污水处理厂二级出水粉末活性炭深度处理试验

关永年，刘洪波，黄剑虹，徐 超，陈 勇

(1.苏州工业园区清源华衍水务有限公司，江苏苏州 215021；2.上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

随着我国国民经济的快速发展，工业化过程中产生了大量生化性差、难生物降解的废水，给城市污水处理厂的运行带来了新的挑战[1]。活性炭是一种多孔吸附材料，内部孔隙结构带来的高比表面积赋予其强大的吸附能力[2]，利用其吸附功能可以去除污水中的多种污染物，成为最常用的吸附剂[3-4]。因此，活性炭被广泛应用于多种工业废水和市政污水处理中[5-6]。活性炭可以与混凝剂联用以增强处理效果[7]，同时，还有一定助凝效果，有利于高效沉淀池的运行[8]。面对复杂多变的污水处理厂进水水质，混凝剂与粉末活性炭吸附功能存在重叠与互斥的现象[9]，导致很多污水处理厂实际应用时效果不理想。但也有学者在研究中发现，在预处理等情况下两者联用有较好的效果[10-11]，说明活性炭与混凝剂的联用技术仍有待研究。本研究进行粉末活性炭、聚合氯化铝(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)不同浓度联合投加试验，分析不同药剂组合对污染物去除的实际效果，进而确定粉末活性炭与混凝剂联合使用的最佳投加组合。

1 工程概况

苏州某污水处理厂设计能力为30万m3/d，污水处理厂出水水质主要指标执行苏州地方标准(“准IV类”标准)，设计进水、出水质如表1所示。

表1 设计进水出水指标

该厂二级处理采用改良型AAO工艺，深度处理采用高效沉淀池、V型滤池与次氯酸钠消毒工艺，目前基本处理于满负荷状态，运行状况良好。工艺流程如图1所示。

图1 污水处理厂工艺流程

该厂接纳的工业废水门类较多，工业企业排放的废水经过预处理后进入污水处理厂，工业废水中难免有一些难生物降解的有机物。根据抽样检测，该厂二沉池出水CODCr中难降解CODCr含量约为5～10 mg/L，TP中有机磷含量约为0.05～0.15 mg/L。难生化降解物质的存在给污水处理厂安全运行、稳定达标带来一定的风险。溶解性难降解CODCr和有机磷通过混凝、沉淀、过滤(滤布滤池、V型滤池、反硝化滤池等)工艺无法将其去除。因此，该厂在深度处理工艺中，设置向高效沉淀池进水端联合投加PAC、PAM和粉末活性炭的装置。

本试验以二沉池出水为水源，验证粉末活性炭与不同药剂组合的实际处理效果，为深度处理运行提供依据。该厂二沉池的实际出水色度均在10以下，本底值相对较低，使用粉末活性炭对其去除效果有限，因此，本试验重点研究粉末活性炭的投加对CODCr和TP的去除效果，不再分析对色度的去除作用。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料的选择

本试验选用山西某厂商生产的煤质粉末活性炭。通过检测，该活性炭的相关指标参考《煤质颗粒活性炭 净化水用煤质颗粒活性炭》(GB/T 7701.2—2008)标准，均符合标准要求，具体检测数据如表2所示。PAM选用国产某品牌阴离子，分子量约为1 700万，水解度约为26%；PAC选用污水处理厂常用的化学除磷药剂(氧化铝含量约为7.8%)，2种药剂均为常用药剂，详细参数不再赘述。

表2 粉末活性炭检测指标

2.2 试验方法

投加粉末活性炭和不同药剂(PAC、PAM)组合后，测试其CODCr、TP的去除效果；通过试验确定最佳的粉末活性炭、药剂组合以及相应的投加量。取7个1 L量杯，其中6个量杯分别标编号a、b、c、d、e、f，一个空白样，各取1 L二沉池出水。6支水样按不同浓度投加相应的粉末活性炭、粉末活性炭组合PAC、粉末活性炭组合PAM、粉末活性炭组合PAC与PAM混合液，放入六联搅拌器搅拌10 min后静置30 min，取上清液分析CODCr、TP，分析相应的变化趋势及污染物去除效果。根据文献资料研究，未经过改性的活性炭对氨氮、TN的去除有限[12-13]，因此，为分析方便，本试验重点是对CODCr和TP的去除效果分析，变化趋势图仅关注CODCr、TP的变化情况。

3 结果与讨论

3.1 投加粉末活性炭试验

试验各取1 L水样，分别放入7个1 L量杯中。6个有编号的量杯放入六联搅拌试验装置中，一个空白样作对比。此外，向六联装置中分别投加20、30、40、50、60、70 mg/L的粉末活性炭，并分别记为A、B、C、D、E、F批次。缓慢搅动10 min静置30 min后取上清液，分别测量CODCr和TP指标。测试结果如图2所示。

图2 投加粉末活性炭后水质指标变化

经上述试验发现，粉末活性炭投加对CODCr的去除有一定的效果。当粉末活性炭投加量为20 mg/L时，投加效果最好；投加量超过40 mg/L时，CODCr含量增多超过空白样；投加量进一步增加时，CODCr有下降趋势。这可能是过量投加的活性炭中有机物溶出所导致，同时也因为活粉末活性炭对污染物的去除有相应的吸附平衡浓度，达到这个平衡浓度后为去除率转折点，过了平衡点后去除率上升[14]。粉末活性炭投加对TP有一定的去除效果，但不明显。

3.2 投加粉末活性炭、PAC组合试验

各取7个1 L水样，向六联装置中分别投加A’、B’、C’、D’这4个批次的粉末活性炭，投加量分别为5、10、15、20 mg/L的粉末活性炭。每个批次向六联装置中分别投加5、10、15、20 mg/L的PAC。缓慢连续搅动10 min静置30 min后取上清液，测量CODCr和TP指标，测试结果如图3所示。

图3 投加粉末活性炭和PAC后水质指标变化

试验发现，粉末活性炭和PAC混合投加对CODCr有一定的去除作用，当粉末活性炭投加量为20 mg/L、PAC投加量为10 mg/L时，去除效果最好，投加量的变化对水样中CODCr去除不成线性关系；粉末活性炭和PAC组合投加，对TP均有一定的去除，当粉末活性炭投加量为15 mg/L、PAC投加量为20 mg/L时，对TP的去除效果最佳。

3.3 投加粉末活性炭、PAM组合试验

取7个水样，分别向六联装置中各投加A’、B’、C’、D’这4个批次的粉末活性炭，投加量分别为5、10、15、20 mg/L。每个批次向六联装置中分别投加0.5、1.0、1.5、2.0 mg/L的PAM粉末，缓慢连续搅动10 min，静置30 min后取上清液，分别测CODCr和TP指标，测试结果如图4所示。

图4 投加粉末活性炭、PAM后水质指标变化

试验发现，粉末活性炭和PAM联合投加，对CODCr均有一定去除，但效果不明显。粉末活性炭和PAM联合投加，对TP的去除有一定的效果，当粉末活性炭投加量为5 mg/L、PAM投加量为1.5 mg/L时，去除效果最好；粉末活性炭和PAM投加量的变化对水样中TP去除有较大的波动。

3.4 投加粉末活性炭组合PAM、PAC试验

各取7个1 L水样，分别向六联装置中各投加2.0 mg/L的PAM并搅拌均匀，再向六联装置中各投加A’、B’、C’、D’这4个批次的粉末活性炭，投加量分别为5、10、15、20 mg/L。每个批次向六联装置分别投加5、10、15、20 mg/L的PAC，缓慢连续搅动10 min,静置30 min后取上清液，分别测CODCr、TP含量，测试结果如图5所示。

图5 投加粉末活性炭组合PAM与PAC水质变化

经上述试验发现，粉末活性炭、PAM、PAC联合投加对CODCr有一定的去除作用，当粉末活性炭投加量为20 mg/L、PAM投加量为2.0 mg/L、PAC投加量为15 mg/L时，对CODCr的去除效果最好。粉末活性炭、PAM和PAC联合投加对TP均有明显的去除，当粉末活性炭投加量为20 mg/L、PAM投加量为2.0 mg/L、PAC投加量为20 mg/L时，对TP的去除效果最佳。

4 结论与建议

4.1 结论

(1)单独投加粉末活性炭时，对CODCr的去除有一定的效果，对TP的去除效果有限。

(2)粉末活性炭和PAC联合投加时，对CODCr和TP都有一定去除效果。当粉末活性炭投加量为20 mg/L、PAC投加量为10 mg/L时，对CODCr的去除效果最好；当粉末活性炭投加量为15 mg/L、PAC投加量为20 mg/L时，对TP的去除效果最佳。

(3)粉末活性炭和PAM联合投加，对CODCr的去除效果不明显，对TP去除有一定的效果。当投加量为粉末活性炭5 mg/L、PAM投加量为1.5 mg/L时，对TP的去除效果最佳。

(4)粉末活性炭、PAM和PAC联合投加对CODCr、TP均有一定的去除效果。当粉末活性炭投加量为20 mg/L、PAM投加量为2.0 mg/L、PAC投加量为15 mg/L时，对CODCr的去除率最高；当粉末活性炭投加量为20 mg/L、PAM投加量为2.0 mg/L、PAC投加量为20 mg/L时，对TP的去除效果最佳。

综上，对二沉池出水联合投加粉末活性炭、PAC及PAM，对CODCr、TP有一定的去除作用，兼顾CODCr和TP的去除效果，投加量为粉末活性炭20 mg/L、PAM 2.0 mg/L和PAC 15 mg/L时去除效果最佳。上述药剂组合的投加量，按目前市场价格测算，每吨水成本约为0.16元。此投加量组合作为污水处理厂深度处理应急投加，成本上可接受、经济上可行。粉末活性炭、PAC及PAM联合投加，在自来水原水异常过程中应急处理已得到广泛的应用，粉末活性炭投、PAC和PAM投加装置都是成熟的成套设备，上述试验结果具有应用的可行性。

4.2 建议

(1)试验的某污水处理厂二沉池前端进行了同步化学除磷，在二沉池进水口已投加PAC，投加量约为15 mg/L，因此，本试验的CODCr、TP的本底浓度相对较低，对试验结果分析可能有一定的影响，后续精准研究可停止同步化学除磷，提高本底值。

(2)由于时间有限，本试验未同步检测样品中溶解性难降解CODCr和有机磷的浓度，后续还需进一步检测相应浓度以及占比情况，对活性炭吸附作用进行进一步分析评估。

(3)因受到试验条件的限制，未进行与其他工艺的对比试验，试验结果也是在静态条件下做出，后续还需进一步改善试验条件、改进试验方案，对粉末活性炭的作用进行更加深入的研究。