陳卓然, 張潤泉, 于東魁, 劉佳博, 張怡然

(1.天津泰達水業(yè)有限公司, 天津300457; 2.天津泰達津聯(lián)自來水有限公司, 天津300457)

混凝工藝是整個水處理過程中的一道核心工序,混凝沉淀過濾環(huán)節(jié)可有效去除水中顆粒物及有機物,大幅度降低水中的渾濁度和色度。 目前,水源水質(zhì)情況趨于復雜,為適應水質(zhì)變化,提升工藝抗沖擊性,混凝工藝階段一般通過增加藥劑投加量、調(diào)節(jié)水體pH、使用新型復合混凝劑、投加助凝劑等方式,在常規(guī)生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上增強混凝效果[1]。 混凝沉淀效果對后續(xù)過濾工藝影響很大,通過合理控制濾前、濾后水水質(zhì),使反應池和過濾池協(xié)同發(fā)揮最佳的運行性能,有利于保障出廠水的穩(wěn)定和優(yōu)良。

上向流炭吸附脈沖澄清池(UCR)工藝的主要特點是在脈沖澄清池系統(tǒng)中結(jié)合活性炭吸附,集沉淀、澄清、吸附功能于一體,將固液分離和吸附有機物緊密結(jié)合,同時去除濁度和有機物[2]。 UCR 工藝先進,自動化程度較高,但泥層存在礬花上浮問題,且受流量變化影響大。 機械攪拌池連接斜管沉淀池工藝的前端連接預處理工段,配置完善的加藥系統(tǒng),可適當投加混凝劑及助凝劑,經(jīng)兩級機械攪拌強化混凝效果,混凝出水經(jīng)過隔板絮凝池,經(jīng)斜管沉淀池沉淀后連接Ⅴ型濾池進行過濾。 機械攪拌池連接斜管沉淀池工藝采用兩級機械攪拌,可有效保障藥劑能快速、均勻地擴散,且能保證一定的停留時間,對水質(zhì)水量變化適應性強;斜管沉淀池能有效減小水力半徑,縮短顆粒沉淀距離,加快沉淀并提高了整理沉淀效率,整體工藝運行較為穩(wěn)定,操作簡便,出水水質(zhì)良好。 本文以夏季長江水為試驗原水,采用上向流炭吸附脈沖澄清池(UCR)工藝及機械攪拌池連接斜管沉淀池工藝,開展工藝適用性小試、中試試驗,探討2 種不同混凝工藝的水處理效果。

1 材料與方法

1.1 原水水質(zhì)

試驗原水為引江水,試驗期間主要水質(zhì)指標如下:溫度為26.1℃～28.5℃,pH 為7.83～8.28,濁度為1.31 NTU ～ 7.84 NTU,CODMn為1.9 mg/L ～2.6 mg/L。

1.2 試驗方法

1.2.1 小試試驗

小試試驗采用六聯(lián)攪拌機,選擇聚氯化鋁(PAC)及三氯化鐵為混凝藥劑,試驗用水為實際生產(chǎn)中的預氧化出水。 混凝攪拌參數(shù):調(diào)試階段攪拌速度40 r/min,攪拌時間1 min;投藥過程攪拌速度40 r/min,攪拌時間3 min;快速混合階段攪拌速度150 r/min,攪拌時間2 min;慢速絮凝階段攪拌速度40 r/min,攪拌時間15 min。 混凝結(jié)束后靜置沉淀20 min。 通過小試試驗,主要探究鐵鹽、鋁鹽混凝劑混凝特點。

1.2.2 中試試驗

中試試驗的預處理工藝均為預臭氧,臭氧劑量為1.0 mg/L,投加等量混凝劑,探究兩種不同強化混凝工藝的處理效果。 運行工藝分別為A 工藝:原水→預臭氧→三氯化鐵+PAC 混凝→脈沖澄清池→砂濾池;B 工藝:原水→預臭氧→三氯化鐵+PAC 混凝→斜管沉淀池→砂濾池。 中試試驗地點為天津某凈水廠中試車間,試驗設(shè)備的規(guī)模為Q=3 m3/h,工藝流程見圖1。 該設(shè)備可模擬凈水廠實際運行工藝流程,上向流炭吸附脈沖澄清工藝(UCR)與機械攪拌反應池組合斜管沉淀池工藝為并聯(lián)關(guān)系,前、后所設(shè)工藝流程為共用流程。

圖1 中試試驗工藝流程

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵鹽、鋁鹽混凝劑混凝特點

鐵鹽、鋁鹽混凝劑在使用中有不同特點,PAC是目前應用最為廣泛的混凝劑之一,但大量投加PAC 可能使濾后水殘余鋁離子增加,帶來飲用水安全問題[3]。 三氯化鐵使用過程無二次污染,但會影響出廠水色度,并帶來腐蝕管道風險。 小試試驗分別單獨投加三氯化鐵和PAC 藥劑,投加量從低到高均為1 mg/L～10 mg/L,沉淀20 min 后取樣檢測出水濁度、UV254,同時觀察混凝過程中絮體變化情況,混凝效果對比見表1。

表1 三氯化鐵和PAC 混凝效果對比

通過觀察和檢測,三氯化鐵投加量較小時,礬花形成速度慢且細小,投加量小于6 mg/L 時,濁度去除率僅為30%～40%,隨著投加量增加,混凝效果增強,形成絮體體積大且相對穩(wěn)定,投加量為10 mg/L時,濁度去除率可達到70%,隨著投加量增加,濁度去除效果良好,但色度升高,使水體感官性狀變差。PAC 投加量較小時,形成的礬花體積小且輕,上浮現(xiàn)象明顯,隨著投加量增加,絮體逐漸密集,沉降效果加強,投加量10 mg/L 時,濁度去除率可達到80%～90%。 在長江水低濁度條件下,PAC 投加量小于6 mg/L 時,絮體細碎上浮,不易形成緊密礬花,影響出水濁度;三氯化鐵作為混凝劑的礬花形成速度慢,投加量較小時除濁效果不佳,無法達到預期效果,投加量增加后,混凝效果提升。 總體而言,鋁劑濁度效果更強,在后續(xù)中試試驗中選擇鐵、鋁復配投加形式,整體投加量大于10 mg/L。

2.2 中試試驗的不同混凝工藝對濁度去除效果

斜管沉淀工藝出水與脈沖澄清池出水濁度對比見圖2。 試驗期間原水濁度1.31 NTU～7.84 NTU,預處理工藝為預臭氧,配比不同混凝劑投量,運行穩(wěn)定后檢測沉淀池出水。 結(jié)果表明,同一投藥量條件下,兩種工藝對于原水濁度的去除效果相對接近,總投藥量10 mg/L～15 mg/L 時,兩種工藝混凝出水濁度在0.4～0.5 NTU,仍相對偏高,繼續(xù)提高混凝劑投量,沉淀池出水濁度有所降低。 斜管沉淀工藝在總投藥量達25 mg/L 后,繼續(xù)增加投藥量,濁度繼續(xù)降低趨勢不明顯,整體除濁率基本飽和。 脈沖澄清工藝持續(xù)加大藥量,可繼續(xù)降低出水濁度,在總投藥量40 mg/L 時,濁度降至0.2 NTU 以下,比相同加藥條件下的斜管沉淀工藝,濁度去除率進一步提升40%,可見在大藥量運行條件下,脈沖澄清工藝的除濁效果優(yōu)于斜管沉淀工藝。 但實際運行中考慮后續(xù)仍有過濾工藝,為有效發(fā)揮濾池功效,控制濾前處理效果較好即可,一定程度上可以減少藥劑投加量。

圖2 不同混凝工藝濁度去除效果

此外,原水濁度情況對混凝效果也有一定影響,試驗中發(fā)現(xiàn)在原水濁度同為2 NTU 左右時,復配投加15 mg/L PAC 及10 mg/L FeCl3藥劑,斜管沉淀池出水除濁率為82.02%,脈沖澄清池出水除濁率為77.59%,減少混凝劑投量,脈沖澄清池出水除濁率進一步下降至70%左右,但斜管沉淀池出水仍可保持80%左右的除濁率。 可以看出,斜管沉淀池對于超低濁度原水的適應性更好,可有效處理的原水濁度范圍更廣,脈沖澄清池在原水低濁度情況下,混凝所形成的礬花體積減小,沉降性變差,造成整體UCR 工藝泥層穩(wěn)定性下降,在水流脈沖過程中可能造成絮體上浮,造成除濁效果下降,而提升藥量運行,會使UCR 泥層穩(wěn)定性提升,保障出水穩(wěn)定,但造成藥劑投加量增加,藥耗升高。

2.3 不同混凝工藝對CODMn 去除效果對比分析

斜管沉淀工藝出水與脈沖澄清池出水CODMn對比圖見圖3。 結(jié)果表明,當原水CODMn范圍為2.0 mg/L～2.4 mg/L 時,增加混凝劑投量,可以有效降低原水CODMn,總投藥量25 mg/L 時,斜管沉淀工藝CODMn去除率達到50%左右,脈沖澄清工藝CODMn去除率達到60%左右,繼續(xù)增加藥劑投量,降低效果不明顯,混凝工藝對于有機物的去除效率基本飽和。 復配投加20 mg/L PAC 及20 mg/L FeCl3 藥劑,脈沖澄清工藝與斜管沉淀工藝CODMn去除率達到最高,分別為66.33%和55.22%。 從圖3 可以看出,在混凝劑不同投藥配比下,脈沖澄清工藝的有機物去除效果均明顯優(yōu)于斜管沉淀工藝,主要是由于UCR 特殊的泥層工藝,通過水流的脈沖作用,加強了對于有機物的吸附效果,強化了原水中CODMn的去除效果。 在應對原水有機物指標偏高情況時,脈沖澄清工藝適用性更強,同時若出現(xiàn)原水有機物突發(fā)升高問題,可及時利用活性炭吸附作用進行應急處理。

圖3 不同混凝工藝CODMn 去除效果

2.4 混凝過程對出水鋁的影響

不同混凝劑投藥方式對殘余鋁的影響見圖4。隨著PAC 藥劑投加量的增加,混凝效果有所加強,但濾前水鋁有所上升,復配投加15 mg/L PAC 及10 mg/L FeCl3藥劑時,出水殘余鋁達到最高為0.114 mg/L,繼續(xù)增加投藥量,殘余鋁下降至0.082 mg/L。 可見PAC 藥劑小劑量投加時,濾前水鋁升高趨勢受到藥劑中鋁元素的總引入量限制,不會有大幅升高。 復配投加15 mg/L PAC 時,混凝效果增強,濾前水濁度降低至0.3 NTU 以下,但考慮在增加藥劑投量的同時,導致了較多的含鋁膠體形成,混凝劑的有效利用率降低,沉淀過程中有鋁離子析出,使殘余鋁增加。 增加PAC 藥劑投量至20 mg/L時,出水濁度進一步下降,伴隨出水殘余鋁也有所下降,考慮為此刻混凝形成的礬花更為緊實,鋁會伴隨顆粒態(tài)物質(zhì)去除而有效降低。 在后續(xù)過濾工藝中,主要去除的是顆粒鋁,合理控制水體pH 值,減少水中的溶解鋁析出,可有效在過濾工段進一步降低出水殘余鋁。

圖4 混凝效果對殘余鋁的影響

處理低濁度引江原水時,過低的混凝劑投量不能有效降低原水濁度,反而會由于礬花沉淀效果的影響使?jié)岫壬仙?過量投加混凝劑可以達到良好的濁度去除率,但不符合節(jié)能經(jīng)濟運行要求,在達到穩(wěn)定的出水濁度及有效控制出廠水殘余鋁超標風險上需要綜合考慮,在混凝處理中找到一個最佳的平衡狀態(tài)。

2.5 混凝工藝對后續(xù)工藝段的影響分析

通過整體分析,斜管沉淀工藝與脈沖澄清工藝均可達到優(yōu)于常規(guī)處理工藝的水處理效果,在保證濁度去除率較高的基礎(chǔ)上,進一步提升對水中有機物的去除。 同時,將濾前水有效控制在0.5 NTU 左右時,濾池過濾性能最好,使用壽命和水電消耗最優(yōu)[4]。 脈沖澄清工藝與斜管沉淀工藝相比,除濁效果接近,去除CODMn效果略優(yōu),兩種不同工藝應對引江水均可以達到良好的混凝沉淀出水效果,可為后一步過濾工藝減輕運行負荷。 控制混凝沉淀出水濁度0.5 NTU 以下,可有效控制沉后水殘余鋁0.15 mg/L 以下,后續(xù)通過過濾工藝,可繼續(xù)降低20%～30%,保證出廠水殘余鋁符合國家標準要求。

3 結(jié)語

① 不同混凝劑使用效果不同,在凈水廠實際生產(chǎn)過程中,應根據(jù)原水水質(zhì)特點,選擇合適的混凝劑及投加方式,運行有效的水處理工藝。

② 脈沖澄清工藝與斜管沉淀工藝對濁度2 NTU～5 NTU、CODMn小于3 mg/L 的引江水有較好的處理效果,兩種工藝沉淀后出水濁度接近,脈沖澄清工藝去除有機物效果更佳。 在原水有機物指標較高時,增加脈沖澄清工藝運行負荷,當原水濁度偏低時,考慮斜管沉淀工藝保證對出水濁度的降低,合理對工藝進行組合優(yōu)化,可達到最佳的處理效果,探索更為適用的運行參數(shù)。

③ 出水殘余鋁受到PAC 投加量、原水水質(zhì)情況、混凝處理效果的共同影響。 在實際生產(chǎn)中合理復配PAC 及FeCl3藥劑,保證混凝效果,有效控制沉后水濁度可有效降低出水殘余鋁超標風險。