袁訓(xùn)國，桑義敏，梁存珍，韓嚴(yán)和，劉美麗

（1.中國人民大學(xué)社會與人口學(xué)院，北京100872；2.北京石油化工學(xué)院環(huán)境工程系，北京102617）

載體增效絮凝沉淀技術(shù)處理模擬廢水的實驗研究

袁訓(xùn)國1，桑義敏2，梁存珍2，韓嚴(yán)和2，劉美麗2

（1.中國人民大學(xué)社會與人口學(xué)院，北京100872；2.北京石油化工學(xué)院環(huán)境工程系，北京102617）

采用微砂強化結(jié)團絮凝工藝處理模擬廢水，研究了水力停留時間、處理量、投藥量、加砂量對除濁性能的影響，并分析了載體增效絮體的形成機理。結(jié)果表明，凝聚池、加注池+熟化池、沉淀池以及總體裝置的水力停留時間之比為1∶3∶7.3∶11.3，濁度去除率與進(jìn)水流量具有負(fù)相關(guān)性，PAC最佳投藥量為1 g/L；最優(yōu)投藥量、加砂條件下的連續(xù)運行濁度去除率保持在98.5%~99.5%、處理出水濁度保持在1.7 NTU以下，明顯優(yōu)于上述最優(yōu)投藥量、不加砂條件時的連續(xù)運行處理效果，較好地展示了所加微砂的增效絮凝作用。

載體絮凝；微砂增效；絮凝沉淀

載體增效絮凝技術(shù)是現(xiàn)代水處理技術(shù)中極具價值的研究方向。載體絮凝是一種結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省資源的高效、快速沉淀技術(shù)，可利用其他載體媒介的作用達(dá)到強化絮凝的效果。與傳統(tǒng)沉淀工藝相比，它具有處理效率高、占地面積小、耐沖擊負(fù)荷、藥劑用量低等優(yōu)點，具有良好的應(yīng)用前景。

廣義的載體可以是磁場〔1〕、高錳酸鉀〔2〕、殼聚糖〔3〕、納米鐵〔4〕、微波〔5〕。也有文獻(xiàn)報道〔6〕聚丙烯酰胺（PAA）、聚環(huán)氧乙烷（PEO）以及絮凝的生物質(zhì)作為絮凝劑FeCl3·6H2O的增效載體。目前，以微砂為載體的增效絮凝技術(shù)比較成熟，引起廣泛關(guān)注，其中以威立雅公司的Actiflo?技術(shù)、得利滿公司的Densadeg?為代表。

Actiflo?技術(shù)的特點是在水處理過程中投加微砂，人為增加絮凝反應(yīng)中的晶核，誘導(dǎo)絮凝體顆粒的形成和迅速成長，同時增加絮凝體的密度，使絮凝體顆粒密實、體積大且沉降速度快。研究表明〔7〕，化學(xué)藥劑與微砂投加量的精確調(diào)整對載體絮凝的處理效果有較明顯的影響。由于重金屬、多氯聯(lián)苯等成分對懸浮物有較強的附著力〔8〕，通過物理分離、化學(xué)絮凝及后續(xù)的斜板沉淀池，在去除顆粒物的同時還可去除顆粒狀重金屬和大部分疏水性有機污染物。國內(nèi)雖有載體絮凝工藝的改造實例和部分應(yīng)用，但尚未得到推廣〔9〕，且嚴(yán)重依賴國外技術(shù)，國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)較少，相關(guān)研究報道不多，一些內(nèi)在的規(guī)律尚不清楚。筆者設(shè)計了一套微砂載體增效絮凝沉淀裝置，采用模擬廢水探討處理效果與技術(shù)參數(shù)，為該技術(shù)的國產(chǎn)化及推廣應(yīng)用提供一定參考。

1 實驗部分

1.1 試劑與水樣

聚氯化鋁，化學(xué)純，淄博凈水劑有限公司；聚合硫酸鐵，化學(xué)純，北京市化工廠；高嶺土，工業(yè)純，北京市旭東化工廠。實驗水樣為自來水與高嶺土混合配制的模擬廢水。實驗為連續(xù)運行，需不斷定量補給自來水和高嶺土，以保持實驗原水水質(zhì)的基本穩(wěn)定。

1.2 實驗流程

實驗設(shè)備為自行研制的微砂載體增效絮凝沉淀裝置。裝置整體呈矩形，模擬廢水依次進(jìn)入凝聚池、加注池、熟化池和斜板沉淀池，處理后的凈水排出。在混凝池前投加絮凝劑，加注池投加助凝劑（本實驗未投加），沉淀池池底排出的泥砂混合物經(jīng)水力旋流器分離后，微砂注入加注池循環(huán)使用。工藝流程見圖1。

圖1 微砂載體增效絮凝沉淀工藝流程

1.3 分析方法

以濁度作為固液分離效果的評價指標(biāo)，采用美國哈希公司生產(chǎn)的2100N臺式濁度儀進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 各處理單元實際水力停留時間的測定

水力停留時間（HRT）是污水處理裝置的重要參數(shù)。各個反應(yīng)室的作用不同，體積就不同，水力停留時間也不同；總水力停留時間還可用進(jìn)水取樣到出水取樣時刻的間隔確定。用清水運行實驗裝置，測量不同流量下各個反應(yīng)室的水力停留時間和總水力停留時間，見表1。

表1 不同流量下各處理單元的水力停留時間

凝聚池、加注池+熟化池、沉淀池以及總體裝置的水力停留時間之比為1∶3∶7.3∶11.3；流量分別為200、300、4 00、500、600 L/h時的總HRT分別為157.4、124.5、78.7、70.6、56.1 min。

2.2 不同處理流量時的連續(xù)運行處理效果

流量的變化會引起流速的變化，改變絮凝池、加注池、熟化池和沉淀池的水力停留時間，進(jìn)而影響絮體的大小、密度和成長過程。選用200、300、400 L/h分別進(jìn)行實驗，不添加任何藥品和微砂，原水濁度控制在75~85 NTU。為保證處理效果的客觀性，出水取樣時刻比進(jìn)水取樣時刻晚1個總水力停留時間，且進(jìn)出水每隔15 min各取樣1次，實驗數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 不同處理流量時的連續(xù)運行處理效果

盡管沒有添加任何絮凝劑和微砂，各流量下的濁度去除率仍在25%~60%，出水濁度大幅降低；同時濁度去除率與進(jìn)水流量具有負(fù)相關(guān)性，進(jìn)水流量越低，去除率越高。這是因為低進(jìn)水流量時流速很慢，充滿各個處理單元空間的水力停留時間變長，使得水中的懸浮顆粒得以充分沉降；而高流量時水流速度較快，懸浮顆粒還沒來得及沉淀，就被帶到下一個處理單元，所以與低進(jìn)水流量對比，高進(jìn)水流量時帶出的高嶺土顆粒較多，出水濁度較高。

2.3 不同投藥量時的燒杯模型間歇處理效果

投藥量是絮凝處理工藝的關(guān)鍵參數(shù)之一。投藥量過低時，原水中的膠體與藥劑反應(yīng)不完全，難以形成體積較大且密實的絮體，影響沉降性能，使出水濁度上升；若投藥量過大，形成的絮體不密實、疏松易破碎，絮凝效果也不佳。鑒于實驗裝置是連續(xù)運行，每個投藥量參數(shù)需要較長時間（至少12~24 h）才能反映出該條件下的客觀實際絮凝效果，工作量較大，且難以保證每次實驗（即每個投藥量）時實驗原水的統(tǒng)一。模型濾池法是按照幾何相似原理在縮小的模型濾池內(nèi)進(jìn)行投藥量實驗，比較后確定出最佳投藥量，既簡單又方便。筆者采用燒杯模型實驗比較了幾組不同投藥量下的處理效果及污泥沉降性能，從而確定最佳投藥量。模擬原水濁度為96 NTU，用移液管取不同體積的聚氯化鋁溶液（10 g/L，0.5～50 mL）分別加入水樣體積均為200 mL的燒杯中，快速攪拌1 min、慢速攪拌10 min、靜置15或30 min后分別取出上清液測定濁度，結(jié)果見圖3。

由圖3可見，靜置時間由15 min增加到30 min時，濁度去除率有增大趨勢，但增幅較小，反映出新增15 min的時間內(nèi)繼續(xù)下沉的比例不大，可能是15 min內(nèi)已經(jīng)沉降了絕大部分懸浮顆粒（投藥量＞10 mL時濁度去除率已達(dá)95%以上），剩余的小顆粒沉降速度較慢?？梢?，靜置沉淀時間對濁度去除率有一定影響。此外，2條曲線的共性是投藥量在10~ 30 mL時濁度去除率較高（96%~99%）；投藥量在30 mL以上時，濁度去除率急速下降，混凝效果變差。這些變化趨勢與絮體的沉降性能有關(guān)。沉降過程直線段斜率為污泥等速沉降速度，其大小將關(guān)系到沉淀池按澄清原理所求得的面積和運行效果。對比投藥量20 mL與30 mL，濁度去除率非常相近，不易確定最佳投藥量，故測定投藥量分別為20、25、30 mL時的污泥絮體沉降性能。操作方法同上，快速攪拌1 min、慢速攪拌10 min，然后倒入500 mL的量筒，每隔3 min觀察一次，測定污泥沉降比SV，見圖4。

圖3 不同投藥量時燒杯模型實驗的處理效果

圖4 不同投藥量時污泥絮體的沉降性能

由圖4可見，隨著靜置時間的延長，污泥沉降比不斷降低，投藥量為30 mL時的污泥沉降性能最差，20 mL時的沉降性能最好，投藥量為25 mL時的沉降性能略差于20 mL的情況，但差別較小。綜合考慮濁度去除效果和絮體沉降性能，確定20 mL為最佳投藥量，即最佳投藥量為100 mL/L，鑒于投藥質(zhì)量濃度為10 g/L，故PAC投藥量為1 g/L，按此比例調(diào)整投藥泵流量與進(jìn)水流量之間的匹配度。

2.4 最佳投藥量、不加砂時的連續(xù)運行處理效果

連續(xù)運行微砂載體增效絮凝沉淀裝置，進(jìn)水流量為200 L/h，PAC投藥量為1 g/L，并按此比例調(diào)節(jié)投藥泵流量與進(jìn)水流量之間的匹配度，不加砂，穩(wěn)定運行3 h后，每隔15 min分別取樣測定水質(zhì)。測定結(jié)果表明，進(jìn)水濁度為93.5~106 NTU，在合理波動中保持基本穩(wěn)定，出水澄清，濁度大大降低，保持在3 NTU以下（最好時＜1 NTU），濁度去除率保持在97.5%~99.0%。同等流量、不投藥條件下的連續(xù)運行濁度去除率在50%左右（25%~60%）、出水濁度在30NTU左右，可見投藥與否對處理效果有較大影響。

2.5 最優(yōu)投藥量、加砂時的連續(xù)運行處理效果

進(jìn)行第1次加砂實驗，進(jìn)水流量為200 L/h，原水濁度為95~105 NTU，PAC投藥量為1 g/L，微砂粒徑為200~500 μm。為了觀察污泥中微砂利用情況，打開污泥泵和刮泥機，連續(xù)運行2 h，污泥每隔10 min取樣1次、水樣每隔30 min取樣1次，實驗結(jié)果見圖5（a）。

圖5 最優(yōu)投藥量、加砂時的連續(xù)運行效果

圖5（a）中，濁度去除率在開始運行的3 h內(nèi)保持99%以上，隨后大幅下降；此時斜管沉淀池的水變得混濁，沉淀池中水的顏色也開始接近熟化池中的原水顏色。而斜管沉淀池底部取出的污泥靜置沉降后能觀察到少量微砂存在，間接說明微砂黏附SS形成了有效絮體，隨水流進(jìn)入沉淀池進(jìn)行沉降分離，顯示出微砂的增效作用。分析認(rèn)為，沉淀池池底刮泥機的連續(xù)運行擾動了水流，影響了沉降分離條件，使水體返渾，解決辦法是刮泥機間歇運行，泥量到一定程度后再排泥1次。故進(jìn)行第2次加砂實驗，刮泥機間歇運行，穩(wěn)定運行3 h后，每隔15 min取水樣1次，其他條件同上，結(jié)果見圖5（b）。

由圖5（b）可見，進(jìn)水濁度在94~105 NTU，在合理波動中保持基本穩(wěn)定，出水澄清，濁度大大降低，保持在1.7NTU以下，去除率在98.5%~99.5%。與2.4測定結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)加砂條件下的濁度去除率明顯高于不加砂條件，所加微砂起到增效絮凝作用。

3 工藝原理與機理分析

載體絮凝的工藝原理是在混凝階段投加高密度的不溶介質(zhì)顆粒，利用介質(zhì)的重力沉降及吸附作用加快絮體的“生長”及沉淀。美國EPA認(rèn)為載體絮凝是通過不斷循環(huán)的介質(zhì)顆粒和各種化學(xué)藥劑強化絮體吸附，從而改善水中懸浮物的沉降性能。其工作原理〔10〕如圖6所示。

圖6 微砂增效絮凝工藝的絮體成長過程示意

向水中投加混凝劑，使懸浮物及膠體顆粒脫穩(wěn)，然后投加高分子助凝劑和密度較大的載體顆粒，在高分子鏈的架橋吸附作用下二者結(jié)合形成結(jié)團體核心結(jié)構(gòu)并不斷成長、變圓，在水流作用下結(jié)團體核心結(jié)構(gòu)借助沉積網(wǎng)捕作用繼續(xù)捕捉游離的載體顆粒和膠體顆粒，最終形成密度遠(yuǎn)大于隨機型絮體的結(jié)團體絮體礬花，大大縮短沉降時間，提高澄清池處理能力，并有效應(yīng)對高沖擊負(fù)荷。與水中膠體污染物相比，微砂絮凝工藝所加載的砂粒通常具有較低的表面電荷密度，因此更容易和水中的懸浮膠粒聯(lián)接〔11〕。

4 結(jié)論

（1）凝聚池、加注池+熟化池、沉淀池以及總體裝置的水力停留時間比為1∶3∶7.3∶11.3；流量分別為200、300、400、500、600 L/h時的總HRT分別為157.4、124.5、78.7、70.6、70.6 min；濁度去除率與進(jìn)水流量具有負(fù)相關(guān)性，進(jìn)水流量越低，處理效果越好，這與低進(jìn)水流量時各處理單元空間較長的水力停留時間有關(guān)。（2）綜合濁度去除效果和絮體沉降性能，通過燒杯模型實驗確定PAC最佳投藥量為1 g/L，連續(xù)運行時按此比例調(diào)整投藥泵流量與進(jìn)水流量之間的實時匹配度。（3）在進(jìn)水濁度相近（100 NTU左右）的情況下，加藥、不加砂連續(xù)運行時的濁度去除率保持在97.5%~99.0%，出水濁度保持在3 NTU以下，遠(yuǎn)高于同流量、不投藥、不加砂連續(xù)運行條件下的去除率（25%~60%）與出水濁度（30 NTU左右），可見投藥對處理效果有較大影響。（4）在進(jìn)水濁度相近（100 NTU左右）的情況下，最優(yōu)投藥量、加砂條件下的處理效果（濁度去除率保持在98.5%~99.5%、處理出水濁度保持1.7 NTU以下）明顯優(yōu)于最優(yōu)投藥量、不加砂條件時的處理效果（濁度去除率保持在97.5%~99.0%、出水濁度保持3 NTU以下），較好地展示了所加微砂的增效絮凝作用。

［1］王捷，尹延梅，賈輝，等.磁場強化絮凝減緩膜污染的影響因素分析［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2013，33（3）：664-670.

［2］趙陳冬，彭娟．高錳酸鉀強化絮凝處理線路板廢水的研究［J］．廣東化工，2014，41（15）：193-194.

［3］王昭陽，齊晶瑤，管永慶，等.殼聚糖強化絮凝對出水殘余鋁的控制效果［J］．中國給水排水，2013，29（3）：10-13.

［4］周爭，趙麗，黃建枝，等.納米鐵強化絮凝/砂濾/超濾工藝深度處理印染廢水［J］．中國給水排水，2013，29（21）：38-42.

［5］朱承彬，徐曉軍，占強，等.微波強化絮凝預(yù)處理浮選藥劑生產(chǎn)廢水的研究［J］．工業(yè)水處理，2013，33（10）：59-62.

［6］Gorin K V，Sergeeva Y E，Butylin V V，et al.Methods coagulation/ flocculationandflocculationwithballastagentfor effective harvesting of microalgae［J］.Bioresource Technology，2015，193：178-184.

［7］Gasperi J，Laborie B，Rocher V.Treatment of combined sewer overflows by ballasted flocculation：removal study of a large broad spectrum of pollutants［J］.Chemical Engineering Journal，2012，211-212（22）：293-301.

［8］Gromaire M C，Garnaud S，Gonzalez A，et al.Characterisation of urban runoff pollution in Paris［J］.Water Science&Technology，1999，39（2）：1-8.

［9］潘旭東，徐海波，魏文宇.載體絮凝技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀［J］.中國給水排水，2007，23（8）：1-4.

［10］張順．微砂絮凝新工藝優(yōu)化試驗研究［D］．武漢：華中科技大學(xué)，2007.

［11］Lien C A，Kruzic A P．The role of activated sludge solids in an Actiflo?system［C］．WEFTEC?，Processing of the Water Environment Federation，2006：6748-6759.

Experimental study on the treatment of simulated wastewater by synergistic ballasted flocculation precipitation process

Yuan Xunguo1，Sang Yimin2，Liang Cunzhen2，Han Yanhe2，Liu Meili2
（1.Society and Population Institute，Renmin University of China，Beijing 100872，China；2.Department of Environmental Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China）

Microsand enhanced pelleting flocculation process has been used for treating simulated wastewater.The influences of hydraulic retention time，treatment capacity，flocculant dosage，and the dosage of sands added on turbidity removing capacity are investigated，and the forming mechanism of synergistic ballasted flocs are analyzed.The results show that the hydraulic retention time ratio of coagulation tank，injection tank+maturation tank，precipitation tank，and the overall devices is 1∶3∶7.3∶11.3.Negative correlation is found between turbidity removing rate and influent flow rate.The optimum PAC dosage is 1 g/L.Running continuously under optimum dosages and sand adding conditions，the turbidity removing rate keeps at 98.5%-99.5%.The turbidity of treated effluent is below 1.7 NTU，obviously superior to the continuously running treatment effect above optimum dosage when sands are not added.The synergistic ballasted flocculation action of the microsands added is showed better.

ballasted flocculation；microsand synergy；flocculation precipitation

X703

A

1005-829X（2016）12-0055-04

袁訓(xùn)國（1976—），博士研究生，E-mail：yuanxunguo@ 126.com。通訊作者：桑義敏，工學(xué)博士，副教授，高級工程師。E-mail：sangyimin@bipt.edu.cn。

2016-10-21（修改稿）

國家自然科學(xué)基金項目（21677018）；北京市教委科技計劃面上項目（KM201510017008）