基于再生水回用的污水处理厂混凝-气浮处理技术
付飞宇，刘汉湖
(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州，221116)
摘 要：加快推动再生水利用，对缓解水资源紧缺矛盾，保障城市经济社会可持续发展具有重要的战略意义，是实现水资源可持续开发与保护的必然要求，是全面推进生态文明建设的重要支撑。某污水处理厂执行的是《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中的一级A标准，为达到再生水回用目的。进行深度处理技术对比，选取混凝气浮工艺，在实验室中进行使用复配混凝剂进行混凝气浮加上超滤膜的膜过滤对一级A尾水的深度处理能力的研究。以及明确混凝气浮和超滤工艺对达到地表水Ⅲ类水质标准的可行性和操作方法。使用响应曲面法研究不同用途水质要求下的最优组合工艺参数。对龙湖污水处理厂深度处理一级A尾水的工艺提供一定的参考。
关键词：再生水；深度处理；混凝剂；混凝-气浮；超滤
1 绪论
水资源是国民经济与社会可持续发展不可或缺的自然资源，它的存在关乎人类的生存，关乎社会的稳定。随着快速的城市化和工业化，我国在自身经济发展的过程中不断面临着水资源紧缺、水污染严重以及区域分布不均等问题。
水利部门预测到2030年，我国总缺水量将达到400~500亿m3，人均水资源占有量将不足1760m3，超过世界公认的缺水警戒线。《中国环境状态公报》数据显示，2021年以地下水为对象的6124个水质监测点中，超过60%的地下水水质较差；城镇化高速发展加之人口迅速增长使本就稀缺的水资源面临水质进一步恶化。同时，受我国特殊地理环境及气候的影响，我国各区域水资源分布极不均衡，长江流域及其以南地区人口占全国人口总数的54%，其水资源总量也非常丰富，占全国水资源总量的81%；西北部地区人口占全国人口总数的46%，而水资源却十分紧张，其比例仅占全国水资源总量的19%。据统计，我国每年近2300亿元的城市工业生产总值受到城市缺水的影响，因废水污染事故造成的经济损失约377亿元，可见，水生态失调已经制约了我国城市经济的持续发展。
我国再生水回用起步较晚，直到20世纪80年代末，再生水回用研究和实践才开始逐步推动。
再生水具有水源稳定、水质达标、生产成本低等优势，能有效缓解缺水地区的水危机。在减少污水、废水等污染物排放的同时，再生水对改善水生态环境、实现水生态系统良性循环起到了积极作用，已经成为一种可靠的替代水源。目前，再生水在世界各国得到了广泛利用，主要包括城市河湖景观环境、市政杂用、地下水源补给、农业灌溉、工业以及居民日常生活用水等方面。
2 再生水回用
2.1再生水回用用途及水资源利用现状
由于世界各地的水资源分配不尽相同，使得国外对于再生水的利用情况也不尽相同。美国再生水的主要用途包括农业灌溉、景观灌溉、工业回用、地下水回灌以及娱乐环境用水[1]。其中，灌溉用水占总回用量的60%，工业用水占总用水量的30%左右，城市生活等其他方面的回用水量大约在10%。再生水的处理流程大致为：污水通过二级和二级强化处理后再经过包括微滤、活性炭吸附、反渗透和消毒等环节的高级处理，水质达到饮用水标准。
日本于1962年开始利用再生水。1980年开始以东京为首的再生水利用设施迅速发展，东京利用Tamajyo污水处理厂的再生水补给郊外Nobidome河生态用水，在满足河道景观用水要求的同时很好地恢复了河道水生态系统[3]。1985-1996年间，日本利用再生水作为150多条缺水河道的景观用水，改善了河道的景观水体功能。1983年3月，日本再生水利用项目达到473个，总利用量约66万m3/d。之后，日本平均每年建设130处再生水利用工程。1993年，全国已有1963套再生水利用设施投入使用，再生水利用量达27.7万m3/d，占全国总用水量的0.7%。1996年，全国再生水利用设施达2100套，利用水量达32.4万m3/d，占全国总用水量的0.8%，其中41%为工业用水、32%为河湖景观环境用水、8%为农业灌溉用水。目前，日本年生活用水量达157亿m3，年污水处理量为143亿m3，处理率在90%以上；每年再生水回用约2.0亿m3，主要用于缺水城市中的河道补水、景观用水、融雪用水、冲厕用水、道路和绿地喷洒用水、工业用水和农业灌溉用水。
我国再生水利用的法规制度不断完善，分别在2002年、2005和2007年分别发布了《城市污水再生利用》系列标准的五项标准（表1）[1-5]，明确了污水再生利用于工业用水、地下水回灌、景观环境用水、农田灌溉用水和城市杂用水的用水水质，保障了污水再生利用的用水安全和卫生。近平总书记提出了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路，明确提出对非常规水源的利用的要求，为推进非常规水源利用，提高水资源配置效率和利用效率，2017年，水利部印发了《水利部关于非常规水源纳入水资源统一配置的指导意见》（水资源〔2017〕274号），明确了非常规水源入水资源配置的总体要求，配置领域、强化措施、监督管理和组织保障。2021年，国家发展改革委、住房城乡建设部印发了《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》。2021年国家发展改革委、生态环境部、科技部、工业和信息化部等十部委联合发布《关于推进污水资源化利用的指导意见》，《意见》指出，到2025年，全国地级及以上缺水城市再生水利用率达到25%以上，京津冀地区达到35%以上。为落实《关于推进污水资源化利用指导意见》，2022年水利部、国家发改委、住建部、工信部、自然资源部、生态环境部等6部门联合印发《典型地区再生水利用配置试点方案》（水节约〔2021〕377号），明确以缺水地区、水环境敏感地区、水生态脆弱地区为重点，选择基础条件较好县级及以上城市开展试点工作。试点目标是到2025年，在再生水规划、配置、利用、产输、激励等方面形成一批效果好、能持续、可推广的先进模式和典型案例。
3混凝气浮研究与应用
3.1 混凝剂研究现状
混凝是目前广泛应用的城市和工业废水净化方法之一。据报道，早在公元前1500年，埃及人就使用硫酸铝（明矾）使悬浮颗粒在水中沉降。尽管早期的罗马人也熟悉明矾，但直到公元77年才提到它在水处理中作为凝结剂的用途。今天，混凝是为了将细颗粒和胶体凝聚成更大的颗粒，以减少废水中的浑浊度、天然有机物以及其他可溶性有机和无机污染物。这个过程包括两个不同的阶段：（1）通过剧烈搅拌将分散的混凝剂快速混合到待处理的废水中；（2）通过温和搅拌将小颗粒凝聚成明确的絮凝体。最后，絮凝体沉淀，然后作为污泥去除，而处理过的废水（上清）被转移到后续处理过程或排放到水道。由于混凝法操作简单，设计相对简单，能耗低，已成功应用于不同类型的工业。此外，由于处理工艺的通用性，混凝法可以用作废水的前处理、后处理，甚至是主要处理方法[2]。
混凝剂大体可分为无机、有机和微生物混凝剂三类，无机混凝剂原料易得，合成工艺简单，价格低廉，在混凝剂中占有重要的地位；有机混凝剂毒性较大，价格高，但使用量少，效果好，在水处理过程中市场份额比逐渐增多；微生物混凝剂毒性低，但原料的寻找、培养以及使其工业化的难度较大，使用较少[3]。
混凝剂在当时分为低分子的铝盐和铁盐，它们的来源广泛，价格低廉，但是投加量一般较大，处理效果一般。后来慢慢发展为高分子混凝剂，价格低廉，分子量巨大，处理效果好，逐渐更受青睐。
1）铁盐混凝剂
铁盐主要指氯化铁、聚合硫酸铁、聚氯化铁等含三价铁离子的盐[4]。铁盐混凝剂自20世纪30年代以来在水处理工艺中得到了广泛的应用，它经历了从简单的低分子混凝剂向高分子混凝剂的发展过程。低分子混凝剂主要有氯化铁和硫酸亚铁，其毒性小，但混凝效果不佳，投加量大，pH适用范围小。近年来，学者们开始对聚合铁盐混凝剂进行研究，主要有聚合硫酸铁和聚合氯化铁两种[5]。
有机高分子絮凝剂价格昂贵，且残存单体或分解产物可能有毒。目前普遍使用的铝盐絮凝剂存在铝毒及余铝后沉淀、低温除浊能力低等问题。而聚合铁盐絮凝剂以其产生的矾花大、絮体密实、沉降快、适用pH值范围广、耗量少、效果好、无毒、价格便宜等优点，成为近年来水处理剂研究的热点[6]。
R.Bernhard等[7]人以硫铁矿矿灰为原料，将35%～45%的H2SO4与矿灰(Fe2O3质量分数为80%)在105～110℃下反应至90%～100%的H2SO4消耗掉，过滤除去剩余固体，滤液用水稀释至硫酸铁质量分数为40%～45%即得产品。
刘峙嵘、付英、聂丽君和卢素焕等[8-11]均在聚合硫酸铁或聚合氯化铁的基础上合成了新型复合无机高分子混凝剂，混凝效果较好。铁盐混凝剂具有很多的优点，如无毒性、无二次污染、絮凝形成快、矾花大、混凝效果好、价格低廉等，但会对处理后的水着色，且产生大量的污泥，这也限制了铁盐混凝剂的应用。
2）铝盐混凝剂
铝盐是目前使用最多的水处理药剂，特别是聚合氯化铝（PAC），被广泛应用于各类废水混凝处理过程中。日本首先对聚合氯化铝进行研制开发，并于20世纪60年代应用于水处理工艺。目前，聚合氯化铝的常规生产工艺主要铝酸钙和盐酸酸溶，其生产过程长，条件难控制，制备过程中易产生Al(OH)4-，不易聚合成Alb形态。何锡辉等[12]采用电解法制备聚合氯化铝，克服了上述缺点，且生成的聚合氯化铝投加量少，絮体大，沉降快，混凝效果好，但能耗较大。随着人们对聚合氯化铝的深入研究，学者们逐渐对无机复合高分子混凝剂进行更多的研究，跟铁盐类无机复合高分子混凝剂一样，将聚合氯化铝与其他混凝剂复合得到新型复合混凝剂。
张开仕等[31]以石灰和铝质易拉罐废料为原料制备聚合硫酸铝，用来处理高浊工业废水效果好；在硫酸铝和氯化铝混合溶液中加入Na2CO3，可制得聚合硫酸氯化铝，其絮凝效果优于聚合氯化铝和聚合硫酸铝，而且稳定性比PAS高[32]。
耿雅妮等[13]研究不同铝盐混凝剂对不同原水水质的混凝效果，并对其结果进行比较，发现PAC的最佳投加量为2~8mL，PAFC的最佳投加量为2~6mL，PAC，PAFC的最佳pH值均为6~8。渭河原水浊度与UV254较高，混凝剂投加量比pH值更能影响高浊度原水的混凝效果；清姜河原水浊度与UV254较低，pH值比混凝剂投加量更能影响低浊度原水的混凝效果。
近年来，水体中残余铝的毒性问题得到了世界各国的关注，世界卫生组织限定铝的残留标准为0.2mg/L，美国限定为0.15~0.2mg/L，我国限定为0.2mg/L[14]。杨忠莲[15]研究发现在腐植酸-高岭土模拟地表水混凝处理中，氯化铝、硫酸铝和聚合氯化铝（PAC）在不同投加量下的浊度和UV254去除率最高可达90%左右；PAC投加量较高时混凝效果较好，其混凝出水中残留总铝量（约为0.9mg/L）和余铝率（-3.0%）均是三种混凝剂中最低的，且PAC能够有效降低出水中毒性较大的溶解性铝的含量（约为0.6mg／L）。
3.2 气浮技术研究现状
溶气气浮通过微气泡从气流中分离细颗粒。传统的气浮包括四个过程：微气泡发生、废水化学预处理、浮选和污泥去除。该技术在结构上由一个隔板将浮选槽分成两个区(接触区和分离区)。接触区保证了粒子与微气泡的碰撞和粘附，然后传递到分离区。这些絮团由浮力作用上升到水面，形成浮渣[16]。
气浮技术处理效果的好坏，很大程度上取决于微气泡的数量与质量。微气泡是由饱和器(水箱或文丘里管)中的水和空气混合物在高压(通常为300-700kpa)下突然降压所产生的。产生的气泡被输送到接触区[17]。一般情况下，输送到接触区的微气泡数量取决于发生器压力和循环流量(Qr)[18]。气浮参数与气浮工艺的建立直接相关，比如，当使用混凝时，DAF参数会发生变化[19]。根据文献，许多参数可以影响微气泡的产生[20]（数量、直径和上升速度）。例如，包括空气压力、进水流量和注入空气流量[21]，这决定了最合适的微气泡生成，回流量或回流率也是影响微气泡的重要因素[22-24]。
沈怡等[25]在北方某市政污水处理厂升级改造工程采用“溶气气浮+活性焦吸附+V型过滤+消毒”的深度处理工艺，可使出水主要指标（总氮除外）达到《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中的地表水Ⅲ类标准。其中，溶气气浮技术作为本工程强化处理措施，能够高效去除TP，其出水质量浓度小于0.02mg·L-1，达到化学除磷极限。
SepidehAnsari等[26]在实验室规模实验中，在没有事先改变和调整pH的情况下，通过罐体试验确定最佳混凝剂和絮凝剂剂量。以1500mg/L−1聚氯化铝(PAC)为混凝剂，40mg/L−1阳离子聚丙烯酰胺(PAM)为絮凝剂，得到了最佳的絮凝剂量。COD、BOD5去除率分别为39±10、24.0±3.8。预处理后的平均BOD5/COD由0.44增加到0.5。在降低TSS(98.1%)和VSS(98.4%)方面也取得了良好的效果。
4 结论
混凝气浮工艺对于生化阶段之后的深度处理来使一级A尾水达到地表水Ⅲ类水有着较大的意义，在混凝气浮过程中如何使用混凝剂，无机、有机混凝剂的复配使用，溶气罐压力对微气泡性能影响，混凝剂投加顺序等方面是应该下一步去做的，实验室小试实验来确定混凝气浮的最佳参数。
参考文献：
[1] 杨茂钢, 赵树旗, 王乾勋, 等. 国外再生水利用进展综述[J]. 海河水利. 2013, (4): 30-33.
[2] Chee Yang Teh, Pretty Mori Budiman, Katrina Pui Yee Shak, and Ta Yeong Wu Recent Advancement of Coagulation–Flocculation and Its Application in Wastewater TreatmentIndustrial & Engineering Chemistry Research 2016 55 (16), 4363-4389DOI: 10.1021/acs.iecr.5b04703
[3]李焱. 混凝-压力溶气气浮技术处理ABS树脂废水研究[D].中国矿业大学(北京),2016.
[4]李敏,肖晋宜,丁德才. 无机混凝剂发展概述及铁盐的应用[C]//.2014年第12届全国水处理化学大会暨学术研讨会论文摘要集.[出版者不详],2014:97-98.
[5]高宝玉, 钛盐混凝剂的混凝行为、作用机制和污泥回用研究. 山东省,山东大学,2017-03-15.
[6]刘立华,郑雅杰,龚竹青.聚合铁盐絮凝剂的研究进展与发展趋势[J].现代化工,2002(10):18-21.DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2002.10.005.
[7] BernhardR ,ErikssonI .Methodforthemanufactureferricsulphatebytreatingferricoxidewithsulfuricacid[P].SE ,451999.19871109
[8] 刘峙嵘, 王旭, 韩国芹. 聚合磷硫酸铁的合成研究[J]. 工业水处理, 1999, 19(1):19-20.
[9] 付英, 于水利. 聚硅酸铁水解规律及混凝机理的探讨[J]. 环境科学, 2007, 28(1):113-114.
[10] 聂丽君. 无机高分子混凝剂聚硅硫酸盐的制备[J]. 茂名学院学报, 2005, 15(3):8-11.
[11] 卢素焕, 张振声. 新型混凝剂聚磷氯化铁的制备及性能研究[J]. 工业水处理, 1998, 18(4):24-26.
[12] 何锡辉, 朱红涛. 电解法制备聚合氯化铝的研究[J]. 四川大学学报(自然科学
版), 2006, 42(5):1088-1092.
[13] 张开仕, 曾凤春. 聚合硫酸铝生产工艺的研究[J]. 四川大学学报(自然科学版),
2005, 42(3): 562-566.
[14] 马晓梅, 樊民强, 薛绍武. 聚硅酸铝絮凝剂的制备和性能研究[J]. 无机盐工业,
2006, 38(3): 43-45.
[15]耿雅妮,张军,魏璐.两种铝盐混凝剂对不同原水最佳混凝效果研究[J].宝鸡文理学院学报(自然科学版),2016,36(02):53-57.DOI:10.13467/j.cnki.jbuns.2016.02.003.
[16] [1]李勐卓. 饮用水中残余溶解铝控制技术研究[D].长安大学,2020.DOI:10.26976/d.cnki.gchau.2020.001359.
[17] 杨忠莲, 高宝玉. 水体中残余铝的含量、组分、危害及控制研究进展[J]. 精细
化工, 2013,30 (4):412-419.
[18] J. A. Muñoz-Alegría; E. Muñoz-España; J. F. Flórez-Marulanda, “Dissolved Air Flotation: A Review from the Perspective of System Parameters and Uses in Wastewater Treatment”, TecnoLógicas, vol. 24, nro. 52, e2111, 2021.
[19] V. R. Fanaie; M. Khiadani; T. Ayres, “Effects of internal geometry on hydrodynamics of dissolved air flotation (DAF) tank: An experimental study using particle image velocimetry (PIV),” Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp., vol. 575, pp. 382-390, Aug. 2019.
[20] J. K. Edzwald, “Dissolved air flotation and me,” Water Res., vol. 44, no. 7, pp. 2077-2106, Apr. 2010.
[21] L. de S. Leite; M. T. Hoffmann; L. A. Daniel, “Coagulation and dissolved air flotation as a harvesting method for microalgae cultivated in wastewater,” J. Water Process Eng., vol. 32, p. 100947, Dec. 2019.
[22] N. Suwartha; D. Syamzida; C. R. Priadi; S. S. Moersidik; F. Ali, “Effect of size variation on microbubble mass transfer coefficient in flotation and aeration processes,” Heliyon, vol. 6, no. 4, p. e03748, Apr. 2020.
[23] V. R. Fanaie; M. Khiadani, “Effect of salinity on air dissolution, size distribution of microbubbles, and
hydrodynamics of a dissolved air flotation (DAF) system,” Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp., vol. 591, p. 124547, Apr. 2020.
[24]S. J. Gulden; C. Riedele; S. Rollié; M.-H. Kopf; H. Nirschl, “Online bubble size analysis in micro flotation,” Chem. Eng. Sci., vol. 185, pp. 168-181, Aug. 2018.
[25] J. Huang et al., “An investigation on the performance of a micro-scale Venturi bubble generator,” Chem. Eng. J., vol. 386, p. 120980, Apr. 2020.
[26] Z. Pourkarimi; B. Rezai; M. Noaparast, “Effective parameters on generation of nanobubbles by cavitation method for froth flotation applications,” Physicochem. Probl. Miner. Process, vol. 53, no. 2, pp. 920-942.
Aug. 2016.
[27]沈怡,王佳音,陈冠辉.溶气气浮技术在市政污水深度处理工程设计与应用[J].辽宁化工,2022,51(09):1253-1256.DOI:10.14029/j.cnki.issn1004-0935.2022.09.015.
[28] Ansari, S., Alavi, J. & Yaseen, Z.M. Performance of full-scale coagulation-flocculation/DAF as a pre-treatment technology for biodegradability enhancement of high strength wastepaper-recycling wastewater. Environ Sci Pollut Res 25, 33978–33991 (2018).
作者简介：付飞宇（1999-），男，安徽合肥人，硕士研究生，中国矿业大学环境与测绘学院在校学生，主要，从事水资源利用化和水处理。
