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CSOs污染特点及核心处理工艺的选择

  导 读
  CSOs 污水是以城市污水为本底,混有因降水而产生的径流污染,并因冲刷作用而携带管道底泥,具有非连续性、爆发性、随机性的污染特点;对水环境危害较大,将其进行截流并削减污染后再行排放已成为行业共识。CSOs 污水水质及核心处理工艺的选择是确保CSOs污染削减效果的关键。一级强化处理工艺因具备抗冲击负荷能力强、可间歇运行、启动迅速、表面水力负荷高、去除效率高、出水效果稳定、维护简单等特点,成为CSOs污水的主流处理工艺,对比分析了以投加微砂、磁粉和回流污泥作为絮凝核心对絮凝过程进行强化的一级强化处理工艺,在出水水质相同的情况下,加砂高速沉淀池水力负荷最高;普通高密度沉淀池的产水率及排泥浓度最高。
  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统,合流制排水系统内的污水流量超过截污流量时,超过排水系统负荷的雨污混合污水便会直接排入受纳水体,这被称为合流制管道溢流(Combined Sewer Overflows,简称 CSOs)。
  CSOs污水中含有大量的污染性物质:如有机物、N、P 等营养物质;重金属、氯代有机物、EDCs(环境内分泌干扰物质)、PPCPs(药物及个人护理品)等有毒有害物质;大量致病微生物。CSOs污水作为这些污染物质迁移的载体,若未经处理而直排水体,存在较大危害。CSOs中的污染物会引发水体缺氧、富营养化进而导致水生态环境失衡;微生物中各种致病菌的繁殖、随水体而传播将严重威胁城市居民的身体健康;污水中携带的颗粒污染物进入水体后会使水体浑浊,影响水体的城市功能和感观,破坏人与自然的和谐;因接纳CSOs污染还会导致受纳水体缓解城市热岛效应的作用被削弱,制约城市的可持续发展。
  2 CSOs污水的污染特点
  CSOs 污水主要由城市污水和降水组成;此外,CSOs 污水因冲刷作用还携有相当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、工业废水,其流量及水质相对稳定;②降水包含降雨、融雪,水量受天气影响,情况多变,存在很大的不确定性,水质由两部分组成,自身天然水质及径流携带的污染水质,自身天然水质相对稳定(与空气质量负相关),径流污染水质随降雨情况变化而变化;③管道底泥对CSOs污水的影响主要是增加污染物浓度,底泥的污染物浓度以及淤积量与降水频次及强度有很大关系。综上,CSOs 污水是以城市污水为本底,混有因降水而产生的径流污染,并因冲刷作用而携带管道底泥。因此,CSOs 污水的特点很大程度上取决于降水情况,故其污染具有非连续性、暴发性、随机性的特点,具体如下。
  2.1 随降雨特性不同而变化
  根据赵庆豪的研究可知,雨天合流制管道流量峰值与雨强峰值并非同时出现,管道流量峰值一般滞后于雨强峰值的主要原因是降雨经汇流进入管网以及管道内的输送都需要时间;雨天合流制污水污染物浓度峰值与管道流量峰值出现时间相差较小,几乎是同时出现;当降雨为小到中雨或大雨时,污染物浓度平均值随降雨总量的增加而增加,而当降雨为暴雨或大暴雨时,后期降水对污染物起稀释作用明显,导致后期污染物浓度较低,污染物平均浓度随降雨总量的增大而减小。
  因此,短时集中降雨特别是前峰雨,CSOs污染最为严重,而连续的中、低强度降雨特别是后峰雨,可充分发挥截流设施的截流效能,CSOs污染则较轻,见图1。
  
  图1 雨天CSOs污染物浓度曲线
  2.2 径流污染与底泥污染
  降雨期间,CSOs污水形成初期,污水流量不断变大,初期雨水冲刷携带地表大量污染物,同时管道中沉淀的底泥被带走,易产生污染物浓度高峰。随后由于径流量不断增大,溢流污水稀释作用大于污染效果,溢流污水的污染物浓度恢复至初始水平,这种现象被称作初期冲刷(first flush);降雨初期污染物浓度很高,通常是旱流污水的几倍之多,有时甚至可以达到旱流污水的几十倍。降雨径流污染中,56%±26%的悬浮物来自城市地表与雨水口的沉积物,44%±26%的悬浮物源于生活污水的沉积物。表1是北京城区雨水径流污染情况,其中区分了降雨初期径流污染水质与平均径流污染水质。
  表1 北京城区不同汇水面初期径流污染物浓度
  

  表2 北京城区不同汇水面平均径流污染物浓度
  
  根据美国EPA的研究,不同城市和地域间雨水径流水质的统计结果无明显区别。因此北京城区雨水径流污染水质具有一定的代表性,可以作为我国其他城市分析雨水径流污染时的参考。
  2.3 时间特性
  因为CSOs污染由降雨而触发,因而具有非连续性、间歇性的特点。
  3 CSOs污水的水质参考
  CSOs水质随城市降雨特性、居民生活习惯、城市气候、空气污染程度以及道路清洗频率等属地性因素不同而不同。目前,国内对其研究较少,未形成结论性成果。本文参考已有研究成果,列出了武汉、巢湖、上海三个城市的CSOs水质情况,作为选择CSOs污水处理工艺的参考。
  表3为武汉市喻家湖片区旱季污水及雨季时CSOs污水水质情况。
  表3 武汉市喻家湖片区旱季污水与CSOs污水水质对比
  
  表4为巢湖市中心城区某检测点处CSOs污水水质随降雨特征不同的水质变化情况。表5为其旱季污水及雨季时CSOs污水水质情况对比。
  表4 巢湖市中心城区CSOs污水水质情况
  

  表5 巢湖市中心城区旱季污水与CSOs污水水质对比
  
  表6为上海中心城区雨季时CSOs污水(旱流污水需污水泵站转输)的水质情况。一次降雨径流污染过程中水质、水量变化范围较大,采用污染物的流量加权平均浓度(Event Mean Concentration,EMC)能够更好地表征降雨事件的污染特点。
  表6 上海中心城区CSOs污水水质情况
  
  4 CSOs污水处理工艺的选择
  CSOs污水对水环境危害较大,对其进行处理,削减污染物以降低对环境的负面影响是全世界的共识。在发达国家,针对CSOs的治理,已经开发出很多成熟的技术及工艺。在德国,4 万个 CSO 处理系统中,42%均设置了沉淀池,SS 经过沉淀处理,去除率可达到55%~75%。
  4.1 工艺要求
  因CSOs的污水水量、水质变化范围较大,存在非连续性的特点,故需处理工艺具备抗冲击负荷能力强、间歇运行、启动迅速、表面水力负荷高、占地面积小、去除效率高、出水效果稳定、易于操作、维护简单等特点。针对上述要求,化学一级强化处理无疑是CSOs污水高效处理工艺的首选方案,其适应性强、投入产出比高,可以用相对较少的投入获得较大的处理效果。近年来,以投加微砂、磁粉和回流污泥作为絮凝核心对絮凝过程进行强化的一级强化处理工艺取得了良好的使用效果,它们都是通过改善絮凝阶段的絮凝体形成与分离特性,形成大而密实的絮凝体,进而获得较好的沉降效果。随着这些工艺的不断推广、应用,一级强化处理工艺已成为CSOs污水处理的核心工艺。本文仅对已成熟、稳定运行、应用广泛、商业化成功的处理工艺进行论证分析。
  4.2 高密度沉淀池(泥渣循环)
  高密度沉淀池以得利满(Degremont,苏伊士水务工程前身)开发的Densadeg工艺为典型代表。是一种带有污泥外部循环的改进型絮凝澄清池,是斜管澄清和污泥浓缩两种原理的结合,具有结构紧凑、易于封闭、对环境影响小、灵活、高效的优点。
  4.2.1 工艺系统简介及运行原理
  Densadeg高密度沉淀池由以下结构组成:
  ①快速混合区;
  ②机械絮凝区;
  ③水力絮凝区;
  ④沉淀池(90%的絮体被沉淀和浓缩而不会上浮至斜管区);
  ⑤斜管和上方的集水槽;
  ⑥污泥回流管(将浓缩污泥循环至絮凝区入口),见图2。
  
  注:图片来源于苏伊士水务工程公司。
  图2高密度沉淀池结构
  优化的絮凝机制,高密度沉淀池有两个连续的絮凝反应池(一个机械循环搅拌,一个水力低速推流),从而使絮凝时间及速度梯度分配更加合理。在这个系统中,高分子聚合物助凝剂分别在絮凝池和污泥循环进行两次投加,可以使絮体更加紧密而形成了一种更加适合高水力负荷的“自载体絮凝”,并且可以获得更高的浓缩污泥浓度,其污泥浓度超过了静态浓缩池的2倍。
  带有斜管的澄清浓缩池,此部分具有三个功能:
  ①使得大部分污泥产生受阻沉降:通过优化的絮凝机制而获得较大的絮体直径及较高的絮体密度,故可产生高的沉降速度使受阻沉降成为可能;
  ②斜管组件的深度处理功能:采用下游配水系统使斜管区的上升水流均衡稳定,避免了水流扰动带出残留絮体,可保持污泥层的整体性,均匀的过流速度还可以避免污泥局部上升,进而保证整个澄清集水区拥有相同的澄清水质;
  ③采用底部刮泥机和栅耙刮板进行污泥浓缩。
  污泥循环澄清,矾花在澄清池下部汇集成污泥并浓缩。浓缩区分为两层:上层位于排泥斗上部,为再循环污泥;下层位于排泥斗下部,为外排的剩余污泥。
  浓缩后的再循环污泥通过螺杆泵以较低的流速进行循环,以避免絮体破碎。回流污泥会增加表面接触面积加速絮体的形成和凝聚。当絮体体积约为机械絮凝区体积的10%时,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,所以其排放通常是间歇性的。
  4.2.2 工艺特点
  (1)产水量高,因池体内设有带浓缩功能的刮泥机,外排污泥的浓度较高,因而减少水量损失。
  (2)污泥浓缩同步完成,外排污泥浓度高(20~40g/L),可直接进行脱水,无需再进行浓缩,节省了污泥后续处理的投资及运行费用。
  (3)节约用地,Densadeg高性能沉淀池集絮凝、沉淀、浓缩于一体,结构紧凑,水力负荷高。
  (4)抗冲击负荷能力强,因为絮凝区污泥浓度主要依靠浓缩污泥的回流,而不是依赖于进水絮凝后的悬浮絮体,因此对原水的水质和水量的波动并不敏感。
  (5)削减污染效果显著,对TP、SS、COD、BOD5都有不错的去除效果。
  (6)污泥的回流促进了反应池中的混凝和絮凝反应,且回流污泥中会含有一些药剂成分,回流至絮凝区后,延长了泥渣和水的絮凝接触时间,使其可以再次得到利用,进一步减少药剂的投加,可比常规混凝沉淀工艺节省药剂10%~20%。
  4.2.3 工艺设计参数
  取值高密度沉淀池根据其不同的处理目标有不同的设计参数,本文总结了各种工程案例,给出用于CSO污水处理的主要设计参数(参数的选择相对保守),见表7。
  表7 高密度沉淀池用于CSO处理的主要设计参数
  
  由于原水水质的不同,高密度沉淀池设计采用的水力负荷(上升流速)差异很大。对于污水深度处理、污水初级处理及雨水处理上升流速与SS去除率的关系如图3所示。由于初期雨水各类污染物的可沉比例较高、有机物含量相对较低,同样处理污水的高密度沉淀池如用于处理雨水或合流污水,其设计上升流速可高些。
  
  图3 SS去除率与上升流速的关系
  4.3 加砂高速沉淀池(微砂循环)
  在普通高密度沉淀池的基础上,将泥渣循环改为微砂循环,形成了一种新型工艺—加砂高速沉淀池,以威立雅公司开发的Actiflor工艺为典型代表。该工艺通过投加微砂(粒径为100~150μm),使污染物在高分子絮凝剂的作用下与微砂聚合成大颗粒的易于沉淀的絮体,从而加快了污染物在沉淀池中的沉淀速度,又结合斜板沉淀的原理,大大减少了沉淀池的面积及沉淀时间,并能得到良好的出水效果。
  4.3.1 工艺系统简介及运行原理
  Actiflo高效沉淀工艺由混凝池、投加池、熟化池、斜管(板)沉淀池以及微砂循环和污泥排放系统组成。具体结构见图4。
  
  注:图片来源于威立雅水务工程公司。
  图4 Actiflor高效沉淀工艺流程
  ①混凝池:混凝剂投加在原水中,在快速搅拌器的作用下同污水快速混合,形成小的絮体然后进入絮凝池。
  ②投加池:微砂和混凝形成的小絮体在快速搅拌器的作用快速混合,并以微砂为核心形成密度更大、更重的絮体,以利于在沉淀池中的快速沉淀。
  ③熟化池(絮凝池):絮凝剂促使进入的小絮体通过吸附、电性中和和相互间的架桥作用形成更大的絮体,慢速搅拌器的作用既使药剂和絮体能够充分混合又不会破坏已形成的大絮体。
  ④斜板沉淀池:含砂絮体在斜管(板)沉淀池实现了高速沉淀,沉淀池上部水被集水槽收集,含有微砂的污泥沉淀于池底,由刮泥机收集至沉淀池底部中央的区域。
  ⑤微砂循环及污泥排放:沉淀池底部的污泥被微砂循环泵抽出,至水力旋流器进行泥砂分离。由于微砂与污泥的密度存在差异,因此在水力旋流器离心力的作用下,污泥与微砂分离。分离的微砂直接回用于投加池,实现微砂的重复利用。
  4.3.2 工艺特点
  (1)加砂高速沉淀池是将混合、絮凝、沉淀高度集成一体,占地面积少。由于其可以采用更高的水力负荷高,占地面积相较于其它高效沉淀池更有优势。

  (2)水力负荷高,由于以微砂为核心形成的絮体沉降速度快,在相同出水水质前提下,可以允许较高的水力负荷。
  (3)抗冲击负荷能力强,微砂循环能够保证池内具有较高的悬浮物浓度,接受进水悬浮物浓度的冲击能力强。
  (4)絮体沉降分离效果好,出水水质好,对TP、SS、COD、BOD5都有不错的去除效果。絮体沉降速度快,在进入斜板区时,大量絮体已沉降,斜板不需要经常冲洗。
  (5)重新启动时间短,短时间可满足稳定的出水水质。
  4.3.3 工艺设计参数取值
  加砂高速度沉淀池根据其不同的处理目标有不同的设计参数,本文总结了各种工程案例,给出用于CSO污水处理的主要设计参数(参数的选择相对保守),见表8。
  表8 加砂高速淀池用于CSO处理的主要设计参数
  
  具体的一些设计参数选择如下:
  (1)微砂回流比:回流比= 3%+(TSS/1 000)×7%(TSS为进水水质)。
  (2)搅拌功率:混凝池的搅拌器功率最大应达到150 W/m³,注射池70 W/m³,熟化池40 W/m³,且需变频控制。
  (3)微砂是Actiflo高效沉淀工艺的核心,通常要求微砂为圆形石英砂,其硅含量>95%,均匀系数(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础上,同步加入磁介质(磁粉相对密度为5.2,粒径较小),通过絮凝、吸附、架桥的作用将水中的微小悬浮物或不溶性污染物与粒径极小的磁性颗粒进行极有效率的结合,来增加絮体的体积和密度。从而加快絮体的沉降速度,有效降低了澄清池的水力停留时间并增大了其表面负荷。
  4.4.1 工艺系统简介及运行原理
  磁混凝高效沉淀池是在传统絮凝沉淀工艺的基础上增加了磁粉加载反应池、高剪切器以及磁分离器等设备。具体工艺流程如下(见图5和图6):
  
  图5 磁混凝高效沉淀工艺流程
  
  注:图片来源于安乐设备安装工程(上海)有限公司。
  图6 磁混凝高效沉淀工艺流程
  污水进入快速混合区并投加混凝剂,快混区内设有快速混合搅拌机,污水与混凝剂快速混合后进入磁介质混合区。在磁介质混合区内设置搅拌器,污水与补充磁介质及回收利用的磁介质充分混合后经底部进入絮凝反应区。絮凝反应区内投加絮凝剂,由絮凝搅拌机进行充分的絮凝反应后溢流到沉淀区。沉淀区上部设有斜管。
  充分絮凝的磁团混合体进入沉淀区,快速沉降在沉淀池底部,由刮泥机刮集至中心的污泥斗并分为二路,一路由回流泵提升至磁介质混合区,另一路由剩余污泥泵抽出并送至磁介质回收系统进行磁团剥离和磁介质回收,回收的磁介质再次进入磁介质混合区继续参与反应。剩余污泥则进入后续污泥处理系统。
  4.4.2 工艺特点
  (1)采用磁种作为载体构造磁絮团,技术稳定成熟。
  (2)对SS、TP去除效果好,同时还能去除大肠杆菌、非溶解性COD和藻类等。
  (3)污泥回流,使药剂能循环利用,有效降低运行成本。
  (4)耐冲击负荷能力强,对水质的冲击有独特的耐冲击能力。
  (5)磁絮凝设备的磁场强度难以提高,选择性差,往往存在不同的漏磁现象,造价及运行能耗相对较高,混凝剂一般要具有顺磁性,水温不能过低。
  4.4.3 工艺设计参数取值
  磁混凝高效沉淀池根据其不同的处理目标有不同的设计参数,本文总结了各种工程案例,给出用于CSO污水处理的主要设计参数(参数的选择相对保守),见表9。
  表9 磁混凝高效沉淀池用于CSO处理的主要设计参数
  
  5 小结
  CSOs作为城市污水、管道底泥、地表污染物迁移的载体,具有非连续性、爆发性、随机性的污染特点,若未经处理而直排水体,存在较大危害;对其进行处理,削减污染物后再行排放已成为行业共识,核心处理工艺的选择便是重中之重。综上分析,在出水水质相同的情况下,加砂高速沉淀池水力负荷最高;普通高密度沉淀池的产水率及排泥浓度最高。每种处理工艺都有自己的优缺点及适用性,设计时需要根据进、出水要求、用地面积、投资、运行成本、后期维护以及场地周围的环境需求等多种限制性条件进行综合比选,确定最为适宜的工艺方案。
  微信对原文有修改。原文标题:CSOs污染特点及核心处理工艺的选择;作者:孙巍;作者单位:中国市政工程中南设计研究总院有限公司。刊登在《给水排水》2021年增刊S1期。
  来源:给水排水