SEDIPACT高密池工艺应用于反渗透浓水除硅

马超，黄隆

（上海世尼环保技术有限公司，上海 201100）

水资源匮乏以及水环境污染问题已经成为限制我国社会经济发展的不可忽略因素。在各个生产过程中，为了减少污水排放量，并节约水源，越来越多的企业在污水有效处理后将其进行深度处理后回用，最终实现废水零排放。深度处理过程较多采用二级膜浓缩工艺[1]，但经过一级浓缩产生的反渗透浓水中 SiO2浓度显著增加[2]，严重影响到后续二级高压反渗透系统的稳定运行[3-4]。因此，要保证反渗透系统的正常运行就需要对反渗透浓水进行除硅预处理。

目前，常用的除硅方法有混凝沉淀、反渗透、电凝聚以及离子交换等[5-6]。本工程中的广东佛山某工业园区污水处理厂在中水回用工程中采用了传统混凝沉淀工艺进行一级低压反渗透浓水除硅预处理，即利用某些金属盐能够吸附或凝聚硅的性能来达到除硅的目的。但是由于反渗透浓水含盐量高、有机物含量低、水质成分复杂，传统的混凝沉淀工艺在处理效果和运行费用等方面都存在一定的缺陷。

经过工艺技术及经济比较，本设计选择了占地面积小、结构紧凑、机械自动化程度的SEDIPACT高密池工艺应用于该污水处理厂反渗透浓水除硅预处理。本文主要介绍了 SEDIPACT高密池工艺的组成，特点以及设计参数，并且反渗透浓水经过高密池工艺系统处理后，满足了高反渗透系统的进水要求。

1 高密池工艺介绍

1.1 工艺原理

SEDIPACT高密池是一个集混凝、絮凝、污泥沉淀和浓缩功能于一体，且自带污泥回流系统的紧凑型斜管沉淀池工艺[7]，工艺流程如图1所示，主要由混凝、絮凝、污泥浓缩、固液分离和出水收集组成。

图1 高密池工艺流程图

原水进入混凝池前加入混凝剂，在搅拌机的作用下进行快速混合反应，使原水中的胶体脱稳，形成絮体。混凝后的水进入絮凝池，在搅拌机和导流筒的共同作用下，水和回流污泥与絮凝剂充分混合并持续循环，絮体相互碰撞，不断生成矾花，形成致密均匀的絮体颗粒。带浓缩格栅的刮泥机不断浓缩和沉淀絮体颗粒，部分浓缩污泥回流至前面的絮凝池，另一部分从系统中排出。水中较轻的絮体则被斜板截留，形成污泥层沉积在斜板的一侧，并滑回沉淀池底部。处理之后的澄清水由斜管上部的集水槽收集排出系统。

与传统的混凝沉淀池相比，高密池工艺将沉积区的污泥或其他沉积物部分回流到沉淀池的前部，人为地为混凝沉淀反应提供凝聚核心、提高反应区悬浮物浓度，加强絮凝效果[8]。该方法投资低廉，而且其出泥干度较高，可直接脱水。由于回流和排放的污泥浓度较高，故常被称为高密池工艺。

1.2 工艺特点

经过不断的工程实践和改进，高密池工艺的优势不断得到加强和完善，其主要工艺特点和优势如下：

1）占地小。占地面积为常规沉淀技术的1/4~1/10，节约土建造价，适合于用地紧张的项目。

2）沉淀效率高。其水流上升速度一般在 10~25 m·h-1之间。

3）排泥干度高。出泥浓度一般为50~80 g·L-1，在石灰软化时可达100~400 g·L-1，完全满足直接脱水的要求，无需再建浓缩池。

4）抗负荷变化能力强。得益于污泥回流功能，其反应区内固体悬浮物质量分数高达数千ppm，在进水水质变化较大的情况下也能起到很好的缓冲作用，而且出水水质基本不受影响。

5）节约药剂。由于污泥回流可以回收部分药剂，而且循环使得污泥和水的接触时间较长，因此其耗药量低于其他的沉淀装置。

6）水量损失较低。由于排出的污泥浓度较高，其带走的水量也相对较少。和传统的静态沉淀池相比，高密度沉淀池的水量损失非常低。

2 项目工艺设计

2.1 项目概况

广东佛山某工业园区污水处理厂污水处理能力 7.6万 t·d-1、中水回用能力 4万 t·d-1，建设完成了3.8万t·d-1中水回用工程。项目业主提供项目实测一级低压反渗透装置（低压海淡装置，回收率66.7%）浓水平均水质参数如表1 所示。本项目浓水二氧化硅含量高于二级高压反渗透系统的进水要求 (10 mg·L-1)，为保证反渗透系统后续的正常运行，选用高密池工艺作为反渗透浓水除硅预处理，根据项目实测值结合处理水质要求，设计基础如表2 所示。

表1 一级反渗透浓水水质参数

表2 高密池工艺系统设计基础

2.2 工艺设计

2.2.1 混凝

化学混凝是除硅预处理系统的关键步骤。高密池工艺采用动态混凝原理，即在反应池的表层控制进水和出水的水流，这种布置限制了水流沿着池壁的抽力，延长了水流的流径从而提高了混合的效果，最大限度地保证了回流污泥与进水的充分混合。

本设计中混凝池的有效容积为45 m3，有效停留时间为3.24 min，设计混凝剂的平均投加质量浓度为 858 mg·L-1（以 100% FeCl3计）。

2.2.2 絮凝

絮凝是一种物理机械过程。此过程需要物理搅拌、絮凝剂以及特别设计的导流筒来强化絮凝效果。本设计工艺中环形的穿孔管安装在导流筒的上方以利于助凝剂的分配以及充分利用，反旋流板安装在导流筒和池壁之间，位于池体上方，垂直于水流方向，避免因旋流导致水中悬浮固体沉淀，叶片位于导缸下方，可提高叶轮转速，避免旋流危险。

整个絮凝池的有效容积为324 m3，有效停留时间为23.33 min。设计絮凝剂的平均投加质量浓度为10 mg·L-1。

2.2.3 沉淀和污泥浓缩

沉淀池设计直径为 12 m，有效停留时间约为63 min，并配备中心传动带栅条浓缩功能刮泥机一台。

斜管区域有效镜向面积为 93.6 m2，上升流速8.9 m·h-1，在此速度下沉淀池的沉淀效果仍然良好。斜管的长度为1.15 m，斜管内径为50 mm，它的安装倾度和水平方向呈 60°，保证斜管上的污泥可以顺利地滑向底部。斜管沉淀投影面积和镜向面积之间的比值越大，有效沉淀面积就越大[9]，因此本设计中斜管的剖面采用比值更大的六边形。

2.2.4 污泥循环

污泥循环系统设置两台并联污泥回流泵，将沉淀区沉积下的污泥或其他沉淀物部分回流到沉淀池前段絮凝区入口。每台泵的设计流量为40 m3·h-1，高密池工艺系统设计污泥回流率在8%~12%。泵和管路设计为并联、独立回流，可以通过启闭管路阀门来调节单、双台回流泵运行模式。同时配备变频器来调节污泥回流率，以应对较大范围的水质水量突变。

2.2.5 化学药剂投加

化学药剂投加系统由混凝剂储存及投加装置、絮凝剂制备及投加装置、氢氧化钠储存及投加装置和硫酸储存及投加装置组成。

一般的混凝脱硅的药剂选择有镁盐、石灰、铝盐和铁盐等。考虑到镁盐和石灰反应的pH值较高且会有大量污泥的产生，以及铝盐残留对后续反渗透膜系统的危害[10]，经过现场水样的小试，本高密池工艺选择的混凝脱硅药剂为三氯化铁，配合氢氧化钠进行pH调剂和阴离子聚丙烯酰胺(PAM)助凝。

混凝剂投加系统选用28%有效浓度的液态三氯化铁。三氯化铁投加后的物化反应能够使水体中的胶体硅脱稳，而且生成的氢氧化铁沉淀物能够吸附溶解硅。在这些反应的协同作用下，三氯化铁的投加能有效地去除水体中的硅。混凝剂投加泵采用变频控制，在设定一定的投加浓度前提下，根据进水流量调节投加流量，保证了混凝除硅的反应效果，同时也精确控制药剂的投加量，有利于运行成本的控制。

絮凝剂投加系统选用阴离子 PAM自动制备投加装置。PAM的配置浓度为 0.1%，投加泵采用变频控制，保证水中PAM投加浓度的稳定，满足絮凝反应的需要，也避免过量投加。

根据各反应段对pH控制要求，依据在线pH仪表的反馈，采用氢氧化钠和硫酸对反应 pH进行调节。

3 高密池工艺运行效果

3.1 除硅效果

根据计算，混凝剂三氯化铁的平均投加量为700 mg·L-1（以 100% FeCl3计），絮凝剂 PAM 的平均投加量为50 mg·L-1，出水pH控制在7~8。每天检测进出水 SiO2浓度以及出水 SS浓度，调试期一周（5月4日至5月10日）的运行结果如图2所示。反渗透浓水中SiO2质量浓度高达70~100 mg·L-1，平均值为83.6 mg·L-1。经过高密池工艺系统处理后，处理出水的SiO2质量浓度不大于25 mg·L-1，平均值为 22.2 mg·L-1，出水 SS 不大于 10 mg·L-1，平均值为7.8 mg·L-1。这些结果说明高密池工艺系统对反渗透浓水具有良好的除硅处理效果，去除率最高可达77.7%，并且出水稳定，受进水水质波动影响较小。

图2 高密池工艺系统进出水水质（调试）

3.2 pH影响

据相关文献[11]介绍，结合现场小试结果，用三氯化铁混凝除硅的最佳反应pH在9左右。但是现场运行发现，在高于8的pH条件下，运行所选的PAM絮凝剂的絮凝效果会得到极大的削弱，导致出水的SS持续升高。因此，现场运行维持反应pH在8以下，絮凝PAM的投加量（平均50 mg·L-1）也远远高于设计投加量（10 mg·L-1）。虽然pH运行条件有所改变，但是高密池工艺仍能满足系统的处理要求，且实际三氯化铁的平均投加量（平均700 mg·L-1）低于设计投加量（848 mg·L-1）。

针对反应 pH值的问题，现场实验室也进行了不同 pH条件下的二氧化硅去除的现场小试。现场进水 SiO2为 93 mg·L-1，保持三氯化铁的投加量在700 mg·L-1的条件下，分别调节反应pH为7.5、8、9和11，测试反应上清液中SiO2的含量，结果如图3 所示。

图3 不同反应pH条件下上清液SiO2浓度

从小试结果可以看出，反应pH越高，对SiO2的去除效果越好，但也同样意味着需要增加碱液的投加量。一般认为在铁盐除硅的过程中，无定形氢氧化铁比晶形氢氧化铁的吸附效果更好。随着反应pH的增加，无定形氢氧化铁在铁的氢氧化物中比例逐渐升高[12]，反应对水中的SiO2去除效果会越好。

基于以上问题，在今后的现场运行中，可以尝试实验寻找合适的絮凝PAM药剂，适当提高反应的pH值，在保持较好的出水SiO2和SS浓度，符合后续高压反渗透系统运行要求的前提下，减少絮凝PAM药剂和三氯化铁混凝剂的投加量。

4 结 论

在三氯化铁的平均投加量为 700 mg·L-1（以100% FeCl3计），进水 SiO2平均值为 83.6 mg·L-1的情况下，高密池工艺系统处理出水 SiO2和 SS均能够达到处理要求（SiO2＜25 mg·L-1，SS＜10 mg·L-1）。

经过现场稳定运行证实，高密池工艺应用于零排放系统反渗透浓水的除硅预处理是一种很好的工艺。在反渗透浓水SiO2质量浓度高达95 mg·L-1，且总固溶物（TDS）高于25 000 mg·L-1的进水条件下，高密池工艺运行出水 SiO2质量浓度平均值为22.2 mg·L-1，能完全满足后续高压反渗透系统对SiO2的进水要求。

相对于传统普通混凝沉淀工艺，高密池工艺具有处理效果好、处理结果可控，操作简便、构造紧凑、占地面积小的优点，将使其具有良好的使用前景，特别是在反渗透浓水的除硅预处理上具有良好的适用性。