1给水处理工艺的比较、启示及其困惑

　　1.1自来水厂净水工程简介

　　现代自来水厂处理工艺是随着工业文明的到来和现代城市的产生而同步产生的，所以，其发展历史远远地超过城市污水厂。而且自来水厂处理工艺一经产生，就万变不离其宗，并且今后将仍然持续有效。自来水厂的水源主要为天然水体，水处理的目的是去除水体中的胶体颗粒与控制水体中的细菌、致病菌和其他微生物。自来水厂的处理工艺包括处理单元、清水池和二级泵站等设施。净水工程设施的功能是将原水净化处理成符合城市用水水质标准的净水，并通过二级泵站加压输入城市供水管网。

　　1.2污水厂二级生化处理工艺介绍

　　城市污水中含有悬浮物、胶体、有机物、致病菌和工业生产中的有毒有害物质，目前，污水处理的方法也多种多样，通常将其分为：一级处理方法、二级处理方法和三级处理方法。我国城市污水厂已经逐步普及了二级处理工艺。上述工艺也是全球公认的典型的城市污水处理工艺。所以，如果想进一步改善污水厂尾水水质，只有在二级沉淀池后，增加处理设施和处理单元。

　　1.3比较和启示

　　通过比较自来水厂处理工艺，可以看出，在污水沉淀处理工艺后，最佳后续单元应该是过滤处理工艺。

　　1.4污水厂尾水过滤处理的困境

　　（1）污水中悬浮颗粒浓度高自来水沉淀池出水中，悬浮物颗粒是絮凝反应后的粘土类颗粒物，粒径较小、强度很低，进入粒径0.6-1.5毫米的滤料颗粒滤池（如自来水厂的石英砂滤池）后，水中的颗粒物能够深入滤料层20-40毫米以上，实现滤料的深层过滤，滤料层不会形成表层过滤，有助于发挥深层滤料的过滤作用，提高过滤周期，降低滤料层反冲洗频率。并且沉淀池出水中的悬浮颗粒浓度通常不超过10-20mg/L，所以，自来水厂过滤池的运行周期一般可以达到12-24小时以上。和自来水处理工艺不同的是，污水厂二级沉淀池出水中，悬浮物浓度通常高达30-50mg/L左右，而石英砂滤床等传统滤料的滤层空隙率较低，滤料层的截污能力低，是缩短过滤周期的一个因素。

　　（2）污水中悬浮颗粒粒径大、强度高污水处理工艺中，二沉池去除的悬浮颗粒未经过混凝反应，而且水体中或悬浮颗粒自身常常带有气泡，所以，即使粒径达3-5毫米的悬浮颗粒，也很容易随着水流上浮而流出沉淀池。这些悬浮颗粒多为脱落的生物膜或活性污泥颗粒物，强度较大，不能借助过滤水流的剪切作用而深入滤床。

　　（3）传统滤料过滤污水周期短、反冲洗耗水量大当人们采用石英砂过滤方法处理二沉池尾水时，很容易导致滤料表层的堵塞而形成表层过滤，过滤周期只有几十min，过滤池的反冲洗水量占过滤水量的比例高达1/3到1/2左右。即使人们努力通过改进颗粒滤料工艺，如采用升流式滤床过滤、无烟煤-石英砂双层滤料过滤、陶粒滤料过滤等，也只能些微地延长过滤周期，而根本无法达到实用效果。

　　（4）污水过滤对滤料的基本要求摆在污水处理研究工作者面前的最基本的任务是，寻找适宜的污水过滤技术，改进污水处理厂尾水水质。污水过滤滤层应该具有滤料空隙率高、滤料层孔径大，便于污水中的悬浮颗粒深入滤料层内部，发挥深层滤料的过滤作用，延长过滤周期，降低滤池的反冲洗频率和反冲洗周期，使污水过滤实用化。

　　2纤维球滤料的结构特征

　　纤维球过滤技术最早是日本于上世纪80年代发明的技术，并且经过我国水处理和废水处理专家几十年努力改进的、不断发展的处理技术。主要产品有刚性纤维球和弹性纤维球等类型。其技术参数特征为：

　　2.1滤料层空隙率高

　　纤维球滤料层空隙率高达95%左右，过滤起始阶段，滤料层空隙率甚至高达98%左右；而传统石英砂滤料层空隙率只有41%左右，即使多孔隙性的陶粒滤料，其滤料层的空隙率也只有70%，况且每个陶粒的核内空隙和过度细小的空隙根本无法发挥过滤截流作用）。所以，和传统滤料相比，纤维球滤料层的空隙率占有绝对优势。

　　2.2滤料层空隙大，便于发挥深层滤料的过滤作用

　　传统石英砂滤料的粒径只有0.5-1.2毫米，滤料层的孔隙直径0.3-0.5毫米，甚至更低。即使陶粒滤料或无烟煤滤料，滤层孔隙直径一般也不超过1毫米。而纤维球滤料的粒径一般达30-50毫米，滤料层的孔隙直径高达10-30毫米。为悬浮颗粒深入滤料层创造了条件。

　　2.3滤料层空隙分布合理

　　传统滤料层都是粒径粗细不等颗粒组成的，在滤料层反冲洗过程中，很自然地将细小颗粒滤料冲洗到滤池上方甚至冲出池外，由此，形成了上层细小、下层粗大的滤层结构，即反粒径分布结构。而纤维球则是人为加工的滤料，滤料粒径大小一致，所以，反冲洗后，上下层滤料的粒径也是均匀一致的。不仅如此，由于弹性纤维球滤料具有可压缩性，当进行过滤时，滤料层受到过滤阻力以及自身重力、截流的悬浮颗粒的重力等作用，滤料层受到垂直向下的压力，并且这种压力从上到下而逐渐增大，使得弹性纤维球滤料层从上到下的压缩程度也逐渐增大，结果，滤料层空隙率从上到下逐渐减少，即和传统滤料层的反粒径分布特征正好相反，这也是纤维球滤料能够发挥深层过滤作用的另一重要原因。

　　2.4滤料层比表面积大，吸附能力强

　　石英砂滤料层的比表面积通常约300—400m2/m3，即使滤粒自身带孔隙的陶粒滤料层，比表面积也只有600—700m2/m3，而纤维球滤料层的比表面积高达3000—10000m2/m3。纤维球滤料通常为聚酯纤维等材料制成，对于污水中的活性污泥或生物膜颗粒，具有很强的吸附能力，即使在高速过滤状态，也能够将悬浮颗粒截流在滤层中，保证良好的过滤出水水质。

　　3纤维球滤料的过滤运行特征

　　3.1滤料层过滤阻力小

　　正是由于纤维球滤料层的高空隙率、大孔径特征，滤料层过滤阻力很小。如反冲洗结束后，纤维球滤料层的起始过滤阻力只有0.02-0.03米的水头损失，而石英砂滤料层的起始过滤阻力达到0.15-0.2米的水头损失。

　　3.2过滤滤速高

　　由于传统滤料过滤的阻力较大，所以，过滤速度受到限制，通常滤速不超过10-15m/h，否则，滤层阻力将迅速增加，达到过滤阻力极限值，不得不频繁地进行反冲洗。此外，传统滤料层的空隙结构分布不合理，一旦水体中的悬浮颗粒随着高速水流深入到滤料层内部，又很容易导致滤料层的穿透，这也是传统滤料层无法进行高速过滤的原因。纤维球滤料过滤阻力小，即使滤速高达30-40米，过滤阻力的增长速度仍然较缓慢，不会因阻力的迅速上升而中止过滤。而且，纤维球滤料层下层的空隙率小、孔径小、比表面积大，即使悬浮颗粒随着高速水流深入到滤料层内部，也能够通过底层细密滤料层的有效截流，防止滤料层穿透。当然，整个纤维球滤料层的高比表面积以及纤维球的高吸附能力，也是防止滤料层穿透的有效手段，同样也是纤维球高速过滤的保证。

　　3.3滤料层截污能力强

　　由于纤维球滤料层的高空隙率，以及纤维球滤料深层滤料层的空隙分布特征，使得纤维球滤料层的截污能力大大提高。给水过滤同步比较实验表明，传统石英砂滤料的截污能力一般不超过1-2kg/m3，而纤维球滤料层的截污能力高达3-5kg/m3；污水过滤同步实验表明，石英砂滤料层因为表层滤料空隙的迅速堵塞，截污能力反而下降到0.1-0.2kg/m3，当纤维球滤料过滤废水时，恰恰因为大颗粒悬浮物在滤料层表面的截流，更加充分地发挥了滤料层内部的截流作用，使得纤维球滤料层的截污能力进一步提高到5-10kg/m3。

　　3.4过滤周期长

　　由于纤维球滤料层的截污能力强，所以，过滤周期显著提高。在同等滤速过滤给水时，纤维球过滤的周期至少是石英砂滤料的3-4倍；在同等滤速过滤污水时，石英砂滤料的周期甚至只有10-20min，而纤维球过滤至少达8小时以上。即纤维球过滤污水的周期甚至是石英砂滤料的50倍以上。由于不需要频繁地进行反冲洗，所以，纤维球过滤运行非常便捷稳定，并且可以减少工作量。

　　3.5节省反冲洗水量

　　纤维球过滤过滤周期长，反冲洗频率低，是节省反冲洗水量的一个原因。纤维球过滤可以进行气、水同时反冲洗，通过气体的强烈搅动作用使悬浮颗粒脱离滤料表面进入水体，随着反冲洗水而流出滤池，从而节省大量的反冲洗水量。由于纤维球过滤池上方设有多孔板，能够防止滤料随着反冲洗水流失，所以，反冲洗的气体强度和水流强度都不需要严格控制，并且能够同时进行气水反冲洗，操作简便。传统滤料的粒径很小，不能够通过多孔板防止反冲洗状态的滤料流失，所以，不能进行气水同时反冲洗。即使进行气体辅助冲洗，也必须先气体搅动、后水流冲洗，操作不便，也不便于节约反冲洗水。纤维球滤料和石英砂滤料的同步给水过滤实验表明，纤维球过滤的反冲洗水量与过滤产水量之比，只有石英砂的1/6-1/8。当用于污水过滤时，纤维球过滤的反冲洗水量与过滤产水量之比，仅为石英砂的1/10。

　　4纤维球滤料过滤能够应用于污水处理

　　事实上，从上述运行特征已经可以得出结论：纤维球滤料可以用于污水过滤，并且能够稳定运行。纤维球滤料孔径大，且自上向下逐渐递减，污水过滤时，活性污泥颗粒或脱落的生物膜，也能够轻易地深入到滤料层深层，发挥深层滤料的过滤作用，不至于因为滤料表层堵塞使过滤周期急剧下降。相反，传统石英砂或无烟煤等滤料过滤污水时，则不能够发挥深层滤料的过滤作用，周期急剧下降而不能适用。相对于给水处理，污水中的悬浮颗粒浓度更高，一般滤料即使发挥深层截污能力，也难以保持较高的过滤周期；纤维球滤料空隙率高、截污能力大，这也是纤维球滤料能够用于污水过滤的另一主要原因。纤维球过滤设备的反冲洗条件是气水同时反冲洗。借助于气体搅动，可以提高反冲洗效果、降低反冲洗用水量。而污水处理工艺中，常常采用鼓风曝气。借助鼓风曝气气源进行纤维球过滤设备反冲洗，可以避免增设鼓风设备，这也是纤维球过滤设备能够便捷地用于污水过滤的另一条件。

　　5纤维球滤料过滤工艺是当今污水深度处理的最佳选择

　　5.1技术优势

　　由于我国城市污水量逐年增加，我国不得不执行更加严格的污水尾水排放标准。但是，我国污水处理厂的处理工艺仍然停留在污水二级生化处理，并且今后一段时期内，国家或地方政府也不可能要求污水厂增设活性炭、臭氧氧化、反渗透等深度处理工艺。而针对越来越严格的排放标准，二级生物处理又无能为力，这应该是业内人士的共同认识。上述运行数据表明，纤维球过滤二沉池出水时，悬浮颗粒浓度从10-20mg/L左右下降到2mg/L以下，SS去除率接近90%；COD浓度从70-80mg/L左右下降到40mg/L左右，COD去除率接近50%。纤维球过滤不仅能够显著改善尾水水质，符合当今发展趋势；而且能够高速过滤，滤速可以达到20-40m/h。而且过滤周期达到10-20h，即能够稳定地用于污水过滤，不必频繁地进行反冲洗。

　　5.2经济优势

　　纤维球过滤设备投资较省，一般约20-30元/（m3水/日）。只需要增加二级生物化学处理工艺投资的1-2%的投资，即可以实现污水深度处理。而其它深度处理单元的投资通常高达纤维球过滤的几十倍甚至几百倍。纤维球过滤设备再生简便，只需要进行气水反冲洗，并且反冲洗耗水量很少，成本很低。与活性炭吸附的再生费用简直不能比较。

　　5.3空间改造优势

　　纤维球过滤设备占地很少，通常相当于二沉池占地的1/40-1/20。由于体量很小，所以，便于在已经建有二级生物处理工艺的现状污水厂内增设，改造工程非常简便。此外，纤维球过滤设备体量小，所以，常常制造成罐式过滤设备，运输、移动、安装等也非常便捷。