1給水處理工藝的比較、啟示及其困惑

1.1自來水廠凈水工程簡介

現代自來水廠處理工藝是隨著工業文明的到來和現代城市的產生而同步產生的，所以，其發展歷史遠遠地超過城市污水廠。而且自來水廠處理工藝一經產生，就萬變不離其宗，并且今后將仍然持續有效。自來水廠的水源主要為天然水體，水處理的目的是去除水體中的膠體顆粒與控制水體中的細菌、致病菌和其他微生物。自來水廠的處理工藝包括處理單元、清水池和二級泵站等設施。凈水工程設施的功能是將原水凈化處理成符合城市用水水質標準的凈水，并通過二級泵站加壓輸入城市供水管網。

1.2污水廠二級生化處理工藝介紹

城市污水中含有懸浮物、膠體、有機物、致病菌和工業生產中的有毒有害物質，目前，污水處理的方法也多種多樣，通常將其分為：一級處理方法、二級處理方法和三級處理方法。我國城市污水廠已經逐步普及了二級處理工藝。上述工藝也是全球公認的典型的城市污水處理工藝。所以，如果想進一步改善污水廠尾水水質，只有在二級沉淀池后，增加處理設施和處理單元。

1.3比較和啟示

通過比較自來水廠處理工藝，可以看出，在污水沉淀處理工藝后，最佳后續單元應該是過濾處理工藝。

1.4污水廠尾水過濾處理的困境

（1）污水中懸浮顆粒濃度高自來水沉淀池出水中，懸浮物顆粒是絮凝反應后的粘土類顆粒物，粒徑較小、強度很低，進入粒徑0.6-1.5毫米的濾料顆粒濾池（如自來水廠的石英砂濾池）后，水中的顆粒物能夠深入濾料層20-40毫米以上，實現濾料的深層過濾，濾料層不會形成表層過濾，有助于發揮深層濾料的過濾作用，提高過濾周期，降低濾料層反沖洗頻率。并且沉淀池出水中的懸浮顆粒濃度通常不超過10-20mg/L，所以，自來水廠過濾池的運行周期一般可以達到12-24小時以上。和自來水處理工藝不同的是，污水廠二級沉淀池出水中，懸浮物濃度通常高達30-50mg/L左右，而石英砂濾床等傳統濾料的濾層空隙率較低，濾料層的截污能力低，是縮短過濾周期的一個因素。

（2）污水中懸浮顆粒粒徑大、強度高污水處理工藝中，二沉池去除的懸浮顆粒未經過混凝反應，而且水體中或懸浮顆粒自身常常帶有氣泡，所以，即使粒徑達3-5毫米的懸浮顆粒，也很容易隨著水流上浮而流出沉淀池。這些懸浮顆粒多為脫落的生物膜或活性污泥顆粒物，強度較大，不能借助過濾水流的剪切作用而深入濾床。

（3）傳統濾料過濾污水周期短、反沖洗耗水量大當人們采用石英砂過濾方法處理二沉池尾水時，很容易導致濾料表層的堵塞而形成表層過濾，過濾周期只有幾十min，過濾池的反沖洗水量占過濾水量的比例高達1/3到1/2左右。即使人們努力通過改進顆粒濾料工藝，如采用升流式濾床過濾、無煙煤-石英砂雙層濾料過濾、陶粒濾料過濾等，也只能些微地延長過濾周期，而根本無法達到實用效果。

（4）污水過濾對濾料的基本要求擺在污水處理研究工作者面前的最基本的任務是，尋找適宜的污水過濾技術，改進污水處理廠尾水水質。污水過濾濾層應該具有濾料空隙率高、濾料層孔徑大，便于污水中的懸浮顆粒深入濾料層內部，發揮深層濾料的過濾作用，延長過濾周期，降低濾池的反沖洗頻率和反沖洗周期，使污水過濾實用化。

2纖維球濾料的結構特征

纖維球過濾技術最早是日本于上世紀80年發表明的技術，并且經過我國水處理和廢水處理專家幾十年努力改進的、不斷發展的處理技術。主要產品有剛性纖維球和彈性纖維球等類型。其技術參數特征為：

2.1濾料層空隙率高

纖維球濾料層空隙率高達95%左右，過濾起始階段，濾料層空隙率甚至高達98%左右；而傳統石英砂濾料層空隙率只有41%左右，即使多孔隙性的陶粒濾料，其濾料層的空隙率也只有70%，況且每個陶粒的核內空隙和過度細小的空隙根本無法發揮過濾截流作用）。所以，和傳統濾料相比，纖維球濾料層的空隙率占有絕對優勢。

2.2濾料層空隙大，便于發揮深層濾料的過濾作用

傳統石英砂濾料的粒徑只有0.5-1.2毫米，濾料層的孔隙直徑0.3-0.5毫米，甚至更低。即使陶粒濾料或無煙煤濾料，濾層孔隙直徑一般也不超過1毫米。而纖維球濾料的粒徑一般達30-50毫米，濾料層的孔隙直徑高達10-30毫米。為懸浮顆粒深入濾料層創造了條件。

2.3濾料層空隙分布合理

傳統濾料層都是粒徑粗細不等顆粒組成的，在濾料層反沖洗過程中，很自然地將細小顆粒濾料沖洗到濾池上方甚至沖出池外，由此，形成了上層細小、下層粗大的濾層結構，即反粒徑分布結構。而纖維球則是人為加工的濾料，濾料粒徑大小一致，所以，反沖洗后，上下層濾料的粒徑也是均勻一致的。不僅如此，由于彈性纖維球濾料具有可壓縮性，當進行過濾時，濾料層受到過濾阻力以及自身重力、截流的懸浮顆粒的重力等作用，濾料層受到垂直向下的壓力，并且這種壓力從上到下而逐漸增大，使得彈性纖維球濾料層從上到下的壓縮程度也逐漸增大，結果，濾料層空隙率從上到下逐漸減少，即和傳統濾料層的反粒徑分布特征正好相反，這也是纖維球濾料能夠發揮深層過濾作用的另一重要原因。

2.4濾料層比表面積大，吸附能力強

石英砂濾料層的比表面積通常約300—400m2/m3，即使濾粒自身帶孔隙的陶粒濾料層，比表面積也只有600—700m2/m3，而纖維球濾料層的比表面積高達3000—10000m2/m3。纖維球濾料通常為聚酯纖維等材料制成，對于污水中的活性污泥或生物膜顆粒，具有很強的吸附能力，即使在高速過濾狀態，也能夠將懸浮顆粒截流在濾層中，保證良好的過濾出水水質。

3纖維球濾料的過濾運行特征

3.1濾料層過濾阻力小

正是由于纖維球濾料層的高空隙率、大孔徑特征，濾料層過濾阻力很小。如反沖洗結束后，纖維球濾料層的起始過濾阻力只有0.02-0.03米的水頭損失，而石英砂濾料層的起始過濾阻力達到0.15-0.2米的水頭損失。

3.2過濾濾速高

由于傳統濾料過濾的阻力較大，所以，過濾速度受到限制，通常濾速不超過10-15m/h，否則，濾層阻力將迅速增加，達到過濾阻力極限值，不得不頻繁地進行反沖洗。此外，傳統濾料層的空隙結構分布不合理，一旦水體中的懸浮顆粒隨著高速水流深入到濾料層內部，又很容易導致濾料層的穿透，這也是傳統濾料層無法進行高速過濾的原因。纖維球濾料過濾阻力小，即使濾速高達30-40米，過濾阻力的增長速度仍然較緩慢，不會因阻力的迅速上升而中止過濾。而且，纖維球濾料層下層的空隙率小、孔徑小、比表面積大，即使懸浮顆粒隨著高速水流深入到濾料層內部，也能夠通過底層細密濾料層的有效截流，防止濾料層穿透。當然，整個纖維球濾料層的高比表面積以及纖維球的高吸附能力，也是防止濾料層穿透的有效手段，同樣也是纖維球高速過濾的保證。

3.3濾料層截污能力強

由于纖維球濾料層的高空隙率，以及纖維球濾料深層濾料層的空隙分布特征，使得纖維球濾料層的截污能力大大提高。給水過濾同步比較實驗表明，傳統石英砂濾料的截污能力一般不超過1-2kg/m3，而纖維球濾料層的截污能力高達3-5kg/m3；污水過濾同步實驗表明，石英砂濾料層因為表層濾料空隙的迅速堵塞，截污能力反而下降到0.1-0.2kg/m3，當纖維球濾料過濾廢水時，恰恰因為大顆粒懸浮物在濾料層表面的截流，更加充分地發揮了濾料層內部的截流作用，使得纖維球濾料層的截污能力進一步提高到5-10kg/m3。

3.4過濾周期長

由于纖維球濾料層的截污能力強，所以，過濾周期顯著提高。在同等濾速過濾給水時，纖維球過濾的周期至少是石英砂濾料的3-4倍；在同等濾速過濾污水時，石英砂濾料的周期甚至只有10-20min，而纖維球過濾至少達8小時以上。即纖維球過濾污水的周期甚至是石英砂濾料的50倍以上。由于不需要頻繁地進行反沖洗，所以，纖維球過濾運行非常便捷穩定，并且可以減少工作量。

3.5節省反沖洗水量

纖維球過濾過濾周期長，反沖洗頻率低，是節省反沖洗水量的一個原因。纖維球過濾可以進行氣、水同時反沖洗，通過氣體的強烈攪動作用使懸浮顆粒脫離濾料表面進入水體，隨著反沖洗水而流出濾池，從而節省大量的反沖洗水量。由于纖維球過濾池上方設有多孔板，能夠防止濾料隨著反沖洗水流失，所以，反沖洗的氣體強度和水流強度都不需要嚴格控制，并且能夠同時進行氣水反沖洗，操作簡便。傳統濾料的粒徑很小，不能夠通過多孔板防止反沖洗狀態的濾料流失，所以，不能進行氣水同時反沖洗。即使進行氣體輔助沖洗，也必須先氣體攪動、后水流沖洗，操作不便，也不便于節約反沖洗水。纖維球濾料和石英砂濾料的同步給水過濾實驗表明，纖維球過濾的反沖洗水量與過濾產水量之比，只有石英砂的1/6-1/8。當用于污水過濾時，纖維球過濾的反沖洗水量與過濾產水量之比，僅為石英砂的1/10。

4纖維球濾料過濾能夠應用于污水處理

事實上，從上述運行特征已經可以得出結論：纖維球濾料可以用于污水過濾，并且能夠穩定運行。纖維球濾料孔徑大，且自上向下逐漸遞減，污水過濾時，活性污泥顆粒或脫落的生物膜，也能夠輕易地深入到濾料層深層，發揮深層濾料的過濾作用，不至于因為濾料表層堵塞使過濾周期急劇下降。相反，傳統石英砂或無煙煤等濾料過濾污水時，則不能夠發揮深層濾料的過濾作用，周期急劇下降而不能適用。相對于給水處理，污水中的懸浮顆粒濃度更高，一般濾料即使發揮深層截污能力，也難以保持較高的過濾周期；纖維球濾料空隙率高、截污能力大，這也是纖維球濾料能夠用于污水過濾的另一主要原因。纖維球過濾設備的反沖洗條件是氣水同時反沖洗。借助于氣體攪動，可以提高反沖洗效果、降低反沖洗用水量。而污水處理工藝中，常常采用鼓風曝氣。借助鼓風曝氣氣源進行纖維球過濾設備反沖洗，可以避免增設鼓風設備，這也是纖維球過濾設備能夠便捷地用于污水過濾的另一條件。

5纖維球濾料過濾工藝是當今污水深度處理的最佳選擇

5.1技術優勢

由于我國城市污水量逐年增加，我國不得不執行更加嚴格的污水尾水排放標準。但是，我國污水處理廠的處理工藝仍然停留在污水二級生化處理，并且今后一段時期內，國家或地方政府也不可能要求污水廠增設活性炭、臭氧氧化、反滲透等深度處理工藝。而針對越來越嚴格的排放標準，二級生物處理又無能為力，這應該是業內人士的共同認識。上述運行數據表明，纖維球過濾二沉池出水時，懸浮顆粒濃度從10-20mg/L左右下降到2mg/L以下，SS去除率接近90%；COD濃度從70-80mg/L左右下降到40mg/L左右，COD去除率接近50%。纖維球過濾不僅能夠顯著改善尾水水質，符合當今發展趨勢；而且能夠高速過濾，濾速可以達到20-40m/h。而且過濾周期達到10-20h，即能夠穩定地用于污水過濾，不必頻繁地進行反沖洗。

5.2經濟優勢

纖維球過濾設備投資較省，一般約20-30元/（m3水/日）。只需要增加二級生物化學處理工藝投資的1-2%的投資，即可以實現污水深度處理。而其它深度處理單元的投資通常高達纖維球過濾的幾十倍甚至幾百倍。纖維球過濾設備再生簡便，只需要進行氣水反沖洗，并且反沖洗耗水量很少，成本很低。與活性炭吸附的再生費用簡直不能比較。

5.3空間改造優勢

纖維球過濾設備占地很少，通常相當于二沉池占地的1/40-1/20。由于體量很小，所以，便于在已經建有二級生物處理工藝的現狀污水廠內增設，改造工程非常簡便。此外，纖維球過濾設備體量小，所以，常常制造成罐式過濾設備，運輸、移動、安裝等也非常便捷。