活性炭是一種多孔、疏水性吸附劑，對(duì)水中有機(jī)物有較強(qiáng)的吸附作用，可用于去除表面活性物質(zhì)、酚類、染料、農(nóng)藥、重金屬等污染物。因此，粉末活性炭經(jīng)常投加到自來(lái)水廠及污水處理廠混合反應(yīng)池中進(jìn)行吸附反應(yīng)，并通過后續(xù)沉淀分離隨污泥排出，實(shí)現(xiàn)去除有機(jī)物和色度等凈水目標(biāo)。因粉末活性炭?jī)r(jià)格高、產(chǎn)泥量大，一直以來(lái)，如何提升其吸附容量是設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)。
1、項(xiàng)目概況
某市政污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為8×104m3/d，實(shí)際平均進(jìn)水量為5.4×104m3/d，采用交替式A2/O為主體工藝，工藝流程：粗格柵及進(jìn)水泵房→細(xì)格柵及旋流沉砂池→配水井→水解池→初沉池→交替式A2/O池→二沉池→機(jī)械攪拌澄清池→纖維轉(zhuǎn)盤濾池→紫外線消毒→外排泵房。原進(jìn)水以市政生活污水為主，并含有少量工業(yè)廢水，處理目標(biāo)為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。該污水處理廠實(shí)際運(yùn)行良好，出水能夠達(dá)標(biāo)排放，近兩年平均出水COD為31mg/L，TN為11mg/L，TP為0.3mg/L。
為切實(shí)加快印染產(chǎn)業(yè)發(fā)展，減小無(wú)序發(fā)展對(duì)環(huán)境造成的污染破壞，當(dāng)?shù)卣M織推動(dòng)對(duì)印染產(chǎn)業(yè)整合集聚提升，將全市印染企業(yè)搬遷至印染工業(yè)園。印染廢水經(jīng)園區(qū)污水廠集中預(yù)處理，工藝流程：格柵撈毛機(jī)→曝氣沉砂池→初沉池→冷卻池→水解池→A2/O池→二沉池→磁混凝沉淀池→臭氧催化氧化池→外排至市政污水處理廠。印染工業(yè)園區(qū)污水處理廠出水執(zhí)行《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB4287—2012）及其修改單中表2間接排放標(biāo)準(zhǔn)。
印染廢水總量為2×104m3/d，其設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)見表1。
印染廢水色度大，有機(jī)物含量高，成分復(fù)雜，致畸、致癌物較多，屬于難生物降解的有毒廢水。經(jīng)過印染工業(yè)園預(yù)處理后排放的廢水（已經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的水解酸化、二級(jí)生化甚至強(qiáng)氧化處理），雖然SS、氮、磷污染物負(fù)荷不高，但是可生化性極差，以溶解性不可生物降解的COD為主。對(duì)印染廢水進(jìn)行為期3個(gè)月的實(shí)測(cè)，進(jìn)水COD平均為187mg/L、NH3-N為9.99mg/L、TN為18.26mg/L、TP為0.62mg/L。通過GC-MS分析，發(fā)現(xiàn)原水中有機(jī)物除了苯酚類外，還有硝基芳香羧酸、長(zhǎng)碳酮酸化合物，不少有機(jī)物具有硝基、酰胺基、磺酰胺基等發(fā)色基團(tuán)，以及羥基、—OR、—NRz等基團(tuán)。因此，溶解性不可生物降解COD是本工程的重點(diǎn)去除污染物。
印染廢水經(jīng)預(yù)處理后采用專管輸送進(jìn)入該市政污水處理廠。為確保印染廢水進(jìn)廠后能夠處理達(dá)標(biāo)，需對(duì)市政污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)改造。提標(biāo)改造后COD、NH3-N、TN及TP執(zhí)行浙江省《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB33/2169—2018），其余指標(biāo)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，即：COD≤40mg/L，BOD5≤10mg/L，SS≤10mg/L，色度≤30倍，NH3-N≤2（4）mg/L，TN≤12（15）mg/L，TP≤0.3mg/L，pH為6~9。
2、工藝流程
經(jīng)預(yù)處理的印染工業(yè)園區(qū)廢水進(jìn)入本項(xiàng)目后，工業(yè)廢水占比及實(shí)際處理水量同時(shí)增加，現(xiàn)有的處理工藝對(duì)有機(jī)物處理效果不理想，色度也時(shí)常超標(biāo)。對(duì)溶解性有機(jī)物的去除通常有物理吸附和強(qiáng)氧化兩種途徑。一方面，印染工業(yè)園對(duì)廢水的預(yù)處理已經(jīng)有強(qiáng)氧化措施；另一方面，強(qiáng)氧化處理需要增加工程用地及電力負(fù)荷。本項(xiàng)目廠內(nèi)沒有擴(kuò)建大型構(gòu)筑物的場(chǎng)地，周邊也無(wú)地可征，且沒有條件再進(jìn)行大負(fù)荷電力增容，因此，擬通過提高現(xiàn)有處理構(gòu)筑物的處理效率進(jìn)行提標(biāo)改造，其中包括投加粉末活性炭進(jìn)行物理吸附。
影響活性炭吸附的因素有：吸附劑與吸附質(zhì)的性質(zhì)、廢水的pH、水溫和接觸時(shí)間，而接觸時(shí)間又取決于吸附速率。吸附質(zhì)的性質(zhì)是進(jìn)水水質(zhì)固有的因素，難以改變；活性炭吸附過程以物理吸附為主，主要是放熱反應(yīng)，因此水溫升高吸附容量下降，水溫降低吸附容量增加。本工程冬季平均水溫為15.5℃，夏季平均水溫為25.6℃，進(jìn)水水溫理論上可以通過冷卻塔等方式下調(diào)，但由于工程規(guī)模大，冷卻不具備經(jīng)濟(jì)可行性，因此，優(yōu)選吸附劑、提高吸附速率、調(diào)整適宜的pH、延長(zhǎng)接觸時(shí)間是提升活性炭吸附容量的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。
周玲等采用椰殼、煤質(zhì)、柱狀、果殼和粉末活性炭對(duì)印染廢水進(jìn)行吸附試驗(yàn)，結(jié)果表明粉末活性炭的吸附效能更強(qiáng)，對(duì)COD的去除效果更好。從經(jīng)濟(jì)性和吸附性能兩個(gè)方面考慮，本工程采用平均粒徑為10~50μm的粉末活性炭。
目前活性炭吸附常用工藝是接觸吸附-沉淀工藝，在混凝沉淀池之前設(shè)置活性炭混合接觸池進(jìn)行吸附，經(jīng)混凝沉淀后隨污泥排出。該工藝的特點(diǎn)是附加投資低、運(yùn)行成本高，因此通常作為水處理應(yīng)急措施使用。粉末活性炭吸附應(yīng)用于常規(guī)污水廠的接觸吸附-沉淀工藝時(shí)，出于工程經(jīng)濟(jì)性考慮，吸附時(shí)間一般僅20~30min，通常遠(yuǎn)低于粉末活性炭達(dá)到吸附平衡所需的時(shí)間。中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院在多個(gè)工業(yè)廢水深度處理項(xiàng)目的中試表明，采用接觸吸附-沉淀工藝對(duì)二沉池出水進(jìn)行活性炭吸附，去除10mg/L的COD需消耗50~100mg/L的粉末活性炭，活性炭投加量與COD的去除比例為（5~10）∶1，運(yùn)行成本很高。
袁煦等以中置式高密度沉淀池為載體，向池內(nèi)投加粉末活性炭，利用污泥回流系統(tǒng)對(duì)粉末活性炭進(jìn)行富集和回用，顯著提升了活性炭對(duì)江河原水CODMn的去除效果。蘇州某工業(yè)園區(qū)污水深度處理工段以磁混凝沉淀池為載體，污泥回流比為5%，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，將COD由60mg/L降至40mg/L，需要投加100mg/L粉末活性炭，投加去除比為5∶1。上述案例表明，污泥回流有助于提升粉末活性炭的吸附效率。
《得利滿水處理手冊(cè)》指出，污泥循環(huán)澄清池或懸浮污泥床澄清池能有效延長(zhǎng)炭水接觸時(shí)間，并使炭吸附接近或達(dá)到平衡飽和量，充分發(fā)揮活性炭的吸附能力。理論上，COD去除率要求越高，去除單位COD的活性炭消耗量越大。該公司通過對(duì)污水處理廠二級(jí)出水進(jìn)行試驗(yàn)并繪制吸附等溫曲線（見圖1），試驗(yàn)時(shí)水溫在20℃上下波動(dòng)。進(jìn)水COD為35~40mg/L、COD去除率<50%、最終出水COD≥20mg/L時(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。投加10~60mg/L的活性炭，可去除10~30mg/L的COD。
上向流炭吸附澄清池屬于懸浮污泥床澄清池，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，天津某開發(fā)區(qū)污水處理廠應(yīng)用上向流炭吸附澄清池對(duì)二級(jí)出水進(jìn)行深度處理，出水COD≤40mg/L，去除20mg/L的COD時(shí)粉末活性炭投加量?jī)H為40mg/L，實(shí)際數(shù)據(jù)與圖1較為接近。
本項(xiàng)目現(xiàn)狀工藝流程中的機(jī)械攪拌澄清池屬于污泥循環(huán)澄清池，向澄清池進(jìn)水中投加粉末活性炭，可形成炭吸附機(jī)械攪拌澄清池。在充分調(diào)研并經(jīng)工藝提升模擬試驗(yàn)后，最終確定本項(xiàng)目工藝技術(shù)路線如下：印染廢水→水解酸化→（與經(jīng)過預(yù)處理的市政污水混合）MBBR生物池→二沉池→炭吸附機(jī)械攪拌澄清池→纖維轉(zhuǎn)盤濾池→紫外線消毒→外排泵房。
上述流程中，MBBR生物池及炭吸附機(jī)械攪拌澄清池是改造構(gòu)筑物，其余均為現(xiàn)狀構(gòu)筑物。
排入該污水處理廠的印染廢水占比約25%。印染產(chǎn)業(yè)園內(nèi)最后一道工藝為臭氧催化氧化，對(duì)大分子有機(jī)物有解環(huán)斷鏈作用。因此，首先對(duì)解環(huán)斷鏈后的印染廢水單獨(dú)進(jìn)行水解酸化，以提升廢水可生化性。經(jīng)水解酸化后，與市政污水混合進(jìn)入由現(xiàn)狀生物池改造的MBBR生物池，充分發(fā)揮生物降解作用，降低運(yùn)行成本。水解酸化水力停留時(shí)間為23.7h，MBBR生物池水力停留時(shí)間為22.5h。
經(jīng)過預(yù)處理和二級(jí)處理后，污水進(jìn)入炭吸附機(jī)械攪拌澄清池，出水進(jìn)入后續(xù)纖維轉(zhuǎn)盤濾池。
炭吸附機(jī)械攪拌澄清池設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)見表2。
經(jīng)化驗(yàn)，進(jìn)入炭吸附澄清池的難降解COD，其代表組分為苯胺、丙烯酸酯聚合物、聚二甲苯、有機(jī)硅高分子等，其共同特性是分子鏈長(zhǎng)、化學(xué)鍵比較穩(wěn)定。
3、主要設(shè)計(jì)參數(shù)
對(duì)機(jī)械攪拌澄清池進(jìn)行改造，投加粉末活性炭，形成炭吸附機(jī)械攪拌澄清池。該澄清池屬于污泥循環(huán)澄清池，集絮凝、沉淀、澄清與吸附功能為一體，能夠在第一反應(yīng)區(qū)形成濃度高達(dá)50g/L的活性炭懸浮污泥層，以及1h以上的接觸時(shí)間，這是充分發(fā)揮粉末活性炭吸附功能的關(guān)鍵。同時(shí)，協(xié)同絮凝劑和助凝劑投加，在澄清池分離區(qū)設(shè)置斜管，能夠有效解決粉末活性炭沉降困難的問題。
該污水處理廠有3座機(jī)械攪拌澄清池，為正方形池，邊長(zhǎng)19m，水深6.9m，單池設(shè)計(jì)流量26667m3/d。主要改造內(nèi)容有：因粉末活性炭沉降難度大，為提升澄清池的沉降性能，改造工程在導(dǎo)流室增加導(dǎo)流板，在分離室增加斜管；為提高第一反應(yīng)室的懸浮污泥層污泥濃度，確保攪拌和刮泥機(jī)能夠正常運(yùn)行，更換并加大機(jī)械攪拌和刮泥機(jī)的電機(jī)功率；投加粉末活性炭將導(dǎo)致排泥量大幅增加，因此更換了排泥泵，增大其排泥能力，并將螺桿泵改為轉(zhuǎn)子泵，以降低機(jī)械磨損對(duì)排泥泵的損耗，降低檢修頻次。
改造后主要設(shè)備配置見表3，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。
該污水處理廠原有聚合硫酸鐵、PAM、硫酸和氫氧化鈉投加裝置各1套。改造工程增設(shè)1套粉末活性炭投加裝置。
加藥設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表5。
4、主要運(yùn)行參數(shù)及效果
通常酸性溶液中活性炭的吸附率比在堿性溶液中高，本工程工業(yè)廢水為印染廢水，偏堿性，進(jìn)水pH為8.1~8.9，因此在進(jìn)入炭吸附沉淀池之前調(diào)整pH至中性。
炭吸附機(jī)械攪拌澄清池排泥不及時(shí)可能導(dǎo)致水質(zhì)不合格，排泥量過大又可能導(dǎo)致活性炭吸附容量利用不充分，因此，合理的排泥是炭吸附機(jī)械攪拌澄清池關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)之一。根據(jù)澄清池工作原理，排出泥量等于生成泥量，以保持懸浮污泥層相對(duì)穩(wěn)定為運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。本工程以流量為基礎(chǔ)，并以污泥沉降比試驗(yàn)結(jié)果為參照，每運(yùn)行0.5h排泥一次，每次排泥時(shí)長(zhǎng)50s。
經(jīng)過3個(gè)月的運(yùn)行調(diào)試，炭吸附機(jī)械攪拌澄清池滿負(fù)荷運(yùn)行并趨于穩(wěn)定。粉末活性炭平均投加量為62mg/L，COD平均去除23mg/L，活性炭投加與COD去除比為2.7，平均去除10mg/L的COD消耗27mg/L粉末活性炭。從2021年至今，粉末活性炭實(shí)際投加量62mg/L，聚合硫酸鐵實(shí)際投加量30mg/L，PAM投加量1mg/L，第一反應(yīng)區(qū)污泥濃度48g/L，排泥量220t/d，排泥含水率95%，可見，主要運(yùn)行參數(shù)未偏離設(shè)計(jì)正常范圍。實(shí)際進(jìn)、出水水質(zhì)見表6。
改造后，對(duì)SS和總磷的去除率未有明顯變化；印染廢水進(jìn)廠后澄清池進(jìn)水色度提升，出水色度未有明顯變化。
改造后增加的費(fèi)用：工程直接投資41元/m3，藥劑費(fèi)0.465元/m3，污泥處置費(fèi)0.1元/m3。
5、結(jié)語(yǔ)
通過對(duì)現(xiàn)有機(jī)械攪拌澄清池進(jìn)行改造，并投加粉末活性炭，形成能夠同時(shí)去除溶解性難降解有機(jī)物、色度和SS的炭吸附機(jī)械攪拌澄清池，縮短了深度處理的工藝流程，節(jié)約用地，節(jié)省投資。與常規(guī)接觸吸附-沉淀工藝相比，活性炭使用量降低40%以上，有效降低了藥劑成本及污泥處理處置費(fèi)用。
炭吸附機(jī)械攪拌澄清池應(yīng)用于污水深度處理，流程短、投資省、成本低，為發(fā)揮粉末活性炭吸附功能提供了更有效的途徑，實(shí)現(xiàn)了其從應(yīng)急投加向常規(guī)處理應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。（來(lái)源：中國(guó)聯(lián)合工程有限公司）
