王洪臣教授团队：溢流污水快速过滤工艺的运行效能与机理研究
摘要
我国城市建设的高密度决定了溢流污水治理宜采用占地少的快速处理技术。构建以快速过滤为核心的溢流污水处理工艺，考察了滤料种类、过滤速度、填充量等因素对过滤效果的影响，并在材料表征及机理分析的基础上研究了不同过滤材料效果差异的原因。结果表明：聚酯纤维球和亲水性聚氨酯海绵在20,40 m/h滤速条件下均表现出良好且稳定的过滤效果，聚丙烯pp棉仅在20 m/h滤速条件下具有良好且稳定的过滤效果。在150%填充量条件下3种滤料均表现出良好的过滤效果。污染物的去除完全取决于悬浮物的去除，因此过滤性能等同于悬浮物去除性能。中试试验中，以聚酯纤维球为主要滤料，在40 m/h滤速条件下，对COD、SS的平均去除率分别为47.98%、82.37%。
研究背景
随着管网建设不断完善和污水处理率显著提升，点源污染已得到基本控制，由雨水径流引发的非点源污染逐渐成为水体污染的主要元凶。其污染物输送特点呈现显著的间断性与突发性，污染负荷会骤然飙升，其影响力度甚至可能超越点源污染，对城市水体健康状态构成严重威胁，进而对城市水环境质量的整体提升造成显著阻碍。
随着我国水环境质量要求的提高，合流制溢流（combined sewer overflows，CSOs）污染已达不可忽视的地步。由于雨污分流不彻底，分流制排水系统也存在一定程度的溢流污染。当汛期来临时，含大量泥沙、杂物的雨污混合污水会沿管网流进城市污水处理厂，进水水量远超水厂的设计进水量，一般在遇到此情况时，水厂会关闭进水阀门，让雨污混合水直接排入河道，造成河流断面严重污染。西方采用“灰绿结合”的技术路线控制溢流污染，但我国大城市规划建设密度高，现有污水处理厂大多被居民区或其他基础设施包围缺少扩容空间，无法大规模建设海绵城市和雨污调蓄设施，该路线面临极大挑战。
因此，我国溢流污水治理应采用以占地少为主要目标的快速处理技术。溢流污染快速处理技术中，一级强化技术效果好但占地面积大，旋流分离技术占地面积小但处理效果差，综合比较，快速过滤是有前景的溢流污染治理技术，通过格栅、筛网、固体颗粒、滤布等介质的过滤截留作用实现固液的物理分离。其中，可压缩介质过滤被认为是有效的技术选择，能最大限度地削减溢流污水中COD、SS、TP等污染物浓度，对减轻国内溢流污水对城市水体环境的破坏，改善和保护城市水体水质具有重要意义。目前，我国对快速过滤工艺的研究与实践总体较少。
本研究将现有成熟的高分子弹性材料与快速过滤工艺相结合构建以快速过滤为核心的溢流污水处理工艺，考察过滤速度、填充量、水质条件等因素对过滤效果的影响，并在材料表征及机理分析的基础上研究不同过滤材料效果差异的原因，为中国溢流污水快速过滤工艺的发展成熟提供参考。
01 材料与方法
1. 实验装置
过滤装置由过滤主体、进水箱、搅拌机、污水泵、流量计等组成。过滤主体使用亚克力板加工成如图1所示装置。底部进水，顶部出水。孔径为1 cm（隔板孔径小于滤料孔径）的底部和顶部多孔板内形成滤床区，用于填充滤料。底部多孔承托板用于进水，顶部多孔板用于出水。装置整体为圆柱形，包含配水区、滤床区、出水区3大部分，内径均为12 cm，配水区高10 cm，滤床区高80 cm，出水区高15 cm。3个区域均可独立分离，便于装置清洗及滤料更换。若进行多层滤料过滤，滤床区中间可再添加不同数量的隔板以放置不同滤料。污水泵根据滤速及装置尺寸，选用流量高于500 L/h的污水泵。将生活污水存放于1m3进水箱中备用。
图1 过滤主体示意
2. 实验水质
小试实验取自中国人民大学排水管道，中试实验取自污水厂，均采用生活污水代表溢流污水。其具备可行性：中国排水体制大多为分流制，溢流污水组成中生活污水占比一般为雨水的3~5倍，因此认为中国的溢流污水水质与生活污水区别不大，可使用生活污水代表溢流污水。
3. 实验设计
按照设定实验条件填充滤料，固定隔板，检查各连接处密封性防止过滤过程中污水污染。开启搅拌器，将生活污水搅拌均匀，实验过程中保持搅拌状态。关闭装置下方反洗出水阀门，打开上部出水阀门，启动进出水污水泵；在不影响搅拌的情况下将进水管伸入水箱底部，水注满滤床区时开始计时（零时刻）。每隔5或10 min从顶部出水口取过滤出水样，记录流量计所示进水流量。当进水流量出现明显衰减时，关闭进水停止过滤，记录堵塞时间。清洗装置，更换滤料，开启下一组实验。
选取聚酯纤维球、亲水性聚氨酯海绵、聚丙烯pp棉、聚氨酯海绵、彗星式纤维丝5种滤料进行过滤实验确定滤料种类对过滤效果的影响，并优选3种滤料进行进一步实验。选取20，40,60 m/h 3个滤速水平分别进行过滤实验，考察不同滤料在不同滤速条件下的过滤效果。考虑到滤料自身的弹性即可压缩性，选取100%、150%、200% 3个填充量水平分别进行过滤实验，考察不同滤料在不同填充量下的过滤效果。
将填充量定义为：
4. 污水厂中试实验
测试工艺流程如图2所示。雨污混合污水进入水厂首先通过粗格栅去除较大的漂浮垃圾、杂物等，之后通过提升泵进入SSgo固液分离设备，去除水中绝大部分渣、砂等污染物以及少量的SS、COD。SSgo出水进入进水箱，短暂停留均衡水质、水量，通过提升泵提升进入快速过滤设备中。当水量较小、原水污染物浓度较高时，可通过提升泵进入高效混合器，外部辅助投加PAC、PAM药剂，用以提高污染物去除效果；当水量较大、污染物浓度较低时，可选择减少加药量或直接进入可压缩介质快速过滤装备，通过内部的快速过滤，去除绝大多数COD、SS、TP等污染物，出水消毒后外排至河道。快速过滤装备运行一段时间后根据外接压力表示数判断是否需要反洗。当需要反洗时，开启反洗泵，从出水箱中取水对设备进行反冲洗，同时可开启反洗空压机进行辅助曝气清洗。
图2 测试工艺流程
可压缩介质快速过滤装备是雨污混合污水高效处理设备，设备内部集快速过滤、高效吸附于一身，内部有预处理单元，对原水进行预沉、拦截；可压缩介质过滤单元，内含可压缩滤料，对待处理污水进行一级过滤处理；活性炭吸附单元，对过滤后出水进行吸附。设备外观及功能结构参数如图3、表1所示。
图3 可压缩介质快速过滤装备示意
表1 可压缩介质快速过滤装备基本参数
02 结果与讨论
1. 滤料种类、过滤速度、滤料填充量对过滤效果的影响
1）滤料种类对过滤效果的影响。
对聚酯纤维球、亲水性聚氨酯海绵、聚丙烯pp棉、聚氨酯海绵、彗星式纤维丝5种滤料的过滤实验进行结果汇总，从COD、SS、TP的平均去除率以及实验表现4个方面对比分析，结果如图4及表2所示。
图4 5种滤料过滤实验进出水COD、SS、TP 浓度及去除率
表2 5 种滤料实际过滤实验结果汇总
聚酯纤维球、亲水性聚氨酯海绵、聚丙烯pp棉以及彗星式纤维丝在过滤实验过程中对污染物均有显著的去除效果，进出水水质有明显差别，具有一定过滤能力。聚氨酯海绵滤料对污染物的去除率处于极低水平，不具备过滤能力，不再进行后续实验。从材料本身的弹性来看，聚酯纤维球、亲水性聚氨酯海绵、聚丙烯pp棉的基本单位自身存在弹性，表现出较好的可压缩能力。彗星式纤维丝基本单位的结构决定了其不存在弹性、不可压缩，可压缩性只在大体积中各个基本单位之间的相互压缩表现。实验过程中，在滤料填充压缩过程和更换滤料解压缩过程，彗星式纤维丝滤料表现出的可压缩性远不如其他滤料。整体过水后，彗星式纤维丝滤料内部形成一个整体，失去其整体可压缩性。考虑到彗星式纤维丝不具有可压缩潜力，不再进行后续实验。
2）过滤速度对过滤效果的影响。
过滤速度是影响过滤效果的决定性因素之一。在快速过滤前提下，以聚酯纤维球、亲水性聚氨酯海绵、聚丙烯pp棉为滤料，在150%填充量条件下选取20,40,60 m/h 3个滤速水平分别进行过滤实验，考察不同滤料在不同滤速条件下的过滤效果。见图5。
图5 不同滤速下3种滤料过滤实验进出水COD、SS、TP 浓度及去除率
在20 m/h和40 m/h滤速条件下，聚酯纤维球对COD、SS、TP的平均去除率分别为49.53%、79.72%、11.90%和61.75%、89.40%、15.29%，均能表现出良好且稳定的过滤效果。在60 m/h滤速条件下，过滤实验无法稳定运行，出水水质逐渐变差，过滤效果随时间迅速衰减。在20 m/h和40 m/h滤速条件下，亲水性聚氨酯海绵对COD、SS、TP的平均去除率分别为40.19%、84.19%、17.01%和41.84%、74.92%、17.16%。均能表现出良好且稳定的过滤效果，在60 m/h滤速条件下，过滤实验无法稳定运行，过滤效果随时间迅速衰减。在20 m/h滤速条件下，聚丙烯pp棉对COD、SS、TP的平均去除率分别为67.98%、89.66%、21.94%。40 m/h滤速条件下，稳定运行时间为50 min左右，对COD、SS、TP平均去除率分别为55.16%、95.30%、17.29%。60 m/h滤速条件下，稳定运行时间为40 min左右，对COD、SS、TP的平均去除率分别为65.62%、89.17%、17.69%。聚丙烯pp棉仅在20 m/h滤速条件下表现出良好且稳定的过滤效果，在40,60 m/h滤速条件下，实验过程可维持一段时间过滤效果，但在短流发生后迅速衰减。同时，在不同滤速条件下，3种滤料均未表现出对SCOD的去除效果。
3）滤料填充量对过滤效果的影响。
聚酯纤维球、亲水性聚氨酯海绵、聚丙烯pp棉均为高分子弹性材料，自然状态下具有较大的弹性即可压缩性，可通过压缩的方式，在滤床中填充超过滤床区体积的滤料。
滤料填充量是影响过滤效果重要因素之一，本实验在40 m/h过滤速度条件下，选取100%、150%、200% 3种不同的填充量作为变量，考察填充量对聚酯纤维球、亲水性聚氨酯海绵、聚丙烯pp棉过滤效果影响，见图6。
图6 不同填充量下3种滤料过滤实验进出水COD、SS、TP 浓度及去除率
聚酯纤维球在150%填充量时表现出良好且稳定的过滤效果。100%填充量条件下，因较少的滤料总量及较低的压缩程度，过滤效果不稳定，污染物去除率不高。200%填充量条件下，增加的滤料总量和压缩程度带来的SS去除率提高不显著，且易在实验过程中形成部分短流现象，过滤效果降低。
亲水性聚氨酯海绵在150%、200%填充量时均表现出良好的过滤效果，在200%填充量条件下，过滤效果更加稳定，污染物去除率略有提高。在100%填充量条件下，因滤料总量少，压缩程度低，表现为过滤效果差、过滤效果不稳定。
聚丙烯pp棉在3种填充量条件下均能表现出对污染物较高水平的去除率，但也均易发生部分短流现象导致后期去除率的下降，在150%填充量条件时表现出较长时间的高水平去除率。
2. 过滤机理及过滤效果差异分析
对聚酯纤维球、亲水性聚氨酯海绵、聚丙烯pp棉、聚氨酯海绵、彗星式纤维丝分别表征分析，从微观形貌、红外光谱、Zeta电位、接触角、BET测试5个方面分析不同滤料差异，探究过滤性能差异原因。
1）不同污染物去除联系及悬浮物去除机理。
实验监测3个水质指标COD、SS、TP去除率基本保持相同的涨跌趋势，即三者去除率“同升同降”，未出现单一指标与另外二者相悖情况。实际污水处理厂中，少有因各种外部条件改变发生某一特定污染物浓度超标，其他指标保持正常的情况，这是因为污水处理厂中不同污染物通过不同方式去除。分析不同工况实验数据，污染物去除率“同升同降”现象不因滤料种类、过滤速度、滤料填充量、进水水质等工况因素发生改变。因此可推断，在本过滤实验中，COD、SS、TP经历同一去除过程。
在误差允许范围内，在滤料种类、过滤速度、滤料填充量、进水水质等任一工况过滤实验中，进出水SCOD浓度保持不变：即任一工况下，溶解态COD不被去除。如图7、表3，5种滤料微观形貌图像和BET测试说明：5种滤料微观表面光滑，不自带内部微孔，无用于吸附溶解态污染物的巨大表面积。快速过滤条件下，水力停留时间极短，无充足时间吸附溶解态污染物。可得出结论：本实验条件下，污染物去除完全取决于悬浮物去除，即COD、TP的去除依赖于SS的去除，不存在其他去除COD、TP的过程。
表3 BET测试汇总
2）过滤机理及过滤效果差异分析。
聚酯纤维球、亲水性聚氨酯海绵、聚丙烯pp棉、彗星式纤维丝的SS去除率为75%~95%处于较高水平，聚氨酯海绵对SS几乎没有去除效果。以不同滤料表征结果为依据，从筛滤、截留、黏附等角度，针对滤速提升和填充量增加条件下，分析过滤性能变化原因。
图7 聚氨纤维球、亲水性聚氨酯海绵、聚丙烯pp 棉、聚氨酯海绵和彗星式纤维丝在初始状态下的微观形貌
由图7可知，根据微观形貌结果，5种滤料的滤料结构可分为两种：丝状结构和骨架结构。丝状结构中聚酯纤维球为内部实心结+外部纤维丝，聚丙烯pp棉为全丝结构，彗星式纤维丝虽有彗星中心，但体积小且材质光滑，可认为全丝结构。丝状结构滤料虽无内部孔隙，但形成的滤床整体内部自发相连即可形成从内到外、从上到下的网状结构，且通过压缩可获得可变孔隙度，因此在一定填充量和压缩条件下足以获得较高的筛滤和截留效率，表现出较好的悬浮物去除性能。骨架结构中亲水性聚氨酯海绵有较好过滤效果而聚氨酯海绵几乎没有。从筛滤角度，亲水性聚氨酯海绵比聚氨酯海绵的孔径更小，从微观形貌可证实，因此亲水性聚氨酯海绵具有更高筛滤效率。从截留角度，亲水性聚氨酯海绵具有更高孔隙密度，具有更大表面积，截留效率更高。骨架结构滤料悬浮物去除性能取决于滤料自身骨架孔径和孔隙密度。
图8 聚酯纤维球、亲水性聚氨酯海绵、聚丙烯pp 棉、聚氨酯海绵、彗星式纤维丝的Zeta 电位分析
如图8，根据Zeta电位测试结果，污水中仅聚丙烯pp棉表面带正电荷，另外4种滤料表面均带负电荷。滤料在污水中的表面电荷与悬浮物颗粒之间的静电吸引是影响悬浮物颗粒黏附的重要因素之一。聚丙烯pp棉与带负电荷的悬浮物颗粒之间的静电吸引与另4种滤料相比有极大提升。大粒径悬浮物颗粒可通过筛滤和截留等方式去除，静电吸引的黏附作用影响小粒径悬浮物颗粒去除。在相同过滤条件下，5种滤料中聚丙烯pp棉具有最高悬浮物去除率水平的原因之一是其具有更高的黏附效率，即小粒径悬浮物去除率。
图9 聚酯纤维球、亲水性聚氨酯海绵、聚丙烯pp 棉、聚氨酯海绵、彗星式纤维丝的接触角分析
如图9，根据接触角测试结果，聚酯纤维球、聚氨酯海绵和彗星式纤维丝为疏水材料。亲水性聚氨酯海绵和聚丙烯pp棉材料可能有一定亲水性。材料的亲、疏水性会影响其过水阻力，一般而言，亲水性越强，过水通量越大，透水阻力越小。5种滤料接触角范围在80°~110°，相互间无极大亲、疏水差异。其中，亲水性聚氨酯海绵具有最强亲水性。在200%填充量条件下，过高填充量使得滤料内部整体处于致密高压状态，进水流经滤料内部受到阻力很大，聚酯纤维球和聚丙烯pp棉均提前发生侧边短流致过滤效果下降。亲水性聚氨酯海绵维持稳定，不发生短流，可能与其最高亲水性带来的最小透水阻力有关。
聚酯纤维球、亲水性聚氨酯海绵、聚丙烯pp棉这3种滤料因其轻质且具弹性的特征在实验中并未简单呈现出过滤速度越快，过滤效果越差的规律。聚酯纤维球对SS的平均去除率在20 m/h和40 m/h滤速条件下分别为79.72%、89.40%，亲水性聚氨酯海绵为84.19%、74.92%，聚丙烯pp棉为89.66%、95.30%。更高滤速带来更大进水压力，足以抵消滤料自身重力产生的进一步压缩产生的更小孔隙度，从而提升了对悬浮物颗粒的筛滤、截留效率。因此，在更高滤速条件与更大压缩程度相互作用下，3种轻质弹性滤料的过滤性能并未发生显著下降。聚丙烯pp棉因为最优异的可压缩性和轻质特征表现出超高的SS去除率。
聚酯纤维球、亲水性聚氨酯海绵、聚丙烯pp棉3种滤料在不同填充量下表现出不同的过滤效果：聚酯纤维球对SS的平均去除率在100%、150%、200%填充量条件下分别为70.05%、89.40%、93.66%，维持稳定时长分别为50,90,50 min；亲水性聚氨酯海绵为61.33%、74.92%、89.33%，30,90,90 min；聚丙烯pp棉为89.26%、95.30%、95.34%，20,50,30 min。从100%填充量到150%填充量，压缩程度增大，孔隙率降低，增加了悬浮物颗粒与滤料接触的机会，从而导致滤料捕获的固体量增大，过滤性能得到增强；填充量增加使得滤床形成稳定整体，压缩程度得到提升，过滤稳定性得到增强。从150%填充量到200%填充量，滤料压缩程度进一步增大，有更高的悬浮物截留性能，也产生更高的阻力导致更大的水力剪切，使得沉积颗粒脱离增加，过滤性能增加有限；过高的填充量使得滤料整体内部处于一个致密高压的状态，进水要流经滤料内部阻力大，易发生侧边短流，反而致使过滤效果衰减。
3. 快速过滤对城市生活污水污染物截留效果
在城市污水处理厂进行的中试过滤实验选用4种滤料：空心球滤料、聚氨酯海绵、聚酯纤维球、彗星式纤维丝。中试进水量较大，将空心球滤料和聚氨酯海绵作为前置固定的双层滤料填充于滤料舱室进水前端，起到快速粗过滤作用，可去除部分较大颗粒污染物，减轻主要滤料聚酯纤维球或彗星式纤维丝去除污染物压力，延长过滤时间。
以聚酯纤维球为主要滤料，在40 m/h滤速条件下，连续运行5 h的出水污染物去除效果如图10所示。前2 h，COD去除率为41.59%~51.55%，SS去除率为78.21%~88.46%，表现出良好过滤效果，进出水水质有明显区别。2.5 h时，过滤效果开始变差，3 h时出水水质出现明显转折，去除率明显下降。在测试过程中对流量衰减和进水压力情况进行监测，实验运行80 min后略有流量衰减，运行4 h左右，压力略升至0.02 MPa。流量和压力极为稳定，表明实验过程中装置并未堵塞。
图10 聚酯纤维球、彗星式纤维丝作为主要滤料过滤实验对污染物的去除率
以彗星式纤维丝为主要滤料，在40 m/h滤速条件下，连续运行3 h的出水污染物去除效果如图10所示。前2 h，COD、SS、TP平均去除率分别为27.26%、44.35%、10.23%，2h后过滤效果开始变差，出水水质出现明显下降。开始测试后，流量略有衰减并稳定在8.6 m3/h，压力快速上升至0.02 MPa，之后稳定在0.03 MPa。流量和压力表现较为稳定，表明实验过程中未出现堵塞。
以聚酯纤维球为滤料，在40 m/h滤速条件下：在实验室小试实验中，稳定过滤运行时对COD、SS的平均去除率分别为61.75%、89.40%。污水处理厂中试试验中，在2 h稳定运行时间段内对COD、SS的平均去除率分别为47.98%、82.37%。从实验室小试到污水厂中试，在稳定运行时间和对污染物的去除率两个方面，聚酯纤维球滤料均维持了较高的水平，并未出现过滤效果显著降低，具有实际应用的潜力。
03 结 论
1）聚酯纤维球和亲水性聚氨酯海绵在20,40 m/h滤速条件下均能表现出良好且稳定的过滤效果，聚丙烯pp棉仅在20 m/h滤速条件下具有良好且稳定的过滤效果。在100%填充量条件下3种滤料均无法表现出良好且稳定的过滤效果，在150%填充条件下3种滤料都能够表现出良好且稳定的过滤效果，在200%填充量条件下仅亲水性聚氨酯海绵能够维持良好且稳定的过滤效果。
2）实验条件下，污染物的去除完全取决于悬浮物的去除，使得过滤性能等同于悬浮物去除性能，悬浮物的去除机理以筛滤、截留、黏附为主。
3）丝状结构滤料在一定压缩程度下形成的网状结构和孔隙度使其表现出较好的悬浮物去除性能，而骨架结构滤料的悬浮物去除性能更取决于滤料自身的骨架孔径和孔隙密度。表面带正电荷的聚丙烯pp棉与带负电荷的悬浮物颗粒之间的静电吸引使其具有更高的黏附效率。亲水性聚氨酯海绵在极端填充量下过滤过程能够维持稳定可能与其最高亲水性带来的最小透水阻力有关。
4）由于滤料的轻质弹性特征，更高的滤速导致更大的压缩程度，二者相互作用使得在滤速提升情况下，3种滤料过滤性能并未发生显著下降。随填充量增加，滤料压缩程度增大，过滤器的性能和稳定性都得到增强。过高的填充量产生更高的透阻力，导致更大的水力剪切和短流的提前发生，反而导致过滤效果衰减。
5）无论实验室小试还是污水厂中试，聚酯纤维球在稳定运行时间和对污染物的去除率两个方面均维持了较高的水平，并未出现过滤效果显著降低，具有实际应用的潜力。
王洪臣 教授
《环境工程》编委
中国人民大学教授、博士生导师，国家生态环境保护科技领军人才、享受国务院政府特殊津贴的专家，获评2011首届“中国水业年度人物”。现任中国人民大学低碳水环境技术研究中心主任，兼任住房和城乡建设部科技委城镇水务委员会委员、生态环境部土壤生态保护专家委员会委员、中国城镇供水与排水协会技术战略咨询委员会委员等社会职务，长期从事城镇污水处理及农村污水治理技术的研究开发与管理政策研究。
