摘要: 硅藻土經過提純、改性、活化和擴容可以作污水處理劑。硅藻土作污水處理劑, 在技術上、經濟上都可行, 有良好的推廣應用前景。本文分析了目前城市污水的水質、水量等特點, 并以此提出適合中國國情的污水處理技術。硅藻土處理城市污水技術是一項物化法污水處理技術, 高效的改性硅藻土污水處理劑是該技術的關鍵, 在此基礎上配合合理的工藝流程和工藝設施, 該技術可實現高效、穩定而又廉價地處理城市污水的目的。但由于這是一項新技術, 在理論和實際工程應用上都還存在一些問題有待解決。
工業廢水和城市生活污水的排放, 造成了嚴重的環境污染。 因此, 廢水和污水的處理一直都成為熱點問題。在綜合治理方面，利用硅藻土處理工業廢水或生產飲用水的技術已有將近20 年的研究歷史 , 且據查, 早在1915 年就有人把硅藻土用于小型水處理裝置, 生產飲用水。在國外, 把硅藻土污水處理劑作為助濾劑的一個品種來生產和應用, 包括飲用水、游泳池水、浴室用水、溫泉、工業用水、鍋爐循環水、工業廢水的過濾和處理等。但在國內，將硅藻土用于處理城市污水是近幾年才發展起來的。特別是對一些含有較高比例工業廢水的城市綜合廢水的處理, 硅藻土處理技術以其獨特的特征而受到業內人士的重視，有廣闊的發展前景。
1 目前城市污水的特征及其處理現狀
1.1 城市污水的特征
城市的性質、現有的排水系統、氣溫、水資源及其經濟發展水平等多方面因素都會影響城市污水的特征。目前我國城市污水的主要特點為:
(1) 廢水的有機質濃度低
其成因是多方面的, 主要有: 我國多數城市的排水系統不完善, 導致雨水、地下水、河塘水和湖泊水等混入排水管網內,污水濃度被稀釋, 隨著環保產業和體制的發展, 目前在多數城市, 要求工業廢水經過適當的預處理達到有關的工業廢水排放標準后, 再排入城市排水管網中, 與緘市生活污水混合進入城市污水處理廠作進一步的處理, 而這些經過預處理的工業廢水的有機質濃度已較低, 一般COD 值在200mg/L 以下, 進入市政管網后會對城市生活污水產生稀釋作用, 特別是當工業廢水含量高的時候, 城市廢水中總的有機質濃度將會較低。低有機物濃度的城市污水給生物處理造成困難。
(2) 廢水的可生化性差
工業廢水的初步處理也往往是采用生化的方法, 所以經過處理后, 留在廢水中進入市政管網的有機質往往是難以生物降解的, 廢水的B/C 值較低。因此含有大量工業廢水的城市污水的可生化性變差, 不利于生化處理。
(3) 廢水的成分復雜
雖對排入城市下水道的工業廢水有嚴格的控制, 要求抑制生物處理的有害物質不得超過排水設計規范規定, 但由于各工礦企業廢水成分的復雜性和經濟技術可能性, 控制的項目不可能是全面的。所以廢水中可能會引入一些不利于微生物生長的有害物質或引起活性污泥膨脹的物質, 從而給污水廠的運行和管理帶來不便。
(4) 廢水的水質、水量波動大
對于排水系統不完善的城市, 雨天和旱天的污水量和水質都會有很大的變化。另一方面, 排入市政管網的工業廢水的水質、水量會受到各工礦企業的運行狀況及排水周期等因素的影響, 從而導致總的城市混合廢水的水質、水量的變化。城市污水水質、水量的波動, 給污水廠的處理帶來一定的沖擊負荷。
1.2 城市污水處理現狀
當今污水處理的主要方法有兩大類: 一是物理化學法, 即混凝法; 二是生化法。物化法對去除重金屬、磷、色度效果好, 但對氮和有機物去除效果不理想。另外, 各種絮凝劑的加入, 在水底不易與水分離, 會造成二次污染。生化法對有機污染物及氮、磷有良好的去除效果, 但對COD 去除率低，脫色效果差, 而且仍會產生大量污泥, 造成二次環境污染。
一般生化法要求廢水的可生化性好, 各營養物比例協調、濃度適宜, 且其中抑制生物增長物質的濃度不高于微生物所能承受的范圍, 所以對于目前一些城市的廢水, 可能由于廢水中含有大量的生物抑制劑或水質水量的波動過大等方面的原因,其生物處理系統的運行有時會不大正常。而且, 生化法對溫度的要求較高, 在低溫時, 微生物的活性會變低, 有的甚至可能完全喪失活性, 從而導致某些生化處理單元不能正常運行。所以在冬季, 特別是在一些北方城市, 運用生化處理方法的城市污水處理廠在其運行和管理上會存在很多不便。
另一方面, 生化法處理城市污水的運行費用和投資費用都較高, 一些城市, 特別是很多中小城市, 根本建不起也運行不起。所以這些城市的污水處理, 首先要求進行以較小的投資獲得較大的環境效益的一級物化處理, 當條件具備時再實施二級生物處理。
鑒于上述等方面的原因, 物化法污水處理技術因其運行穩定可靠、去除重金屬、SS、膠體和色度的效果好、投資和運行費用小等優勢而受到重視。而天然的礦產資源, 如硅藻土、沸石、膨潤土、海邊石、凹凸棒石等, 因其具有的獨特的理化性能和環境效應而越來越受到人們的關注。
2 硅藻土的特性及其污水處理的原理
2.1 硅藻土的特性及其改性
硅藻土是古代單細胞低等植物硅藻的遺體堆積后, 經過初步成巖作用而形成的一種具有多孔性的生物硅質巖。它的主要化學成分是無定性的SiO2, 并含有少量的AL2O3、Fe2O3、CaO 和有機質等，其由硅藻的壁殼組成, 壁殼上有多級、大量、有序排列的微孔。這種獨特的微孔結構, 賦于它許多優良的性能：空隙率高、比表面積大、比重小、吸附性強、耐磨、耐酸、熱導性低、隔熱阻燃、保溫隔音等, 被廣泛地應用于飲食、建材、化工、橡膠、石化、醫藥、冶金、涂料、機械、能源、油漆、水處理等行業中。尤其是硅藻土吸附性強, 能吸附等于自身質量1.5—4倍的水和1.1—1.5倍的油分。它的電位為負, 絕對值大, 吸附正電荷能力強。因此對污水有極好的凈化效果。對于采用吸附塔凈化裝置, 除吸附作用外, 還有篩分作用和深度效應。在污水處理領域, 我們關心的也主要是硅藻土的表面性質、精度及孔系結構等。
形成硅藻土的硅藻的殼體具有大量的、有序排列的微孔,從而使硅藻土具有很大的比表面積(3. 1～ 60m2/g) 。而且硅藻土的表面及孔內表面分布有大量的硅羥基; 這些硅羥基在水溶液中離解出H+ , 從而使硅藻土顆粒表現出一定的表面負電性。
從硅藻土的精度方面考慮, 雖然我國硅藻土總的含量位居世界第二, 但是其品味普遍較低, 大多數產品的SiO2 的含量在50% 左右, 利用時應先將硅藻原土進行提純處理, 使其SiO 2 含量大于90%。提純后的硅藻土具有整體一致均勻的微粒和比較干凈的表面, 從而使得其比表面充分展露出來。所謂一致均勻是指具有一致均勻的大小、外形尺度、表面理化性能等, 這是目前人造微粒難以實現的。常用的提純方法有酸浸法、擦洗法、焙燒法、離旋—選擇性絮凝法、干法重力層析分離法、熱浮選礦法和綜合提純法等。
不同產地硅藻土的往往具有不同的形狀結構和孔系分布 , 在生產和應用過程中, 應予以注意。
為了改善硅藻土污水處理的效果和范圍, 需對硅藻原土進行提純、活化、擴容和改性等處理。對硅藻土進行一定的酸、熱等活化、擴容處理, 可改善硅藻土的一些表面性質, 從而提高污水處理的效果。彭書傳通過利用等量的酸活化、熱活化及未經活化的硅藻土制成的復合凈水劑處理印染廢水的對比實驗表明, 酸活化和熱活化均可提高硅藻土的處理能力。向硅藻精土中加入一定比例的其他物質, 可制成適合不同性質和種類污水的改性硅藻土, 既提高了硅藻土的污水處理效果, 又擴大了其應用范圍。云南王慶中先利用純物理濕法選礦工藝將低品味的硅藻原土提純得到硅藻含量為90%～ 98% 的硅藻精土, 再根據不同的污水類型和水質特征, 向此精土中加入不同數量的絮凝劑(硫酸鋁、氯化鋁、聚丙烯酰胺或三氯化鐵等常見的無機或有機絮凝劑) , 得到具有很好吸附、混凝作用的改性硅藻土污水處理劑。
2.2 硅藻土污水處理的原理
硅藻土表面帶有負電性, 所以對于帶正電荷的膠體態污染物來說, 它可實現電中和而使膠體脫穩。但城市生活污水或綜合廢水中的膠體顆粒大多是帶負電的, 所以如用普通的硅藻土作為污水處理劑, 只能起到壓縮雙電層的作用, 而無法使膠體顆粒脫穩, 處理效果不佳。所以對硅藻土進行各種方式的改性,使其對帶負電的膠體顆粒也能脫穩。如采用鋁、鐵等帶正電荷的離子對其進行表面改性, 或加入其他的絮凝劑復合制成改性硅藻土污水處理劑。對于復合其他絮凝劑制成的改性硅藻土處理劑而言, 硅藻土一方面可作為形成絮體的骨架, 改善礬花的結構, 即有助凝的作用, 使形成的絮體密實而有較好的沉降性,從而改善了一般的化學絮凝劑產生的礬花松散、不易下沉的狀況; 另一方面, 由于其巨大的比表面積和表面吸附性等, 脫穩膠體極易被吸附到硅藻土上, 且附著了污染物質的硅藻土顆粒間的相互吸附的能力也大, 所以改性硅藻土用于污水處理時, 能快速形成粒度和密度較大的絮體, 且絮體的穩定性好, 甚至當絮體被打碎后, 還可發生再絮凝, —這是其他鋁鹽、鐵鹽等常用污水絮凝劑所無法比擬的。
硅藻土的巨大比表面、強大吸附性以及表面電性, 使得其在污水處理過程中, 不但能去除顆粒態和膠體態的污染物質,還能有效地去除色度和以溶解態存在的磷(導致富營養化的主要污染物之一) 和金屬離子等。特別是對于含有較高工業廢水比例的城市污水, 其可能有較大的色度和較高濃度的金屬離子, 但對于改性硅藻土處理系統來說, 由于其表面帶負電, 能有效地吸附去除一部分帶正電荷的金屬離子。
硅藻土用于污水處理時的工藝設備對其處理效果也有很大的影響。通常水力澄清池只用于給水處理領域, 而對于一般城市污水的處理, 由于污水中含有大量的有機物和微生物, 會在形成的污泥懸浮層發生厭氧反應而產生氣體, 從而會破壞懸浮層的穩定性。但最近的研究發現, 在澄清池中增設必要的設施或方法, 使懸浮污泥層保持缺氧狀態, 可有效抑制氣體的產生, 保證池內形成一個穩定的懸浮污泥層。此工藝相對于豎流式、平流式或輻流式沉淀池而言, 可大大減少用藥量和提高系統緩沖力。主要是因為污泥懸浮層有篩慮作用, 可截留絮體顆粒; 懸浮層中沒達到其飽和狀態的硅藻土, 還可進一步吸附絮凝未絮凝的膠體和水中的溶解態污染物, 使藥劑的潛能大到最大限度的發揮, 從而節省藥劑的用量。當投藥量不足或進水水質、水量有沖擊時, 反應器內的懸浮層可以幫助吸附、截留水中的污染物, 起到一定的緩沖作用, 從而提高系統的穩定性。
3 硅藻土污水處理技術的典型工藝及其特點
硅藻土處理單元對污水中SS、COD、BOD、TP 和重金屬離子等有很好的去除效果。根據該工藝, 我們在上海市曲陽污水廠進行了中試, 系統的進水水質為: CODCr為200～ 450mg/L ,BOD5 為130～ 250mg/L,氨氮為25～ 40mg/L ,SS為150～300mg/L : 采用的停留時間為: 硅藻土處理單元為1.5h, 后續生物處理單元為2h；采用的污水處理劑為大理慶中環境工程有限公司生產提供的改性硅藻土。運行結果表明: 硅藻土處理單元對于污水中COD 的去除率在70% 左右, 對BOD 的去除率在70%左右, 對SS的去除率> 90% , 對總磷的去除率>92% , 氨氮的去除率為30% 左右。而經過后續的生物處理后出水的CODCr則都在45mg/L 以下, 氨氮的硝化率也達到60% 左右。
硅藻土處理單元的出水中各項污染物的濃度已較低, 達到了國家二級排放標準, 所以對于出水要求不高的地區和采用深海排放系統的沿海城市, 該出水可直接排放。對于出水要求較高的地區, 增加一個二級的生物處理裝置即可, 考慮到一級出水中有機質濃度已較低, 二級生物處理系統可采用生物膜法或氧化塘法等, 以進一步降低水中的有機質濃度和去除氨氮。
將改性硅藻土用于城市污水的處理是一項新技術, 其主要的特點是:
(1) 硅藻土處理單元的耐沖擊負荷能力強, 處理效果十分穩定, 不易受到溫度、水質、水量變化等的影響, 適宜含有較多有毒物質或沖擊負荷較大的城市污水的處理。
(2) 該工藝技術先進, 所需設備少, 占地面積小, 工藝流程簡單, 操作管理方便, 可實現自動化操作, 而且該工藝的建設工期短。
(3) 硅藻土藥劑的用量少, 投加量為50ppm 左右時即可達到70%左右的COD去除率, 每t污水藥劑的費用不超過0.10元, 每t 污水的運行費在0.30元/m3左右。
(4) 硅藻土的脫水性能比一般的生物污泥和其它的化學污泥的要好, 可用離心法或板框壓慮機將其脫水至含水率為58%～ 60% 左右的泥餅。
(5) 硅藻土污泥的回收利用空間大, 因其是一種天然礦物,且穩定性好, 經適當的處理, 可回用到農業、污水處理或建材等領域, 所以是一項無二次污染的技術。
4 硅藻土污水處理技術有待解決的問題
硅藻土用于城市污水的處理還處于其初期階段, 在工程實踐上可以借鑒的工程實例還較少, 所積累的經驗也不多, 從而使其在推廣應用上受到一定的限制。在理論上, 硅藻土污水處理的完整的機理還不清楚, 目前的研究主要還是處于黑箱模式階段, 從而影響了其處理效果和操作運行條件的進一步提高和改善。特別是在硅藻精土的改性上, 其研究的成果還遠不能滿足根據不同的污水水質特征采用不同的改性硅藻精土的要求。
就目前國際污水處理的形式來看, 污水處理除了去除有機物外, 還要求除磷脫氮。而就上述提出的工藝來說, 雖然能達到較好的除磷效果, 但脫氮的效果不佳。所以, 應開發出更好的組合工藝, 使系統兼具脫氮的功能。
硅藻土是一種利用價值較高的礦物質, 其回收利用的可能性較大, 而目前在實際工程中, 往往都將脫水污泥填埋。考慮到硅藻土的各項理化性質, 及其在其它領域里的應用, 應對其回收利用的途徑作進一步的研究, 從而實現污水治理的可持續發展。
5 小 結
(1) 物化法處理城市污水是一項適合中國國情的技術, 也是一項適合我國城市污水特征的技術。硅藻土污水處理技術是一項物化的污水處理方法, 其技術的關鍵是高效硅藻土污水處理劑的生產。采用專用澄清池, 可使該技術達到更好的污水處理效果。
(2) 硅藻土具有比表面積大、表面電性、化學穩定性好等各項優異的理化性質。歷時20年的研究表明:經過提純、改性、活化、擴容的硅藻土，是一種優良的污水處理劑。在技術上和經濟上都是可行的, 適用于各種污水處理, 而在污水處理時, 需將其進行適當的改性處理, 才能有良好的處理效果，同時也用于后續深度處理,且效果更佳，具有良好的推廣應用前景。
(3) 用硅藻土污水處理劑處理廢水, 后續深度處理效果最佳。另外, 采用與聚合氯化鋁以及其他方法合用效果更好。
(4) 當出水要求不高時, 改性硅藻土處理污水可以單獨作為一個工藝； 否則, 可在其后接生物膜或氧化塘等的后續生物處理裝置, 以進一步提高出水的水質。
(5) 硅藻土污水處理技術的穩定性好、操作簡單, 特別適合于水質水量波動較大的含工業廢水比例較大的城市污水, 且其污水處理的成本低。
(6) 硅藻土污水處理技術還是一項較新的技術, 各方面還不完善, 還需加強理論上和實際工程應用上的進一步研究和探索。來源：百林環保
