOs污染物濃度曲線
          2.2 徑流污染與底泥污染
          降雨期間,CSOs污水形成初期,污水流量不斷變大,初期雨水沖刷攜帶地表大量污染物,同時管道中沉淀的底泥被帶走,易產生污染物濃度高峰。隨后由于徑流量不斷增大,溢流污水稀釋作用大于污染效果,溢流污水的污染物濃度恢復至初始水平,這種現象被稱作初期沖刷(first flush);降雨初期污染物濃度很高,通常是旱流污水的幾倍之多,有時甚至可以達到旱流污水的幾十倍。降雨徑流污染中,56%±26%的懸浮物來自城市地表與雨水口的沉積物,44%±26%的懸浮物源于生活污水的沉積物。表1是北京城區雨水徑流污染情況,其中區分了降雨初期徑流污染水質與平均徑流污染水質。
          表1 北京城區不同匯水面初期徑流污染物濃度
          

          表2 北京城區不同匯水面平均徑流污染物濃度
          
          根據美國EPA的研究,不同城市和地域間雨水徑流水質的統計結果無明顯區別。因此北京城區雨水徑流污染水質具有一定的代表性,可以作為我國其他城市分析雨水徑流污染時的參考。
          2.3 時間特性
          因為CSOs污染由降雨而觸發,因而具有非連續性、間歇性的特點。
          3 CSOs污水的水質參考
          CSOs水質隨城市降雨特性、居民生活習慣、城市氣候、空氣污染程度以及道路清洗頻率等屬地性因素不同而不同。目前,國內對其研究較少,未形成結論性成果。本文參考已有研究成果,列出了武漢、巢湖、上海三個城市的CSOs水質情況,作為選擇CSOs污水處理工藝的參考。
          表3為武漢市喻家湖片區旱季污水及雨季時CSOs污水水質情況。
          表3 武漢市喻家湖片區旱季污水與CSOs污水水質對比
          
          表4為巢湖市中心城區某檢測點處CSOs污水水質隨降雨特征不同的水質變化情況。表5為其旱季污水及雨季時CSOs污水水質情況對比。
          表4 巢湖市中心城區CSOs污水水質情況
          

          表5 巢湖市中心城區旱季污水與CSOs污水水質對比
          
          表6為上海中心城區雨季時CSOs污水(旱流污水需污水泵站轉輸)的水質情況。一次降雨徑流污染過程中水質、水量變化范圍較大,采用污染物的流量加權平均濃度(Event Mean Concentration,EMC)能夠更好地表征降雨事件的污染特點。
          表6 上海中心城區CSOs污水水質情況
          
          4 CSOs污水處理工藝的選擇
          CSOs污水對水環境危害較大,對其進行處理,削減污染物以降低對環境的負面影響是全世界的共識。在發達國家,針對CSOs的治理,已經開發出很多成熟的技術及工藝。在德國,4 萬個 CSO 處理系統中,42%均設置了沉淀池,SS 經過沉淀處理,去除率可達到55%~75%。
          4.1 工藝要求
          因CSOs的污水水量、水質變化范圍較大,存在非連續性的特點,故需處理工藝具備抗沖擊負荷能力強、間歇運行、啟動迅速、表面水力負荷高、占地面積小、去除效率高、出水效果穩定、易于操作、維護簡單等特點。針對上述要求,化學一級強化處理無疑是CSOs污水高效處理工藝的首選方案,其適應性強、投入產出比高,可以用相對較少的投入獲得較大的處理效果。近年來,以投加微砂、磁粉和回流污泥作為絮凝核心對絮凝過程進行強化的一級強化處理工藝取得了良好的使用效果,它們都是通過改善絮凝階段的絮凝體形成與分離特性,形成大而密實的絮凝體,進而獲得較好的沉降效果。隨著這些工藝的不斷推廣、應用,一級強化處理工藝已成為CSOs污水處理的核心工藝。本文僅對已成熟、穩定運行、應用廣泛、商業化成功的處理工藝進行論證分析。
          4.2 高密度沉淀池(泥渣循環)
          高密度沉淀池以得利滿(Degremont,蘇伊士水務工程前身)開發的Densadeg工藝為典型代表。是一種帶有污泥外部循環的改進型絮凝澄清池,是斜管澄清和污泥濃縮兩種原理的結合,具有結構緊湊、易于封閉、對環境影響小、靈活、高效的優點。
          4.2.1 工藝系統簡介及運行原理
          Densadeg高密度沉淀池由以下結構組成:
         ?、倏焖倩旌蠀^;
         ?、跈C械絮凝區;
         ?、鬯π跄齾^;
         ?、艹恋沓兀?0%的絮體被沉淀和濃縮而不會上浮至斜管區);
         ?、菪惫芎蜕戏降募?;
         ?、尬勰嗷亓鞴埽▽饪s污泥循環至絮凝區入口),見圖2。
          
          注:圖片來源于蘇伊士水務工程公司。
          圖2高密度沉淀池結構
          優化的絮凝機制,高密度沉淀池有兩個連續的絮凝反應池(一個機械循環攪拌,一個水力低速推流),從而使絮凝時間及速度梯度分配更加合理。在這個系統中,高分子聚合物助凝劑分別在絮凝池和污泥循環進行兩次投加,可以使絮體更加緊密而形成了一種更加適合高水力負荷的“自載體絮凝”,并且可以獲得更高的濃縮污泥濃度,其污泥濃度超過了靜態濃縮池的2倍。
          帶有斜管的澄清濃縮池,此部分具有三個功能:
         ?、偈沟么蟛糠治勰喈a生受阻沉降:通過優化的絮凝機制而獲得較大的絮體直徑及較高的絮體密度,故可產生高的沉降速度使受阻沉降成為可能;
         ?、谛惫芙M件的深度處理功能:采用下游配水系統使斜管區的上升水流均衡穩定,避免了水流擾動帶出殘留絮體,可保持污泥層的整體性,均勻的過流速度還可以避免污泥局部上升,進而保證整個澄清集水區擁有相同的澄清水質;
         ?、鄄捎玫撞抗文鄼C和柵耙刮板進行污泥濃縮。
          污泥循環澄清,礬花在澄清池下部匯集成污泥并濃縮。濃縮區分為兩層:上層位于排泥斗上部,為再循環污泥;下層位于排泥斗下部,為外排的剩余污泥。
          濃縮后的再循環污泥通過螺桿泵以較低的流速進行循環,以避免絮體破碎?;亓魑勰鄷黾颖砻娼佑|面積加速絮體的形成和凝聚。當絮體體積約為機械絮凝區體積的10%時,Densadeg高密度沉淀池的絮凝效果最好。剩余污泥的排放由池底的泥位控制,所以其排放通常是間歇性的。
          4.2.2 工藝特點
         ?。?)產水量高,因池體內設有帶濃縮功能的刮泥機,外排污泥的濃度較高,因而減少水量損失。
         ?。?)污泥濃縮同步完成,外排污泥濃度高(20~40g/L),可直接進行脫水,無需再進行濃縮,節省了污泥后續處理的投資及運行費用。
         ?。?)節約用地,Densadeg高性能沉淀池集絮凝、沉淀、濃縮于一體,結構緊湊,水力負荷高。
         ?。?)抗沖擊負荷能力強,因為絮凝區污泥濃度主要依靠濃縮污泥的回流,而不是依賴于進水絮凝后的懸浮絮體,因此對原水的水質和水量的波動并不敏感。
         ?。?)削減污染效果顯著,對TP、SS、COD、BOD5都有不錯的去除效果。
         ?。?)污泥的回流促進了反應池中的混凝和絮凝反應,且回流污泥中會含有一些藥劑成分,回流至絮凝區后,延長了泥渣和水的絮凝接觸時間,使其可以再次得到利用,進一步減少藥劑的投加,可比常規混凝沉淀工藝節省藥劑10%~20%。
          4.2.3 工藝設計參數
          取值高密度沉淀池根據其不同的處理目標有不同的設計參數,本文總結了各種工程案例,給出用于CSO污水處理的主要設計參數(參數的選擇相對保守),見表7。
          表7 高密度沉淀池用于CSO處理的主要設計參數
          
          由于原水水質的不同,高密度沉淀池設計采用的水力負荷(上升流速)差異很大。對于污水深度處理、污水初級處理及雨水處理上升流速與SS去除率的關系如圖3所示。由于初期雨水各類污染物的可沉比例較高、有機物含量相對較低,同樣處理污水的高密度沉淀池如用于處理雨水或合流污水,其設計上升流速可高些。
          
          圖3 SS去除率與上升流速的關系
          4.3 加砂高速沉淀池(微砂循環)
          在普通高密度沉淀池的基礎上,將泥渣循環改為微砂循環,形成了一種新型工藝—加砂高速沉淀池,以威立雅公司開發的Actiflor工藝為典型代表。該工藝通過投加微砂(粒徑為100~150μm),使污染物在高分子絮凝劑的作用下與微砂聚合成大顆粒的易于沉淀的絮體,從而加快了污染物在沉淀池中的沉淀速度,又結合斜板沉淀的原理,大大減少了沉淀池的面積及沉淀時間,并能得到良好的出水效果。
          4.3.1 工藝系統簡介及運行原理
          Actiflo高效沉淀工藝由混凝池、投加池、熟化池、斜管(板)沉淀池以及微砂循環和污泥排放系統組成。具體結構見圖4。
          
          注:圖片來源于威立雅水務工程公司。
          圖4 Actiflor高效沉淀工藝流程
         ?、倩炷兀夯炷齽┩都釉谠?,在快速攪拌器的作用下同污水快速混合,形成小的絮體然后進入絮凝池。
         ?、谕都映兀何⑸昂突炷纬傻男⌒躞w在快速攪拌器的作用快速混合,并以微砂為核心形成密度更大、更重的絮體,以利于在沉淀池中的快速沉淀。
         ?、凼旎兀ㄐ跄兀盒跄齽┐偈惯M入的小絮體通過吸附、電性中和和相互間的架橋作用形成更大的絮體,慢速攪拌器的作用既使藥劑和絮體能夠充分混合又不會破壞已形成的大絮體。
         ?、苄卑宄恋沓兀汉靶躞w在斜管(板)沉淀池實現了高速沉淀,沉淀池上部水被集水槽收集,含有微砂的污泥沉淀于池底,由刮泥機收集至沉淀池底部中央的區域。
         ?、菸⑸把h及污泥排放:沉淀池底部的污泥被微砂循環泵抽出,至水力旋流器進行泥砂分離。由于微砂與污泥的密度存在差異,因此在水力旋流器離心力的作用下,污泥與微砂分離。分離的微砂直接回用于投加池,實現微砂的重復利用。
          4.3.2 工藝特點
         ?。?)加砂高速沉淀池是將混合、絮凝、沉淀高度集成一體,占地面積少。由于其可以采用更高的水力負荷高,占地面積相較于其它高效沉淀池更有優勢。

         ?。?)水力負荷高,由于以微砂為核心形成的絮體沉降速度快,在相同出水水質前提下,可以允許較高的水力負荷。
         ?。?)抗沖擊負荷能力強,微砂循環能夠保證池內具有較高的懸浮物濃度,接受進水懸浮物濃度的沖擊能力強。
         ?。?)絮體沉降分離效果好,出水水質好,對TP、SS、COD、BOD5都有不錯的去除效果。絮體沉降速度快,在進入斜板區時,大量絮體已沉降,斜板不需要經常沖洗。
         ?。?)重新啟動時間短,短時間可滿足穩定的出水水質。
          4.3.3 工藝設計參數取值
          加砂高速度沉淀池根據其不同的處理目標有不同的設計參數,本文總結了各種工程案例,給出用于CSO污水處理的主要設計參數(參數的選擇相對保守),見表8。
          表8 加砂高速淀池用于CSO處理的主要設計參數
          
          具體的一些設計參數選擇如下:
          (1)微砂回流比:回流比= 3%+(TSS/1 000)×7%(TSS為進水水質)。
          (2)攪拌功率:混凝池的攪拌器功率最大應達到150 W/m3,注射池70 W/m3,熟化池40 W/m3,且需變頻控制。
          (3)微砂是Actiflo高效沉淀工藝的核心,通常要求微砂為圓形石英砂,其硅含量>95%,均勻系數(d60/d10)<1.7。
          4.4 磁混凝高效沉淀池
          在普通高密度沉淀池的基礎上,同步加入磁介質(磁粉相對密度為5.2,粒徑較?。?,通過絮凝、吸附、架橋的作用將水中的微小懸浮物或不溶性污染物與粒徑極小的磁性顆粒進行極有效率的結合,來增加絮體的體積和密度。從而加快絮體的沉降速度,有效降低了澄清池的水力停留時間并增大了其表面負荷。
          4.4.1 工藝系統簡介及運行原理
          磁混凝高效沉淀池是在傳統絮凝沉淀工藝的基礎上增加了磁粉加載反應池、高剪切器以及磁分離器等設備。具體工藝流程如下(見圖5和圖6):
          
          圖5 磁混凝高效沉淀工藝流程
          
          注:圖片來源于安樂設備安裝工程(上海)有限公司。
          圖6 磁混凝高效沉淀工藝流程
          污水進入快速混合區并投加混凝劑,快混區內設有快速混合攪拌機,污水與混凝劑快速混合后進入磁介質混合區。在磁介質混合區內設置攪拌器,污水與補充磁介質及回收利用的磁介質充分混合后經底部進入絮凝反應區。絮凝反應區內投加絮凝劑,由絮凝攪拌機進行充分的絮凝反應后溢流到沉淀區。沉淀區上部設有斜管。
          充分絮凝的磁團混合體進入沉淀區,快速沉降在沉淀池底部,由刮泥機刮集至中心的污泥斗并分為二路,一路由回流泵提升至磁介質混合區,另一路由剩余污泥泵抽出并送至磁介質回收系統進行磁團剝離和磁介質回收,回收的磁介質再次進入磁介質混合區繼續參與反應。剩余污泥則進入后續污泥處理系統。
          4.4.2 工藝特點
         ?。?)采用磁種作為載體構造磁絮團,技術穩定成熟。
         ?。?)對SS、TP去除效果好,同時還能去除大腸桿菌、非溶解性COD和藻類等。
         ?。?)污泥回流,使藥劑能循環利用,有效降低運行成本。
         ?。?)耐沖擊負荷能力強,對水質的沖擊有獨特的耐沖擊能力。
         ?。?)磁絮凝設備的磁場強度難以提高,選擇性差,往往存在不同的漏磁現象,造價及運行能耗相對較高,混凝劑一般要具有順磁性,水溫不能過低。
          4.4.3 工藝設計參數取值
          磁混凝高效沉淀池根據其不同的處理目標有不同的設計參數,本文總結了各種工程案例,給出用于CSO污水處理的主要設計參數(參數的選擇相對保守),見表9。
          表9 磁混凝高效沉淀池用于CSO處理的主要設計參數
          
          5 小結
          CSOs作為城市污水、管道底泥、地表污染物遷移的載體,具有非連續性、爆發性、隨機性的污染特點,若未經處理而直排水體,存在較大危害;對其進行處理,削減污染物后再行排放已成為行業共識,核心處理工藝的選擇便是重中之重。綜上分析,在出水水質相同的情況下,加砂高速沉淀池水力負荷最高;普通高密度沉淀池的產水率及排泥濃度最高。每種處理工藝都有自己的優缺點及適用性,設計時需要根據進、出水要求、用地面積、投資、運行成本、后期維護以及場地周圍的環境需求等多種限制性條件進行綜合比選,確定最為適宜的工藝方案。
          微信對原文有修改。原文標題:CSOs污染特點及核心處理工藝的選擇;作者:孫??;作者單位:中國市政工程中南設計研究總院有限公司??窃凇督o水排水》2021年增刊S1期。
          來源:給水排水
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