绿色高效复合絮凝剂在强化污水处理及提质增效中的研究与应用

0 1 背景

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背景

由于我国城镇化的推进，污水量不断增加，而污水处理厂设计规模滞后于人口增长速度，造成污水厂处理能力不足，在新建城市污水处理厂的投资成本高、土地资源有限等条件下，导致污水厂长期超负荷运行，进而导致出水无法稳定达标，因此许多污水厂在寻求原位提标改造的方法。纵观我国污水处理厂实际运行状况，据统计全国近90%的污水厂进水污染物负荷为设计值的50%以下，雨季浓度会进一步降低，负荷率仅为设计值的20-30%。而污水处理厂的生化处理效率与负荷有关，与流量无关，因此生化系统的富裕负荷能力能够满足需求，可用于解决上述问题，而限制性因素是二沉池的沉降效率，如何快速实现二沉池的泥水分离，提高二沉池的处理负荷成为原位处理方案的关键所在。

污泥膨胀是生化处理系统较为严重的异常现象之一，它直接影响出水水质，甚至危害整个生化系统的运行。污泥膨胀的发生率是相当高的，在欧洲近50%的城市污水厂每年都会有污泥膨胀现象发生；在我国，特别是北方地区秋冬换季时，污水处理厂极易发生污泥膨胀现象，约三分之二的污水厂出现过不同程度的污泥膨胀。污泥膨胀不但发生率高、发生普遍，而且一旦发生难以用工艺参数优化方式短期控制，通常都需要很长的时间来调整。如此一来，造成二沉池跑泥，严重影响污水厂处理规模和出水水质。

针对上述情况，清华大学环境学院教授王凯军研究团队开发了基于复合絮凝剂的污水处理新技术加以解决。该技术具有新建投入低、改造便捷迅速、出水水质稳定达标等优点，能够适用于污水厂提标改造和解决污泥膨胀的需求，已从批次实验、小试实验、中试实验成功地扩大到生产实验，能够为污水厂稳定运行和水环境治理提供有力支持。

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研究内容

2.1 研究历程

2016年，课题组以污泥快速沉降为突破口，利用复合絮凝剂的比表面积大和电荷多的优点，开展了一系列小试批次实验，获得了一套高效运行参数和运行模式，包括药剂投加量、曝气搅拌时间、沉降时间等参数，为连续实验奠定了基础。随后开展了连续实验，包括小试和中试实验，累计实验时间超过2年。2019年，在北京某污水厂开展生产实验，处理水量提升超过25%，出水SS显著降低，取得了成功。后续进一步推广到四川、山东、河北等省份的污水处理厂中应用。

图 1 研究历程概略

2.2 小试实验情况

在批次实验基础上，开展了连续流小试（主体为有机玻璃材质圆柱体，内径8 cm，高100 cm，有效容积为3.6 L）实验，水源为某污水厂实际污水。控制组不投加复合絮凝剂，实验组的复合絮凝剂投加量为20 μL·L ^-1 ，水力停留时间(HRT)从16 h缩短到8 h，控制组与实验组的TP去除负荷分别从8.0、12.3 g·m ^-3 ·d ^-1 上升到21.9、26.4 g·m ^-3 ·d ^-1 。实验组沉淀时间为5 min，不投加外碳源的情况下，其出水COD、NH+ 4-N、TN、TP的平均浓度分别为21.6、0.28、15.7、0.18 mg·L ^-1 ，相应平均去除率为93%、99%、67%及98%，实验组效果良好。表明基于复合絮凝剂的工艺技术包为污水强化处理提供了新方法。

2.3 中试实验情况

在SBR中试装置（主体为不锈钢材质的圆柱体，内径为1.2 m，高为6 m，有效容积为6.22 m ³ ）中，纳米型复合絮凝剂投加量为20 μL/L时，长期运行结果显示污泥性能稳定，污泥沉降指数（SVI）小于50 mL/g。出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A要求。传统活性污泥法的沉淀池占据了整个污水处理厂相当大的一部分，占到全部占地面积的30%～50%。复合絮凝剂技术以SBR的模式运行，具有沉降快速、辅助除磷等优点，无需设置初沉池和二沉池，也不需要设置滤布、滤池等强化处理设施，工艺流程更加简化。与传统活性污泥法相比，基于复合絮凝剂的SBR工艺可节省占地30%～60%。实际上，基于复合絮凝剂的SBR工艺显著缩短了沉淀时间，运行周期相应减少，增加了污水处理量。

2.4 基本原理

复合絮凝剂投入到水体之后，带正电荷的离子就会和活性污泥絮体中胞外聚合物（EPS）上携带的负电荷基团、溶液中磷酸根离子进行化学反应，使得凝聚效果能快速产生，也解除了悬浮物的静止状态，从而不断扩大悬浮物的凝聚并迅速下沉，起到了除磷的作用。这些扩大的悬浮物通过吸附、架桥、卷扫作用，促进胶体凝聚，同时使得细小的颗粒、胶体等随之沉降下来，降低了出水悬浮物的浓度。投入复合絮凝剂中含有大分子有机物，起到骨架的作用，可促进絮状污泥转向颗粒态污泥，从而使得污泥的粒径增大（粒径约350μm），显著高于不投加复合絮凝剂反应器中污泥的粒径（约290μm）。较大的颗粒内部更易形成良好的缺氧环境，造成絮体内的硝酸盐被还原为氮气，形成同步硝化反硝化反应。因此，投加复合絮凝剂强化絮凝效果的同时，更容易形成厌氧/缺氧/好氧的微环境，有力促进系统脱氮除磷能力。

图 2 复合絮凝剂对活性污泥的絮凝作用示意图

复合絮凝剂对污泥性能的改善具有促进作用，可显著提高污泥的沉降速度，能够达到好氧颗粒污泥的沉降水平。基于复合絮凝剂的工艺包可以用于污水处理厂提标改造和延缓扩容的工程实践中。

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工程案例

近年来，清华大学与多家公司合作，已经在北京、山东、河北、陕西、四川等省市的十几座污水处理厂应用，成功地解决了污泥膨胀和溢流污染的问题，取得了很好的经济效益和环境效益。基于复合絮凝剂的技术包适合于各种污水处理工艺，包括SBR工艺及变型、AAO工艺及变型。

图 3 复合絮凝剂技术在全国各地部分应用案例

3.1典型案例

（1）北京某污水厂应用情况

北京某污水厂设计日处理规模 18 万m ³ /d，采用多段 AO+双层矩形沉淀池+高效沉淀池+超滤深度处理工艺，出水水质达到北京市地方标准《城镇污水处理厂水污染物排放标准》（DB11/890-2012）的 B 级标准。针对污泥膨胀导致的二沉池跑泥问题，设计了基于复合絮凝剂的改进方案，并做平行对比实验。在二沉池配水渠投加药剂，通过图4可以看到，投加复合絮凝剂4h后，该水线二沉池出水非常清澈，而另一条水线有明显的跑泥问题。按照改进方案持续运行，解决了污泥膨胀问题，污水厂生化系统恢复正常。

图 4 平行水线投加复合絮凝剂后效果对比图（左侧没有投加复合絮凝剂，右侧投加复合絮凝剂）

（2）山东日照某污水厂应用情况

山东日照某污水厂设计规模6.3万m ³ /d，现状污水处理厂已达到满负荷运行，偶尔存在超负荷的风险。由于负荷较高，二沉池存在跑泥现象。同时扩建期间外网污水收集量超出处理量，存在较大的溢流风险。因此该厂迫切需要在提高处理负荷基础上保障出水稳定达标，且在其出水稳定达标后，提高厂内污水处理量。采用复合絮凝剂工艺技术包对该厂进行原位扩容及溢流污染控制实验，经过3次逐步提升，整个污水厂处理规模提升至77000m ³ /d，提升处理水量达22%，出水水质达标排放，出水悬浮物浓度低于加药前。