劉玉才， 喬 尚， 李 強(qiáng)， 國(guó)立巖

(雞西市供水有限公司，黑龍江雞西158100)

雞西市供水有限公司朝陽凈水廠設(shè)計(jì)產(chǎn)水能力為15×104m3/d，凈水流程為取水泵站—穩(wěn)壓配水井—機(jī)械攪拌混合池—投加混凝劑(PAC)—折板絮凝池—側(cè)向流斜板沉淀池—Ⅴ型濾池—消毒(液氯)—清水井—送水泵房—用戶。絮凝劑采用聚合氯化鋁(PAC)，最高設(shè)計(jì)投加量為60 mg/L，平均投加量為30 mg/L。低溫、低濁是東北地區(qū)顯著的地表水水質(zhì)特征，興凱湖作為雞西地區(qū)新選的主要水源地同樣具備該水質(zhì)特征。在近2年的凈化運(yùn)行過程中，該水廠也面臨藥劑投量大、水質(zhì)難以掌控、廠區(qū)自用水多、產(chǎn)水能力與設(shè)計(jì)能力相差較大等癥結(jié)。

1 存在的問題

朝陽凈水廠自2016年6月試運(yùn)行以來，最大來水量為3 800 m3/h。超過該水量時(shí)，形成的絮凝體不易下沉，藥劑投加量居高不下，有時(shí)超過最高設(shè)計(jì)投加量。濾池負(fù)擔(dān)加重，反沖洗、排泥頻次(每日排泥近7次)增加，廠區(qū)自用水量升高。

根據(jù)水溫<10℃、濁度<30 NTU便為低溫、低濁水的定義[1]，朝陽水廠的原水水質(zhì)條件在一年中有近7個(gè)月的時(shí)間都在此范圍之內(nèi)。水在自然狀態(tài)下會(huì)溶解一定量的空氣，這些氣體在水體壓力下降或水溫升高時(shí)通過相互接觸、碰撞形成氣泡。絮凝體在形成與增長(zhǎng)過程中會(huì)將水中的氣泡裹挾在絮凝體中或吸附于表面，造成絮凝體在水中的浮力增加不易下沉。形成的絮凝體細(xì)小，泥水分界面不清晰，沉淀速度和效果均不夠理想。

通過脫氣-復(fù)式投劑，即降低空氣在水中含量后再實(shí)行聚合氯化鋁的二次投加，可有效規(guī)避水中氣體對(duì)絮凝、沉淀的不良影響，加強(qiáng)絮凝體的接續(xù)增長(zhǎng)能力，對(duì)改善絮凝、沉淀效果起到積極作用。

2 工藝運(yùn)行調(diào)整

2.1 抬高穩(wěn)壓配水井出水水位

原設(shè)計(jì)下，穩(wěn)壓井來水后均勻匹配到3個(gè)凈水系列的配水槽中，并通過1.5 m高的跌水曝氣，讓原水中的Fe2+與空氣接觸被氧化成Fe3+，通過絮凝、沉淀加以去除。實(shí)際運(yùn)行中，在絮凝池內(nèi)產(chǎn)生了大量類似發(fā)泡劑的灰黃色物質(zhì)，經(jīng)檢測(cè)均是氣泡和絮凝體形成的混合物。一方面，這些物質(zhì)的形成嚴(yán)重影響了水質(zhì)的感官性狀，增大了清撈的作業(yè)難度。另一方面，剛剛形成的絮凝體未能繼續(xù)吸附水中的雜質(zhì)顆粒，便在水中氣泡的吸附裹挾下浮到水面，造成混凝劑的嚴(yán)重浪費(fèi)和水質(zhì)的下降。

對(duì)此，將3個(gè)配水槽出水水位提高到進(jìn)出平衡，以消除跌水摻氣對(duì)后續(xù)工藝的影響。出水水位提高后灰黃色物質(zhì)隨之消失，PAC平均單耗也由45 mg/L降到21 mg/L，水質(zhì)明顯改善。原水中鐵含量并不高(0.4～0.6 mg/L)，通過正常的絮凝、沉淀處理后能控制在0.1～0.25 mg/L，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)規(guī)定的0.3 mg/L要求。

2.2 調(diào)整混凝劑投加點(diǎn)

在確認(rèn)水中氣體對(duì)絮凝體下沉的影響后，如何“避氣”就顯得非常必要。運(yùn)行工藝中折板絮凝池共分3個(gè)能級(jí)：第一能級(jí)為相對(duì)折板，第二能級(jí)為平行折板，第三能級(jí)為平行直板。第一能級(jí)的水流速度最快，紊流最強(qiáng)，溶于水中的氣體在此處由于壓力下降，最易從水中溢出。原工藝的PAC投加點(diǎn)在第一能級(jí)的首端——機(jī)械攪拌混合池內(nèi)，造成絮凝的同時(shí)氣泡上浮，形成了大量灰黃色物質(zhì)(稱之為“泥毯”)。

“脫氣”可減少絮凝體上附著或裹挾的氣泡，降低絮凝體在沉降過程中的浮力。在經(jīng)過數(shù)次實(shí)驗(yàn)室和工藝實(shí)驗(yàn)后，將投加點(diǎn)位置調(diào)整為第一能級(jí)末端和第二能級(jí)末端，從而使水中氣體得到有效釋放，減少對(duì)絮凝沉淀的不利影響。

3 方案實(shí)施與應(yīng)用效果

3.1 脫氣原理

水中氣體為分溶解性氣體和非溶解性氣體，溶解性氣體對(duì)混凝沉淀效果的影響較小，而非溶解性氣體在水力條件發(fā)生變化時(shí)，例如溫度升高、壓力下降、流速增加等，會(huì)逐漸形成超微氣泡(直徑小于1 μm)、微氣泡(1～150 μm)[2]，通過接觸、碰撞并增大為氣泡，附于介質(zhì)上或從水中溢出。氣泡在增大移動(dòng)過程中如果被絮凝體包裹或吸附在絮凝體上，就會(huì)增加絮凝體浮力，影響下沉速度。760 mm汞柱下，不同溫度時(shí)1 L水中的空氣溶解度見表1。

表1 不同溫度下空氣在水中的溶解度Tab.1 Solubility of air in water at different temperatures

從表1可以看出，水溫在3℃時(shí)空氣的溶解度為27 mL，而在常溫20℃時(shí)為18 mL，較大的溶氣差異會(huì)對(duì)絮凝沉淀產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，不同壓力下水中氣泡的直徑也存在差別，當(dāng)壓力<5 bar時(shí)，氣泡直徑明顯增大，對(duì)絮凝沉淀開始產(chǎn)生不良影響。

3.2 實(shí)施方案介紹

穩(wěn)壓配水井的自然均布構(gòu)造、混合池的機(jī)械攪拌、折板絮凝池的三能級(jí)潛力都為“脫氣”-復(fù)式投加提供了可行性。第一次投加(占總投加量1/5～1/6)設(shè)置在配水井3個(gè)均勻出水池內(nèi)，第二次投加(占總投加量4/5～5/6)設(shè)置在折板絮凝池第一能級(jí)末端，第三次投加選在第二能級(jí)末端。第一次投加的目的是讓水中雜質(zhì)與PAC形成微小的絮粒，避免與水中氣體大面積接觸，第二、三次投加是讓絮凝體擺脫“連續(xù)破碎”的影響，讓絮凝體“接續(xù)增長(zhǎng)”快速變大。不僅避免了水中氣體的負(fù)面影響，還兼顧了絮凝沉淀效果。

3.3 投加比例和時(shí)間間隔的確定

采用MY3000-6N混凝實(shí)驗(yàn)?zāi)M儀，針對(duì)二次加藥，分別對(duì)間隔時(shí)間和所占比例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)中，先以100 r/min 攪拌3 min，再以60 r/min攪拌10 min，最后以30 r/min攪拌10 min，沉淀20 min后測(cè)定濁度。

表3 不同投加比例下的混凝效果Tab.3 Precipitation effect at different dosing ratios

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，第一次與第二次投加間隔時(shí)間為8 min，投加比例為1∶6時(shí)凈化效果最好。

4 實(shí)施辦法

利用40FSZ-18R型不銹鋼耐酸泵，將溶解好的PAC溶液通過3個(gè)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)(Q=600 L/h)按比例加到穩(wěn)壓配水井3個(gè)溢流堰出口處，作為第一次投加。

再利用混合池的機(jī)械攪拌(混合時(shí)間20 s，混合G值500 s-1)和折板絮凝池第一能級(jí)流速快(0.307 m/s)的潛力，將在混合池的原投加點(diǎn)改到第16絮凝格內(nèi)，作為第二投加點(diǎn)。將機(jī)械混合池和前15絮凝格作為“脫氣”池，讓水中氣體得到有效釋放，并滿足第二次和第三次投加的時(shí)間間隔要求。

5 效益分析

方案實(shí)施后，凈水劑耗量由30～60 mg/L下降到17～25 mg/L，若按水廠正常產(chǎn)水量80 000 m3/d、PAC單價(jià)2 400元/t計(jì)算，每天可節(jié)約PAC用量1.92 t，折合4 608元，每年可節(jié)約資金1 681 920元。

同時(shí)，廠區(qū)自用水由原來的4 000 m3/d減少到3 000 m3/d，如按現(xiàn)行水價(jià)2.2元/m3計(jì)，每年可節(jié)約803 000元。

從水質(zhì)保障上，二次投加后濾前水濁度基本在1 NTU以下，濾后水和出廠水濁度保持在0.5 NTU以下，有力保障了水質(zhì)穩(wěn)定。

2018年2月實(shí)施脫氣-復(fù)式投加方案前后，水廠混凝劑用量和制水量的變化見圖1。

圖1 方案實(shí)施前后的混凝劑投加量與制水量Fig.1 Coagulant dosage and water quantity before and after the implementation of the scheme

6 結(jié)論

水中氣體的影響是低溫低濁水難以處理的原因之一。通過實(shí)施脫氣-復(fù)式投加方案，有效降低了水中氣體對(duì)絮凝沉淀的不良影響，擴(kuò)大了水質(zhì)可控范圍，降低了凈水劑用量和廠區(qū)自用水量，保障了出廠水水質(zhì)穩(wěn)定，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，具有較好的推廣前景和借鑒意義。