李 剑 杜跃鹏 李子靖 左晓明
（北京汇天运维技术服务有限责任公司，北京 102400）
过滤作为给水工艺中最重要的环节，在市政给水处理中广泛应用[1]，推广效果很好。对更难处理的工业废水来说，常规过滤的表现不尽理想，尤其是含油废水[2]。本文以含油废水为例，对多级精细过滤处理进行研究。
含油废水与常规废水最大特点是油田废水密度小，多级精细采用粗粒化方法，利用油、水两相对聚结材料亲合力相差悬殊的特性，当含油废水通过填充着聚结材料的床层时，油粒被材料捕获滞留在材料表面和孔隙内。随着捕获油粒的增加，油粒间会产生变形，合并聚结成较大的油粒，以此对油进行去除。
在一体化过滤装置中，杂质在滤料的理论分布与实践存在一定的偏差，尤其是下向流过滤中，经过反冲洗后的过滤装置，很容易造成滤料倒置，粒径从下至上逐渐变大。因此产生了“反粒度过滤”的概念，滤水从底部的粗滤料进入，穿透粗滤料滤层后进入上层的细滤料流出，虽然有效解决了下向流空隙的浪费问题，但是容易造成滤料流失。多级过滤方法是由多个均质过滤柱组成，可以解决在一体化过滤装置中滤料流失的问题，整个过滤单元分为2～3个过滤柱，每个过滤柱的滤料为均质滤料，不均匀系数K80＜1.3。通过多级过滤设置，既可以满足反粒度过滤的要求，又可以采用粗粒化去除含油废水，降低混凝药剂的投加量，从而降低成本。
2.1 配置10-50NTU浊度液
配制400NTU福尔马肼标准液，准确称取1.0g硫酸肼和10.0g六次甲基四胺粉末分别溶于蒸馏水中，溶液混匀后，稀释至100mL容量瓶，在恒温箱静置24h后稀释至400NTU。根据需要将溶液稀释至目标溶液。
2.2 过滤柱
过滤柱采用两根高1.5m，直径100mm的圆柱形有机玻璃过滤柱。承托层铺设200mm鹅卵石，承托层底部以有机玻璃穿孔板阻隔，方便均匀配水。滤料为1.2～1.6mm粒径滤球，一级过滤滤料1.6mm，二级过滤1.2mm，K80均为1.3，铺设厚度为700mm。
2.3 过滤
通过旁通管出水控制均匀滤速，保持在10m/h。每5min或者2min取样测量出水浊度，并绘制浊度变化曲线，当出水浊度趋于进水浊度时，滤料吸附拦截将近饱和，停止过滤，选取该时刻点为过滤时间。配制30NTU浊度水过滤，按照不同时间点取样测量浊度，并绘制曲线如图1所示。当过滤30min时，出水浊度趋于稳定，选取30min作为过滤时间。
图1 过滤出水曲线
图2 废水处理工艺
2.4 对比试验
设计对比试验，按照上述条件在滤料1.6mm情况下进行一级过滤和二级过滤对比试验。
一级过滤，进水浊度18.2NTU，数据见表1。二级过滤，进水浊度13.9NTU，数据见表2。
表1 一级过滤出水浊度
表2 二级过滤出水浊度
当进水浊度（18.2NTU）较高时，一级过滤效果欠佳，去除率仅为25%。当进水浊度（13.9NTU）较低时，第二级过滤效果去除率为50%，经两级过滤后，水中浊度可降至7以下，去除率高于60%。
3.1 SS与浊度
对配置浊度溶液水，使用浊度仪测定浊度，按照《水质悬浮物的测定》（GB 11901—89）水质悬浮物的测定方法测定SS，试验结果见表3。
表3 浊度与SS对应数据
通过模拟计算得到公式（1）。
式中：Y为固体悬浮物浓度，mg/L；
X为浊度，NTU。将Y=1、Y=2、Y=3带入公式（1）中，得到X=1.08、X=1.72、X=2.36。
3.2 亚硫酸钠与含氧量
对二级出水进行亚硫酸钠滴定试验。亚硫酸钠溶液的配置溶度为0.109g/mL，对200mL水样进行滴定。通过软件模拟，得到亚硫酸钠使用量与水样含量的关系，见表4。
表4 含氧量试验数据
亚硫酸钠使用量的计算过程如公式（2）所示。
式中：A为亚硫酸钠使用量，kg，B为含氧量，mg/L，其中B≤5mg/L。
3.3 试验结果
使用公式（1）对试验出水水质进行判断。
通过两种方法统计药用量，记录进水总量和试验结束后使用的药量，计算吨水处理用药量。在试验过程中，取某段时间药用量，采用实时监控，同时可以观察投药过程是否稳定。对统计到两组数据求平均得到药用量，见表5。
表5 试验结论
4.1 试验过程及条件
从调节池直接取未加药的原水过滤，使用试验制备的小型过滤装置[5]，原水的信息：浊度34.4NTU，含油量10.980mg/L。滤料：1.25～1.6mm，厚度为730mm。承托层：4～20mm（石子），厚度190mm。滤速：25m/h。
4.2 试验数据及结果
将所有过滤水收集到一个水桶中，浊度为25NTU，含油量为4.6869mg/L。本次试验过滤速度较快，如果原水补充不及时，就会出现断流现象。查看滤料发现经过本次试验后，滤料没有出现板结现象，取出滤料用水冲洗，发现滤料上的油污能被冲洗掉，试验数据见表6。
表6 试验数据
4.3 试验结论
当过滤柱前端状态控制良好，滤速为32m/h时，一级出水可以满足A3标准，二级出水可以满足A2标准。
根据实际含氧量需要，按照公式（2）调整亚硫酸钠的投加量，对水中的含氧量进行消解。
考虑经济和使用效果确定最佳的投药方案：PAC为46.095g/t，PAM为1.962g/t，CaO为64.479g/t。
本次试验用的滤料亲油性能差，可以长期使用不用担心板结，采用气水反冲洗或脉冲反冲洗可有效防止板结。
在含油废水中，与一般过滤方式相比，多级精细过滤方式采用两个独立的过滤器，上层铺设改性陶瓷滤料，铺设厚度为700mm，承托层铺设200mm鹅卵石。一级过滤陶瓷滤料滤径为1.6mm，二级过滤陶瓷滤料滤径为1.2mm，K80均为1.3。
当过滤滤速为10m/h～20m/h时，出水指标满足A1标准，但是药剂成本较高。当滤速为32m/h时，一级出水可以满足A3标准，二级出水可以满足A2标准。当滤速为25m/h时，出水指标和药剂成本达到最佳平衡值。因此一级过滤滤速为32m/h，二级滤速为25m/h。
当采用较高反冲洗强度16L/（m2·s）时，初始反冲洗出水浊度最高，反冲洗出水趋于平稳的用时最短，反冲洗效率为最高，其滤料膨胀率达到50%～60%。当反冲洗强度为8L/（m2·s）时，初始反冲洗出水浊度最低，滤料并没有完全清洗彻底，膨胀率仅为10%，反冲洗强度不足以使整个滤料呈流化态，反冲洗效率较低。反冲洗强度12L/（m2·s）时，滤料膨胀率为30%，清洗效果适中。采用多级均质滤料，不存在滤层结构扰动干扰，因此采用16L/（m2·s）的反冲洗强度。
针对含油废水粗粒化处理方法，选用传统的膜处理与活性炭吸附等方式尽管处理效果好，但是成本较高，材料重生困难，而传统的石英砂、无烟煤等滤料在含油废水中的应用效果较差。陶粒滤料选用陶土添加成孔剂、黏溶剂，经球磨、筛分、成型、煅烧而成，具有表面坚硬，内部多微孔，比表面积大，空隙率高、疏油性等特点。用于含油废水处理，具有截污能力强、过滤周期长、过滤水头损失小、反冲洗耗水量低等特点，因此采用陶瓷滤料。
6.1 基本情况
以山东某集团大豆油废水为例[3]，其中蛋白废水5000m³/d，pH约为4，COD为18000mg/L。含油29.2mg/L，SS为4000mg/L～6000mg/L，NH4+-N为100mg/L。果糖废水2500m³/d，pH为1～13，COD为1500mg/L～3000mg/L，BOD/COD为0.7。玉米淀粉1500m³/d，COD为7000mg/L～9000mg/L，SO42-为100mg/L。
6.2 处理工艺
大豆油废水经过前段气浮处理后采用多级过滤工艺如图3所示。首先，根据加药后的液体颜色变化决定混凝剂投加药量[4]，采用回转式气浮装置对悬浮物进行初步去除，去除效率为50%，出水SS约为2000mg/L。其次，进入多级过滤装置，采用1.6mm和1.2mm滤料过滤装置，最后，出水COD为150mg/L～200mg/L，含油低于1mg/L。
6.3 工艺特点
该粗粒化装置采用以疏油性的陶瓷滤料作为粗粒化材料[6]，在含油废水分散油珠粗粒化并连续出水的同时可同步清洗滤料。废水中的细小分散油珠主要通过碰撞聚结作用，相互接触聚结成较大的油珠，浮力大于重力后，油滴从填料中脱离，浮上水面后被去除。在运行过程中，采用连续进水的方式，当装置中的浮油层累计足够厚时，打开浮油管的阀门，将浮油排出，净化后的出水从出水管流出，进入下一个装置。随着运行时间的增加，聚结材料表面会沉积油泥或其他悬浮颗粒。
反冲洗进水管位于滤床中心，当反冲洗时，开启冲洗水泵，将高位水箱内的清水泵入罐体底部，进行反洗，反洗进水管出来的高压水在进水管和提升管间形成了负压区，使提升管底部的滤料被压入提升管中，而提升管外侧的填料则沿斜面不断地滑到提升管底部，随高压水进入提升管，进入提升管内的填料在管内剧烈地碰撞摩擦，将颗粒表面黏附的杂质去掉，随后填料经伞形滑落到填料层顶，使填料层得到更新，从而做到内循环反冲洗。
多级精细过滤装置的特点是多级滤床分别设置，可根据出水水质要求调节各级的滤床面积或者改变过滤级数，当材料表面被油膜包住，过滤水头不断增加，当增至一定值后，开始反冲洗，在反冲洗水的冲力与浮力下，油膜脱离滤料最终与反冲洗水一同排出装置。经过多级精细过滤装置的处理，不仅可以进一步去除废水中的油珠，还可以去除一部分极难处理的溶解油，出水含油量可低至约2mg/L，甚至接近1mg/L。
目前需要两种滤料，一种是平均粒径为4mm的陶瓷滤料，抗压强度为20MPa～25MPa，滤料表面粗糙，拟用作污水处理时生物污泥挂膜的载体。另一种是平均粒径为0.6～1.0mm的陶瓷滤料，抗压强度为50MPa，滤料表面较光滑。对该滤料表面进行改性，第一段工艺为粗粒化，装置中为疏油性的滤料，进水含油量控制在20mg/L以下，当含油污水流经时，粗粒化材料是疏油的。第二段工艺为精细过滤，装置中为亲油性滤料，分散油珠润湿附着在滤料表面，随反冲洗水一同脱离滤料，同时滤料重生。
采用多级精细过滤利用粗粒化方法对含油废水进行处理，可降低药耗，并采用反粒度过滤方式解决粗粒化滤料膨胀产生的问题，通过试验和实际应用验证了其可行性。
多级精细过滤装置的特点在于分别设置，可根据出水水质要求调节各级的滤床面积或者改变过滤级数，利用过滤材料的亲疏水性分离油水。
滤料对粗粒化精细过滤有较大影响，本次试验用的滤料亲油性能差，可以长期使用不用担心板结，采用气水反冲洗或脉冲反冲洗可有效防止板结。
内置滤料采用陶瓷滤料，滤料表面形成有大量可吸附物质的孔洞，通过增加比表面积，以提高滤料的吸附能力。装置结构紧凑巧妙，多级过滤集于一个罐体中，占地小且可根据出水效果改变级数。
对比含油废水过滤的反冲洗与天然浊度废水过的反冲洗，含油废水更难处理。因此处理含油废水不仅应考虑过滤效果，还应结合反冲洗效果。
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