蔡官軍 李 俊 羅 瑾 湯玉玲 鄒 康陳鈞杰 張聲權 江 延 章瞳瞳

(1.南昌大學 建筑工程學院，江西 南昌 330031；2.華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013；3.河北工程大學 能源與環(huán)境工程學院，河北 邯鄲 056038；4.南昌工程學院 土木與建筑工程學院，江西 南昌 330099)

高濁度水是指水中含有較高濃度的泥沙和細小顆粒的水體[1]，由于它含有大量的膠體顆粒和懸浮雜質(zhì)，這些膠體顆粒和懸浮物形成的分散體系較穩(wěn)定，僅靠自由沉降不能達到除濁要求[2-3]，若在原水中投加混凝劑，可破壞水中產(chǎn)生的穩(wěn)定分散體系，從而使水中膠體顆粒脫穩(wěn)形成易于沉淀的絮凝體顆粒[4-5]，進而達到除濁目的。目前國內(nèi)外高濁度水經(jīng)常采用的方法是化學混凝沉淀法，混凝劑的開發(fā)和應用以及最優(yōu)工藝方案的選擇已經(jīng)成為水處理工藝研究過程中最核心的問題之一[5]。

樊秀林等[6]對高泥沙水混凝沉淀進行了研究并開發(fā)設計出了高效混凝槽，適用現(xiàn)場地形狹窄高差大的工程。陽旭等[7]對高濁度水進行磁加載混凝沉淀的研究，得出了在PAM處理高濁度水中加入磁粉能夠很好地提高處理效果，但并未給出實際具體的工程方案。由于高濁度水具有濁度高、水質(zhì)復雜、受外界影響較大等特點，因此筆者在此對硅砂廠高濁度水處理進行了研究和探討，并提供了具體的工藝方案和工程估算。

某精制硅砂廠產(chǎn)40噸/年精制硅砂，項目占地面積24.537畝，總投資5200萬元，廠內(nèi)生產(chǎn)產(chǎn)品為水洗砂和規(guī)格砂，主要用于鑄造行業(yè)、玻璃行業(yè)、外墻外保溫行業(yè)，根據(jù)水樣測定分析，該尾砂水為高濁水，濁度高達8000NTU，懸浮物(SS)濃度為1000mg/L，水量為300m3/h，每天生產(chǎn)時間為10h，原項目工程通過普通沉淀處理尾砂水后直接排入長江，但處理后水的濁度仍然較大。根據(jù)污水排放綜合標準，該廠的普通沉淀處理并不能達到出廠水排放標準，因此需要投加混凝劑進行混凝沉淀處理才能達到生產(chǎn)要求。本文選用了固體硫酸鋁(Al2(SO4)3·18H2O)、聚合氯化鋁(PAC)、三氯化鐵(FeCl3)、聚丙烯酰胺(PAM)四種混凝劑，探討了在滿足生產(chǎn)要求的前提下，四種混凝劑中的最佳混凝劑及其最佳投加量。

1 實驗部分

1.1 試驗水樣

試驗用高濁度原水取自該精致硅砂廠的洗水砂、規(guī)格砂水樣，溫度為8.2℃-8.7℃，PH為7.9-8.1，濁度為8000NTU，SS為1000mg/L，DO為3.63-4.86mg/L，SPC為220-260s/m。原硅砂成分含量如表1。

表1 原硅砂成分含量

1.2 實驗試劑

固體硫酸鋁(Al2(SO4)3·18H2O)，聚合氯化鋁(PAC)，三氯化鐵(FeCl3)，聚丙烯酰胺(PAM)。

1.3 儀器

JJ-4A數(shù)顯六聯(lián)電動攪拌器，Hydrolab多參數(shù)水質(zhì)分析儀。

1.4 實驗方法

1)該實驗分為4組，每組3個重復，分別取1000mL原水于燒杯中，定位在攪拌機上，把5、10、15、20、25、30mg/L藥劑裝入攪拌器試劑架的試管內(nèi)，開動攪拌器的同時加入藥劑，在轉速300r/min下快速攪拌2min，在轉速60r/min下慢速攪拌15min，靜沉30min后取上層清液的1/2處，取200mL測定濁度等，確定最佳混凝劑的最佳投加量。

2)在選用最佳混凝劑的最佳投加量下進行絮凝沉降實驗，取1000mL原水于3個量筒內(nèi)，編號1、2、3，放置工作臺上并同時向量筒內(nèi)加藥(1號為原水不投加任何藥劑，2號為向原水中投加15mg/LPAM，3號為向原水中投加20mg/LPAM)，每隔15min取上清液和測定濁度等指標。

2 結果與討論

2.1 尾砂水自由沉降過程

取1000mL的原水于量筒內(nèi)，量筒內(nèi)不投加任何藥劑，攪拌均勻后計時，每隔15min取液面下5cm處上清液測量其濁度等，分析其沉降性能。尾砂水自由沉降過程如圖1。

圖1 自由沉降試驗

由圖1可知，隨著沉降時間增長，上層清液濁度不斷降低，當達到45min后濁度變化基本趨于平緩，濁度基本穩(wěn)定在220NTU，因此該尾砂水用自由沉降的方法是很難達到去除要求的，必須要向原水中投加混凝劑，以破環(huán)水中膠體的穩(wěn)定性，使其形成易于沉淀的絮凝體顆粒，以提高凈化效果[7-8]。

2.2 燒杯混凝實驗

試驗分別采用Al2(SO4)3·18H2O、PAC，F(xiàn)eCl3、PAM四種混凝劑對該廠尾砂水進行燒杯攪拌試驗研究。本實驗設置了六種不同混凝劑濃度，對其進行混凝試驗，反應結束后，在不同靜置時間下，測量其濁度。本次試驗對象為濁度8000NTU的尾砂水水樣，四種混凝劑的處理效果如圖2。

圖2 四種混凝劑的效果

由圖2可知：在投加量相同的情況下，PAC、PAM的處理效果遠好于FeCl3、Al2(SO4)3·18H2O，這主要是因為聚合物類絮凝劑能夠提供大量的絡合離子，且能夠強烈吸附膠體微粒，通過吸附、架橋、交聯(lián)等作用，使膠體顆粒絮凝，同時還發(fā)生物理化學作用，中和膠體微粒和懸浮物表面的電荷，從而降低了δ電位使膠體微粒由原來的相斥變?yōu)橄辔?，破壞膠體穩(wěn)定性，使其膠體顆粒和懸浮物易于絮凝沉淀[9-10]。達到相同處理效果時Al2(SO4)3·18H2O、FeCl3投藥量高于PAC和PAM，但由于PAM效果略好于PAC，去除率高達98.0%以上，因此處理該尾砂水最佳混凝劑為PAM，為了考慮經(jīng)濟可承受能力和節(jié)約成本，在達到生產(chǎn)要求的前提下PAM投藥量為10mg/L。

2.3 絮凝沉淀對比試驗

取原水于3個1000mL量筒內(nèi)，分別對量筒內(nèi)原水進行不投加任何藥劑、加10mg PAM、加15mg PAM處理，攪拌均勻后計時，每隔15min取液面下5cm處的上層清液測量其濁度等。尾砂水絮凝沉淀對比試驗結果如圖3。

(a)尾砂水絮凝沉淀過程 (b)懸浮物(SS)去除過程圖3 尾砂水絮凝沉淀過程(a)及懸浮物(SS)去除過程(b)

由圖3可知：投加混凝劑的處理效果遠好于自由沉降過程，PAM投加量為15mg/L時的混凝沉降性能最好，懸浮物(SS)濃度穩(wěn)定在60mg/L，但由于PAM為10mg/L時，去除率能夠達到污水排放綜合標準，在考慮節(jié)約成本的因素下，推薦該精致硅砂廠可以采用絮凝劑為PAM，投加量為10mg/L，每天投加量45kg。由于實驗室沉淀試驗與實際現(xiàn)場沉淀過程可能會存在誤差，為了保險起見，原水采用二級沉淀工藝，即先經(jīng)一級沉淀之后再投加混凝劑進行二級沉淀處理。

2.4 工藝方案的比選及確定

根據(jù)廠內(nèi)水質(zhì)水量分析，為了使處理出水水質(zhì)達到排放標準并且考慮技術可行性和經(jīng)濟可靠性等要求下，進行工藝比選，選擇一套最佳的處理方案。方案一：原水→輻流式預沉池→靜態(tài)混合器→穿孔旋流反應平流沉淀池→長江；方案二：原水→輻流式預沉池→靜態(tài)混合器→機械攪拌澄清池→長江。

方案比較分析：該精致硅砂廠尾砂水為高濁度水，輻流式預沉池處理高濁度水效果很好，對尾砂水進行初步處理，減小后續(xù)工藝的負荷，由于原水經(jīng)過預沉池+穿孔旋流反應平流沉淀池處理后出水水質(zhì)達到排入長江水的標準，并且建造成本遠低于機械攪拌澄清池，輻流式預沉池建造時可以考慮低洼地帶以減少土方開挖從而減少工程造價，因此方案一符合此次設計要求。處理工藝流程圖如圖4。

圖4 處理工藝流程圖

2.5 主要構筑物及投資估算

輻流式預沉池：

預沉池是指原水中含有較大的泥沙顆?；蚰嗌碀舛容^高時，在進行凝聚沉淀處理前設置的沉淀池[9-10]，該工程設置一座輻流式沉淀池。輻流式預沉池總面積為300m2，直徑為14m，沉淀時間t=1h，有效水深h=2.0m，總高度為H=3.2m，單池設計進水量為0.083m3/s，根據(jù)工程造價評估，每建設1m3的價格為1600元，則預沉池估算124.8萬元。

穿孔旋流反應池：

穿孔旋流反應池由6個小方格組成，每格之間的隔墻沿池壁方向開孔，孔口上、下交錯布置，水流沿著池壁切線方向進入池后形成旋流，其特點是結構簡單、造價低、易施工；但水量變動較大時，處理效果不能得到保證，且若每格的豎向流速較低時，底部可能會產(chǎn)生積泥，可與平流式沉淀池，反應池的有效容積為107m3，單池容積17.8m3，單格為正方形，邊長為1.2m，有效水深2.5m，絮凝時間為20min，污泥斗底為棱行，斗底平面為一正方形，邊長0.2m，斗高0.7m，絮凝池總高度為3.5m，根據(jù)工程造價評估，每建設1m3的價格為1500元，則穿孔旋流反應池估算56.175萬元。

平流式沉淀池：

設置一座平流式沉淀池，沉淀池容積450m3，平均流速v=12mm/s，池長43.2m，池深2.9m，寬3.6m，水力停留時間為1.5h；排泥管兼放空管，其直接采用最小直徑150mm，沉淀池進口處用磚砌穿孔墻布水，設置8個孔洞，墻長2.0m，墻高1.5m(有效水深1.4m，超高0.2m)，穿孔墻空洞總面積Ω=0.21m2，孔洞處流速采用Vo=0.08m/s，采用薄壁堰出水，出水渠寬度采用0.18m，則渠內(nèi)水深0.48m，為保證自由溢水，出水渠的超高定為0.1m，則渠道深度為0.58m。由于水量較小，采用穿孔排泥，V形槽邊與水平成53°，共設10個槽，槽高80cm，排泥管上裝快開閘門，根據(jù)工程造價評估，每建設1m3的價格為1700元，估算36.5萬元。

工程總估算為217.475萬元。

3 結論

(1)該硅砂廠尾砂水為高濁度水，用普通自然沉降難以降低其濁度。

(2)當原水水樣濁度很高時，混凝劑PAM投加量為10mg/L時，濁度去除率高達98.0%；混凝劑PAM超過10mg/L后，濁度降低緩慢并趨于平穩(wěn)，從經(jīng)濟可承受條件下節(jié)約成本的角度考慮，最節(jié)約成本時的混凝劑用量為10mg/L，因此將硅砂廠處理尾砂水擬采用最佳混凝劑PAM，用量為10mg/L。

(3)將此工程尾砂水處理進行工藝比選后，得出最佳處理工藝為：輻流式預沉池+穿孔旋流反應平流沉淀池，出水達到長江水排放標準。每天加藥量為45Kg，總工程估算為217.475萬元。

*基金項目：南昌工程學院第十七屆“挑戰(zhàn)杯”科技競賽項目(2019045)。