微絮凝/盘式过滤器用于雨水回用处理的研究

Posted 2023-01-12 絮凝

篇首语：少壮不努力，老大徒伤悲。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了微絮凝/盘式过滤器用于雨水回用处理的研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

水资源匮乏已经成为人们目前面临的严重危机之一，水资源的供需矛盾日益突出，雨水的收集利用则是缓解这一问题的有效措施之一。建筑屋面的雨水经收集处理后可用于水质要求较低的城市杂用水，从而大大减少自来水的用量，节约宝贵的饮用水资源。微絮凝/盘式过滤器工艺用于雨水回用处理系统，对SS、浊度、TP和铁都有较好的处理效果。在试验水质条件下，PAC投加量为15mg/L时，微絮凝/盘式过滤工艺的出水水质基本满足回用水水质要求。
0 引言
我国尽管以28 000亿m3的水资源总量占世界排名的第六位，但人均占有量仅为2 250m3，为世界人均值的1/4，是世界上26个最缺水的国家之一。在建筑行业从施工、使用到维护的进程中，都会消耗大量的自然资源以及造成沉重的环境负面影响。因此，考虑利用初期弃流后的雨水经过常规处理，用于厕所冲洗、室外水景补水、绿化浇灌和道路冲洗等用途。
雨水常规处理工艺中的过滤工艺常选用内置石英砂、无烟煤等滤料的过滤器，这类设备体积比较大，滤速慢，反冲洗系统复杂、耗水量大，而且反冲洗不彻底，容易导致过滤器堵塞，运行维护比较麻烦。而盘式过滤器作为一种新型过滤器，早期被用于保护农业灌溉系统，后随着技术的成熟和发展，其应用领域也逐步拓展到了市政给水处理、市政废水处理、工业废水处理、工业用水处理、海水淡化等众多水处理领域。刘广容等对国内外的盘式过滤器进行测试，由于盘式过滤器盘片内含过水通道，水流无较大阻力，50μm精度过滤盘片的周期产水量约为0.66m3，100μm精度过滤盘片的周期产水量约为5.5m3。因此，相较叠式过滤器，盘式过滤器具有滤速快、占地面积小、自动化程度高、运行维护费用低的特点，可因地制宜地安装使用。同时，其盘片采用工程塑料材质，非常坚固，耐磨损、耐腐蚀，使用寿命长，经多年实际应用的验证，其过滤和反洗效果不会因使用时间久而明显衰减，故可考虑将其用于屋面雨水收集后的处理系统中。本文以走马塘河水模拟处理为对象，探讨微絮凝/盘式过滤器在雨水回用处理中应用的可能性和效果。
1 工作原理
盘式过滤器的过滤机理是原水进入盘片后，过滤盘片在弹簧力和水力的作用下被紧紧地压在一起，杂质颗粒被截留在盘片交叉点(如图1所示)，经过过滤的水从过滤器流出。其核心技术为盘片。过滤盘片的精度有20μm、50μm、100μm、200μm多种规格，过滤比大于85%。反冲洗时，由于完全打开的过滤孔隙以及离心喷射的共同作用，反洗过程只需20s左右，自耗水量约为0.25%。

2 试验装置和方法
2.1 试验用水水质
经过对上海市杨浦区走马塘河水水质的分析测定，可知河水与屋面径流雨水水质相近。因此，采用走马塘河水，对微絮凝/盘式过滤工艺的处理效果进行试验研究。上海地区斜坡瓦屋面和平顶水泥屋面两种不同类型屋面的雨水径流经初期弃流2mm后的水质平均值见表1。试验期间走马塘河水水质情况见表2。

2.2 试验取样方法
进水水样采集点为进水调节水箱，出水水样采集点为盘式过滤器的出水管位置。采集某一过滤周期的进、出水水样时，在同一周期内不同时刻共采集3次水样，取3次水样的等比例混合水样进行水质分析。本试验进水流量为10m3/h，过滤周期约为46min，过滤时间为45min，反冲洗时间为20s，每个周期的取样时间分别为15min、25min、35min时刻。每个工况点进行6次平行试验，取其平均值作为进出水浓度。
2.3 试验装置与工艺流程
微絮凝/盘式过滤处理工艺处理模拟雨水的工艺流程如图2所示。

2.4 盘式过滤器选择
针对不同的进水水质和过滤精度，其正常的产水量也是不同的。盘式过滤器的过滤精度越高，处理效果越好，因此在同样进水水质下，产水量相对降低。综合考虑进水水质、过滤精度、产水量等因素以及处理后主要用途为道路清扫、城市绿化浇灌，因此，本试验选择50μm精度过滤盘片。
2.5 试验药剂
微絮凝过滤是在原水中加入絮凝剂，经简易絮凝池或絮凝设备快速混合后形成粒径相近的微絮粒，即刻进行过滤的方式，一般用于处理微污染水源水。微絮凝过滤中不需要生成尺寸很大的絮体，故絮凝剂的投加量也显著减少，据估算可节省10%～30%的药剂。同时，由于微絮凝的絮凝时间较短，要求选用的絮凝剂应能快速发挥絮凝作用，且经过盘式过滤器时滤速较快，要求絮体颗粒的密实度高。
水处理中常用的铁盐混凝剂，例如三氯化铁(FeCl3.6H2O)、聚硫酸铁(PFS)等存在一定的返色、腐蚀问题。在混凝沉淀效果相当时，聚氯化铝(PAC)的投加量(以Al2O3计)能降低至硫酸铝的50%左右，且对原水pH的影响小，其制水成本也比采用硫酸铝时降低15%。因此，PAC具有适应性强、生成絮体快且密实、无毒、不会影响色度、可成倍提高效能且相对价廉等优点，可满足雨水处理工艺的要求。
本试验采用聚氯化铝(PAC)作为絮凝剂，其Al2O3含量≥28%。
2.6 分析项目及分析仪器
水样主要检测项目为水温、pH、悬浮性固体(SS)、浊度、总磷(TP)、重金属(Fe)，样品分析方法及所需分析仪器如表3所示。

由于经弃流后的雨水中氨氮、TN和TDS浓度本就比较低，故都符合《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)和《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T 18921-2002)中对冲厕、道路清扫、绿化浇灌和景观用水的水质要求。
3 结果与讨论
3.1 PAC投加量对SS去除效果的影响通过改变PAC的投加量分析微絮凝/盘式过滤工艺对原水中悬浮物去除效果变化趋势，如图3所示。在该工况下SS的去除率曲线均在投加量为15mg/L之前呈快速上升的态势，此后去除率曲线趋于平稳，随着PAC投加量的增加，SS的去除率保持缓慢增长，几乎没有变化。当PAC投加量大于15mg/L时，出水的SS去除率即可达到57.8%，出水的SS稳定在15.7mg/L以下。

投加PAC对SS有良好的去除效果，这是由于悬浮颗粒在投加絮凝剂之后脱稳，相互之间碰撞粘附形成的絮体颗粒同时也具有较强的吸附作用，流经盘式过滤器中的孔隙或通道时，通过吸附作用和筛滤作用被截留去除。
3.2 PAC投加量对浊度去除效果的影响
浊度的去除效果随PAC投加量的变化见图4。当PAC的投加量从0增加到15mg/L时，浊度去除率呈明显的上升趋势，投加量为15mg/L时，去除率达70.7%，出水浊度为9.9NTU。PAC投加量继续增加时，去除率曲线趋于平缓，当投加量为30mg/L时，浊度的去除率为84.1%，出水的浊度在6NTU以下。

通过投加一定量的PAC，微絮凝/盘式过滤工艺对浊度的去除效果较好。当不投加混凝剂时，盘式过滤器盘片间的通路无法截留粒径较小的颗粒，而这部分微小颗粒恰对浊度的形成有主要影响。而投加混凝剂后短时间内，部分絮体尚未充分长成，其颗粒小且未达到稳定状态，絮凝效果也并不会有明显提高。然而在盘式过滤器中，由于过滤通道的空间较小，增加了该部分微小絮体彼此间碰撞的机会，使得接触絮凝的作用发挥充分，同时通道空隙间易形成带活性絮体的网状结构，这使这部分微小胶体在失去稳定的条件下，易被吸附截留在通道内，使得浊度能有效去除。
3.3 PAC投加量对TP去除效果的影响
TP的去除效果随PAC投加量的变化趋势如图5所示。在该工况条件下，随着投加量的增加，微絮凝/盘式过滤工艺对TP的去除率呈明显的上升趋势，当PAC的投加量达到15mg/L时，TP的去除率达到55%。当PAC的投加量达到30mg/L时，去除率维持在70%以上。

磷是雨水径流中典型的富营养化物质，由于PAC溶于水后，形成聚合阳离子，易与磷酸根发生凝聚作用后形成絮体从而去除TP，而且，有小部分磷的化合物会吸附在颗粒上，TP随着SS的去除也同时会被去除一部分。
3.4 PAC投加量对铁去除效果的影响铁是天然水中常见矿物，所以铁也是雨水中常见的杂质。水的含铁量高会对水的色度产生影响，而且含铁量高的水容易促使铁细菌繁殖，加速管道腐蚀，宜对其进行去除。
铁的去除效果随PAC投加量的变化趋势如图6所示。在该工况下，当PAC投加量大于15mg/L后，对铁的去除率才有一个明显的去除，铁的去除率随PAC投加量的增加而明显提高。当PAC的投加量为15mg/L时，去除率为44.7%。

由于雨水中溶解氧充足，铁主要以Fe3+的形态存在，易形成氢氧化铁沉淀物或胶体，后再经盘式过滤器过滤，氢氧化铁沉淀物和胶体由于接触絮凝作用形成微小絮体会被吸附截留从而完成除铁过程。
3.5 PAC最佳投加量的确定
由上述试验结果可知，在该工况下，随着絮凝剂PAC投加量在一定范围内增加，微絮凝/盘式过滤工艺对SS、浊度、TP和铁的去除效果有显著的提高。但是，当絮凝剂投加过量时，胶体颗粒会出现“再稳"和“吸附架桥"的作用产生，反而会不利于胶体的快速絮凝，影响工艺对污染物的去除效果。同时，絮凝剂投加量过大也会导致反冲洗频率的增加，耗水耗能。综合多种因素考虑，根据试验结果确定：该工况下，微絮凝/盘式过滤工艺中絮凝剂PAC的最佳投加量为15mg/L，对SS、浊度、TP和铁的去除率分别为57.8%、70.7%、55%和44.7%。
3.6 微絮凝/盘式过滤工艺出水水质
在该工况条件下，PAC投加量为15mg/L时，采用微絮凝/盘式过滤工艺处理模拟雨水的出水水质情况见表4，表中同时列出了回用水水质标准。从表4中的对比数据可知，冲厕、道路清扫和绿化浇灌对回用水SS并未作出详细要求；根据《建筑与小区雨水利用工程技术规范》(GB 50400-2006)，雨水回用水用于景观水景的SS应为10mg/L，略有超标。出水浊度基本符合道路清扫和绿化浇灌等用水的要求，但未达到冲厕用水的水质要求。实际应用中，微絮凝/盘式过滤工艺位于雨水储存池后，处理工艺的进水已经经过初期弃流及自然沉淀，进水中的SS和浊度均低于屋面雨水径流及模拟雨水中的SS和浊度。

通过对屋面雨水水质的分析研究表明，雨水中锰的含量很低，通常≤0.1mg/L，故屋面雨水经微絮凝/盘式过滤工艺处理后可满足回用水水质要求。
微絮凝/盘式过滤工艺适用于道路冲洗、绿化等用途。对于冲厕和景观用水，可以在考虑调蓄池的沉淀作用后进行综合考虑利用。当然有些情况下，在采取其他手段、技术的前提下，可无需沉淀作用，便能保证出水符合安全规范。就目前在建的上海中心大厦，其塔楼和裙楼屋面均为夹胶玻璃材质，雨水收集系统设有初期雨水弃流装置，所收集的屋面雨水水质与瓦屋面和水泥屋面的雨水水质相近，水质相对较好。同时考虑到雨水处理站均位于设备(避难)层(66层及B5层)，空间位置紧张，因此通过微絮凝/盘式过滤工艺的处理，可将处理后达标的雨水作为回用水的一部分进一步运用于冲厕和景观用水。故针对不同的水质条件以及工程情况，需结合实际条件，进行模拟等方式，以选组最佳的工艺组合，保证供水安全。
4.结语
(1)在模拟雨水水质条件下，对微絮凝/盘式过滤工艺进行絮凝剂最佳投加量试验，结合经济性及工艺运行效能考虑，试验条件下，PAC的最佳投加量确定为15mg/L。
(2)微絮凝/盘式过滤工艺对SS、浊度、TP和铁有较好的处理效果，其出水水质基本符合《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)和《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T18921-2002)的要求。而雨水原水水质中氨氮、TN、TDS和锰的含量本就偏低，也基本符合上述要求。
(3)盘式过滤器的精度有多种规格，综合考虑进水水质、过滤精度、产水量等因素以及处理后主要用途为道路清扫、城市绿化浇灌，因此，本试验采用50μm的盘片进行过滤。需要再考虑其他盘片的精度及絮凝时间对微絮凝/盘式过滤工艺处理效果的影响。
(4)试验原水采用河水作为模拟雨水，其水质情况与实际需处理的雨水水质相比存在偏差。一般情况下，上海地区经过弃流的雨水原水水质会好于模拟的河道水水质，但也需实地监测其处理效果，根据实际情况进一步调整和完善工艺参数。