強化混凝工藝處理灤河低溫低濁水的試驗研究

郭偉鋒 白小東

天津市灤河水每年從11月底到次年3月初水溫、濁度一直處于全年平均值之下,這一時期該水源水呈現低溫低濁的特征。這一特征給飲用水常規處理工藝帶來很大的影響,這是因為原水水溫低,水的動力粘度系數提高,減弱了水中膠體的顆粒運動,降低了它們之間相互碰撞的幾率;水中膠體的溶劑化作用增強,顆粒周圍的水化膜加厚,妨礙顆粒凝聚,影響了常規混凝效果[1];同時,原水濁度低,通過混凝所形成的絮體較輕,較細,不易下沉,難以通過沉淀從水中分離出去,這就影響了常規沉淀效果;這樣的水進入濾池后,很容易穿透濾層,濾后水往往很難達標,這便嚴重影響了常規過濾工藝。

因此本文針對天津市灤河水源水的特征,采用強化混凝,氣浮[2]技術強化常規處理工藝,以提高對低溫低濁水的處理效果,從而保障出水水質,并降低生產運行成本。

1 材料與方法

1.1 原水水質

本試驗于2007年11月～2008年2月進行,試驗期間其原水水質具有低溫,低濁,微污染的特點(見表1)。

表1 試驗期間灤河原水水質

1.2 試驗流程

中試試驗流程設計為兩套系統:1)“混凝+沉淀+過濾+消毒”(簡稱沉淀系統);2)“混凝+氣浮+過濾+消毒”(簡稱氣浮系統)。

上述兩流程處理水量均為5 m3/h。混合池采用機械攪拌混合,反應時間為1 min,兩級絮凝反應池的反應時間為18 min,試驗中混凝劑,助凝劑均采用計量泵加入;氣浮單元為加壓溶氣氣浮,水力負荷11 m3/(m2?h),回流比為8%～10%,設計停留時間16 min;斜管沉淀池的上升流速為3.3 mm/s,停留時間28 min;濾池采用無煙煤—石英砂雙層濾料,上層為厚度600 mm粒徑1.2 mm～1.5 mm的無煙煤,下層為厚度400 mm粒徑0.5 mm～1.0 mm的石英砂。濾速為8 m/h,反沖洗采用氣、水聯合反沖洗,先采用氣沖,沖洗強度q=9 L/(s?m2),然后采用水沖漂洗,強度q=6 L/(s?m2)。

1.3 試驗方法

試驗分為若干組,每組試驗中,同時運行兩套中試系統,原水水質如表1所示,在保證濾池出水濁度,CODMn不超過一定要求的前提下,考察不同的混凝劑主要是三氯化鐵(FeCl3)和聚合氯化鋁(PAC)的混凝效果及其對應的最佳投加量,同時考察助凝劑NaSiO3與FeCl3的最佳配比,從而選擇出較優的強化混凝工藝處理該水質期灤河原水。

1.4 檢測項目及其分析方法

濁度采用HACH2100N濁度儀測定;耗氧量(高錳酸鹽指數CODMn)采用酸性高錳酸鉀法測定;藻類采用血細胞計數板顯微鏡鏡檢計數法測定;中試濾池水頭損失通過測壓管讀數讀取。

2 結果與分析

2.1 混凝劑的選擇及最佳投加量

針對天津市這一時期的水質主要考察在保證濾池出水濁度不大于0.3 NT U,CODMn≤3.0 mg/L情況下,混凝劑三氯化鐵(FeCl3)和聚合氯化鋁(PAC)在常規處理工藝中的混凝效果及其對應的最佳投加量,以及對過濾周期的影響,結果見表2。

表2 不同混凝劑對出水水質的影響

所謂混凝劑最佳投藥量是指混凝的懸浮物(在一定時間間隔后)分離為沉渣或者浮渣時,水中的剩余濁度達到最低所需要的最小混凝劑的量[3]。但是值得指出的是最佳投加量并不是一成不變的,要根據水質情況和各個工藝出水水質要求來確定。一般為一個范圍值。如表2所示,在沉淀系統中FeCl3的最佳投量為6 mg/L～10 mg/L,PAC最佳投量相應少一些,在氣浮系統中也是如此。同時可以看出,不論是在沉淀系統還是氣浮系統中混凝劑PAC對出水水質的保障率均高于混凝劑FeCl3,然而,PAC藥劑費用遠高于混凝劑FeCl3的藥劑費用。根據石明巖等人研究表明[4],在原水水質基本不變的情況下,混凝劑費在生產運行成本中占有的比例最大。從水廠生產成本來說,采用FeCl3作為混凝劑較為經濟。

同時試驗研究發現,在過濾初期不同混凝劑對濾池水頭損失增長速度影響不大,但隨著過濾時間的增加,使用PAC混凝劑時,總水頭損失增長速度不斷加快,增長速度明顯較使用FeCl3混凝劑時要快,過濾周期也明顯減短。這是因為混凝劑PAC屬于高分子聚合物,其水解時形成的膠體狀Al(OH)3產物輕而蓬松,加之這一水質期,水溫、濁度較低,絮體不易形成,雜質顆粒難以沉降,過濾時又會聚積于濾料表層,堵塞濾料孔隙,從而增加水頭損失,相反混凝劑FeCl3形成的絮體顆粒較為密實,易于沉淀。因此,在該水質期內,使用混凝劑FeCl3時,濾池過濾水頭損失增長相對較慢,過濾周期較長,有利于減少生產運行成本。

2.2 NaSiO3與FeCl3不同配比混合液作用效果

根據生產實踐,NaSiO3(泡花堿)常與混凝劑FeCl3按一定比例配制成混合液用于低溫低濁原水的處理,因此本試驗只是在混合液的配比上進行了一定程度的試驗,試驗中采用的混合液的配比包括:鐵∶堿=5%∶7.5%=1∶1.5;鐵∶堿=7.5%∶5%=1.5∶1;鐵∶堿=5%∶5%=1∶1。在投藥量(以Fe量計)相同的情況下,并且保持其他工藝參數不變,考察以上三種配比的混合液的作用效果。主要從對出水濁度和CODMn去除率的去除效果以及對濾柱水頭損失的影響方面進行考察,當原水濁度在1.16 NTU～1.49 NTU,溫度在0.8℃～1.4℃間變化時,混凝劑投量(以Fe量計)始終為3 mg/L,其他工藝參數亦不變。鐵∶堿=1∶1.5的混合液作用效果要好于其他兩種配比的混合液,其作用的氣浮和沉淀工藝出水平均濁度均在0.3 NTU之下,CODMn去除率達到40%以上。使用三種不同配比的混合液后,濾池水頭損失隨時間基本都呈直線變化,這是符合濾池過濾中水頭損失增長的一般性規律的。但相比鐵∶堿=1.5∶1和鐵∶堿=1∶1的混合液,用鐵∶堿 =1∶1.5的混合液時,濾池的水頭損失增長速度較快,過濾周期也縮短了1 h～4 h。然而相比混凝劑為PAC或FeCl3,使用鐵∶堿=1∶1.5的混合液時,濾池水頭損失增長速度明顯減慢,濾池過濾周期延長。綜上所述在灤河水低溫低濁期,適當提高混合液中泡花堿的比例有利于提高常規工藝處理效率。

3 結語

1)研究結果表明,在灤河水低溫低濁期,無論在常規沉淀工藝中還是常規氣浮工藝中混凝劑PAC對濁度和CODMn的去除效果較優于混凝劑FeCl3。2)在滿足出水濁度和CODMn要求的情況下,每處理單位水體PAC混凝藥劑費用遠高于FeCl3,且濾池過濾周期明顯縮短,采用FeCl3作為混凝劑較為經濟。3)當使用NaSiO3與FeCl3混合液作為混凝劑時,適當增大混合液中NaSiO3的比例有利于提高常規工藝處理效率。

[1] 孟凡良,崔福義.低溫低濁地表水處理技術的探討[J].哈爾濱商業大學學報,2003,19(2):187-190.

[2] Schofield T.Dissolved air flotation in drinking water production[J].Wat.Sci.Tech.,2001,43(8):9-18.

[3] 孫 彥.強化混凝氣浮工藝處理低溫低濁引黃水中試研究[D].天津:南開大學,2004.

[4] 石明巖,張朝升,張可方,等.常規給水處理系統運行技術的優化[J].水處理技術,2005,31(6):68-72.