四種不同工藝對富營養化水源水的除藻效果

唐鋒兵,時真男,任志強,李思敏

(1.河北工程大學城市建設學院,河北邯鄲056038;2.邯鄲鋼鐵集團設計院有限公司,河北邯鄲056015)

水體富營養化嚴重影響了水體的使用功能,給其利用帶來了諸多不利影響。在以水庫、湖泊及緩流河水為原水的給水處理廠,富營養化水源水中藻類過度繁殖對常規給水工藝處理效果的不良影響主要表現在以下方面[1-3]：由于藻類不易混凝,使生產中投藥量增大;藻類密度較小,沉淀效果差;藻類會粘附在濾料表面,縮短濾池過濾周期;藻類會使水產生異嗅和異味;藻類可穿透濾池進入給水管網,成為可被細菌利用的可同化有機物,降低了水質的生物穩定性;部分藻類或其分泌物可在后續氯化消毒過程中與氯作用生成三氯甲烷等有害副產物,降低了水的健康安全性等等。

面對不同水源水的水質特點,除藻技術也不盡相同。樊杰等[3]對比了紫外光預處理與預氯化強化的除藻效果,發現紫外光預處理可減少消毒出水中的三氯甲烷生成量;李宗喜等[4]采用化學預氧化處理北方某市夏季高藻原水,獲得了較好的效果;趙志偉等[5]的研究表明氣浮強化工藝可以獲得較好的除藻效果。本文采用生物、物理、化學處理技術及不同的組合處理技術,研究了“生物過濾”、“臭氧預氧化-生物過濾”、“高錳酸鉀預氧化-混凝沉淀”和“混凝-氣浮”四種不同工藝,對富營養化水源水的除藻效果。

表1 水源水水質Tab.1 Quality of source water

1 原水水質及方法

1.1 原水水質

原水水質如表1所示。

1.2 試驗方法

本研究考察了4種處理技術對原水的除藻效果,各處理工藝及其方法分別如下所述：

工藝1：生物過濾

生物過濾法以生物陶粒為濾料(粒徑3～5mm的頁巖陶粒),濾柱直徑0.2m,陶粒濾料層厚度2.0m,過濾水力停留時間約40min。

工藝2：臭氧預氧化-生物過濾

臭氧預氧化-生物預處理工藝是在“工藝1”前增設臭氧投加點,選用不同的臭氧投加劑量,考察聯合工藝的除藻效果。

工藝3：高錳酸鉀預氧化-混凝沉淀

在高藻原水中加入不同劑量高錳酸鉀,同時加入混凝劑聚合氯化鋁(PAC,投加量15mg/L)。采用MY-3000型電動攪拌器,以300 r/min快速攪拌1 min、以150 r/min中速攪拌3 min、再以50 r/ min慢速攪拌10min、靜置15 min,以模擬實際生產中的混合、反應、沉淀等條件,沉淀后在液面下約2cm處取水樣測定其藻密度。

工藝4：混凝-氣浮

因藻類密度較小,混凝后不易沉淀,但經混凝可消除藻類所帶的負電荷,因此氣浮法較易使之上浮。選用混凝-氣浮工藝,以PAC為混凝劑,考察該工藝的除藻效果。結合筆者前期研究工作并參考有關研究結果[6-8],確定試驗工況如表2所示。

表2 混凝-氣浮試驗工況Tab.2 Work conditions of coagulation/flotation process

2 結果與討論

2.1 生物過濾除藻效果

通過預處理工藝除藻,可大大減輕后續處理工藝的除藻負荷,本研究考察了生物過濾預處理的除藻效果。試驗期間,當氣水比為1：1.5時,正常運行的生物陶粒濾柱對藻類的去除效果見圖1所示。

由圖1可知,當原水藻密度介于(0.88～4.16)× 106個/L時,濾柱出水藻密度介于(0.22～1.61)× 106個/L之間,去除率介于58.55%～75.89%,平均除藻率為69.04%,生物預處理表現出了較高的除藻率。試驗發現,生物過濾預處理除藻效果與原水中藻類的種類和過濾的水力負荷有著一定的關系。筆者研究結果表明[8],生物預處理對硅藻和綠藻的去除率低,對藍藻去除率較高;且在濾速2～6m/h范圍內,濾速提高會使除藻率降低,但水中含藻量較多時,為避免濾池較快堵塞濾速不宜低于4m/h。

表3 不同臭氧投加量下臭氧氧化-生物過濾除藻效果Tab.3 Algae removal efficiency by ozone pre-ozonation/bio-filtration process with different ozone dosage

同時,試驗結果表明生物過濾預處理對原水中的有機物(以CODMn計)的平均去除率可達36.4%,具有良好的除NH3-N效果,NH3-N平均去除率高達80%以上,對濁度的去除率在60%～80%之間,對色度的平均去除率達40%以上。

2.2 臭氧預氧化-生物過濾除藻效果

臭氧是一種強氧化劑,可迅速殺死藻類,同時可增加水中的溶解氧。臭氧分解放出的新生態氧的活潑性是氯的600倍[9],可氧化水中二價鐵、錳和大多數有機物,從而為后續處理提供更好的條件。本試驗選用了不同的臭氧投加劑量進行氧化預處理,聯用生物過濾預處理技術,考察了對原水的除藻效果,見表3所示。

由圖1與表3可知,臭氧預氧化-生物過濾處理工藝對含藻原水中藻類的去除效果較單獨生物過濾處理更為明顯。這是由于臭氧的強氧化作用,能迅速氧化破壞藻細胞結構,從而有效抑制了藻類的繁殖生長,并依靠生物過濾最終使其得以去除。臭氧投加量的大小對除藻效果有一定的影響,當臭氧投加量為1.5mg/L時,平均去除率可達到85%以上,比單獨生物預處理的平均去除率提高了15%以上。試驗同時發現,在臭氧投加量較小時,隨著投加量的增大,對色度的去除率也穩定上升;但當投加量由1.5mg/L增加到2.0mg/L時,對色度、NH3-N、藻類等的去除率增大并不明顯,考慮臭氧投加的成本,建議最佳臭氧投加量可控制在1.5mg/L左右,此時對色度、CODMn、濁度和NH3-N的平均去除率分別為62.3%、41.5%、75.6%和88.2%,臭氧預氧化有效地提高了生物過濾對色度和CODMn的去除效果。

2.3 高錳酸鉀預氧化-混凝沉淀除藻效果

化學氧化可以取得較好的除藻效果,其主要是利用氧化劑的強氧化性。常用氧化劑有氯、臭氧、高錳酸鉀等。氯殺藻效果好,但會生成大量對人體有害的氯化副產物。高錳酸鉀是一種強氧化劑,能夠有效氧化藻細胞從而控制藻類的生長,因此試驗選用了高錳酸鉀來進行除藻。根據“工藝3”的操作條件,不同高錳酸鉀投加量下的除藻效果見圖2所示。

本試驗原水中有機物濃度較低,在PAC混凝劑投加量為15mg/L時,高錳酸鉀預氧化-混凝沉淀達到了很好的除藻效果。從圖2可見,高錳酸鉀投加量為0mg/L時混凝沉淀的除藻率僅為65.91%,隨著高錳酸鉀投加量的增加除藻率明顯提高,當高錳酸鉀投加量為0.8mg/L時可以取得90%以上的除藻率。同時,試驗發現隨著高錳酸鉀投加量的增大,沉淀后出水濁度也隨之降低,但是高錳酸鉀投加量過高會使出水色度逐漸增加。因此,在實際工藝操作中應將高錳酸鉀的投加量控制在一定范圍內,建議控制在0.8～1.0 mg/L為宜。此時對色度、CODMn和濁度的平均去除率分別為38.4%、36.8%和86%,對NH3-N的去除率為40%左右。

2.4 混凝-氣浮除藻效果

相關的研究和工程實踐表明,混凝-氣浮工藝對藻類的去除效果顯著。但該技術的除藻效果與混凝劑的種類與投加量、混凝時間、溶氣水回流比、氣浮接觸時間等多重因素有關。試驗根據表2確定的操作工況,分析了混凝-氣浮技術對含藻原水的處理效果,結果如圖3所示。

試驗結果表明,混凝-氣浮工藝具有良好的除藻效果,在原水藻密度為(0.88～3.97)×106個/ L時,對藻類的去除率介于87.86%～94.18%之間,平均除藻率高達90.68%。在此試驗條件下,該技術對色度、CODMn和濁度的平均去除率分別為28%、30.7%和62%,對NH3-N的去除率僅約為20%。可見,混凝-氣浮可以獲得較好的除藻效果,但對上述其他指標的去除效果較差。

由上述試驗結果可見,生物過濾預處理單獨使用時可以取得70%左右的除藻率;生物過濾結合臭氧預氧化,當臭氧投加量為1.5mg/L時,平均除藻率可以達到85%以上;高錳酸鉀預氧化-混凝沉淀技術,操作較為簡單,但需要投加化學藥劑;氣浮技術除藻效果良好,但氣浮池排出的藻渣有機物含量高,在氣溫高時如果處理不及時則易于腐敗,使水廠環境惡化,所以藻渣處理是有待解決的問題。各類除藻技術均有不同的優缺點,面對不同原水水質特點,各種技術的除藻效果也會不盡相同。因此,在實際生產中,針對不同原水水質應采用試驗的方法來選定最優的除藻技術,同時考慮工藝對其他水質指標的去除要求,以獲得良好的水處理效果。

3 結論

1)生物陶粒濾柱過濾預處理對原水中藻類的去除率介于58.55%～75.89%,平均去除率可達69.04%。

2)當臭氧投加量為1.5mg/L時,臭氧預氧化-生物過濾的除藻率達到85%以上,比單獨使用生物濾柱過濾提高了15%以上。繼續增加臭氧投量,工藝除藻效果增加并不明顯,考慮投加成本,臭氧投加量應控制在1.5mg/L左右。

3)在聚合鋁投加量為15mg/L、高錳酸鉀投加量為0.8mg/L時,高錳酸鉀預氧化-混凝沉淀工藝可以取得90%以上的除藻率。但隨著高錳酸鉀投加量的繼續增加會使出水色度增加,實際工藝操作中高錳酸鉀投加量建議控制在0.8～1.0 mg/L為宜。

4)混凝-氣浮在原水藻密度為(0.88～3.97)×106個/L時,除藻率介于87.86%～94.18%,平均去除率高達90.68%。

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