低溫低濁水的微絮凝直接過濾處理綜述

□劉道靜（商丘市水利局）

□劉 陽（上海市水利工程設計研究院有限公司）

低溫低濁水為水溫在4℃左右，濁度為20NTU上下的水。我國北方以江河水為水源的水廠，每年的10月至次年3、4月份有長達5至6個月的冰封期，期間水源水質存在水溫低、濁度低、有機污染加劇的問題。

1.低溫低濁水的特性

低溫低濁水中雜質顆粒以膠體形式均勻分散于水中，其中帶負電膠體顆粒數量較少，并且其動力穩定性和凝聚穩定性較強。這些特點決定了水體電中和所需混凝劑較少，因此形成的絮體存在細、少、輕，難于沉淀的特點。

低水溫時，由于膠體顆粒Zeta電位較高、膠體顆粒間排斥勢能較大、膠體溶劑化作用增強、水體粘度變大使沉速降低以及氣體溶解度大吸附在絮凝周圍使絮體密度降低等原因,造成膠體顆粒脫穩困難，絮凝效果不佳。

低濁水中還存在溶解性天然有機物腐植酸、富里酸等，其濃度和特性決定了水中無極膠體顆粒的凝聚動力學過程。因此絮凝時只有加大投藥量在混凝劑中和了溶液中顆粒表面的天然有機物點和后才表現出架橋作用，而加大投藥量又會產生鋁殘余濃度過高的問題。研究表明,攝鋁過多會引發老年癡癥，因而不能僅靠提高混凝劑投加量的方法來滿足低溫低濁水的處理要求。

近年來，采用微絮凝工藝處理低溫、低濁、有色水體已成為發達國家水廠主要工藝選擇。

2.微絮凝—直接過濾

微絮凝—直接過濾技術是省去沉淀過程，將混凝與過濾過程有機結合在一起在濾池內同步完成的一種新型混凝過濾工藝技術。微絮凝是指在含有懸浮顆粒的渾濁水中加入絮凝劑使形成微小的聚集體的絮凝過程。直接過濾是指加入絮凝劑后，在濾前設置適當的絮凝反應池，將絮凝反應一部分在反應器內進行，另一部分移至濾池中進行過濾的過程，以增大初級絮體顆粒粒徑達到減少濾池水頭損失的目的。

2.1 機理

直接過濾過程中膠體顆粒的去除最基本的決定因素是懸浮顆粒大小，由于待去除顆粒物尺寸遠小于濾料孔隙尺寸，兩者之間的物理化學相互作用是顆粒物去除的主要影響因素。同時濾料孔隙中的水流剪切力、化學處理等都會影響到顆粒物的粘附與截留。研究表明過濾中的化學條件及顆粒物脫穩與絮凝最佳條件一致，而且絮凝中有效的化學影響在過濾中也有效。直接過濾是當絮凝體zeta電位達到最高值時進入濾層的，zeta電位降低，顆粒間的吸力就開始發揮作用，當zeta電位接近0時，吸引力達到最大值，脫穩微粒相互吸附絮凝而不斷被濾料截留去除。

2.2 適合的源水類型

Culp報告中對直接過濾對源水濁度和色度適用性做出總結：第一種是濁度和色度均<25單位的水體；第二種是低濁度、色度≤100色度單位；第三種為低色度、濁度≤200NTU。而Wiesnereta1.14J得出直接過濾對源水顆粒濃度和大小的適用性：第一種為出水顆粒濃度<10mg/L，懸浮顆粒直徑<1μm；第二種為出水顆粒濃度2～15mg/L，懸浮顆粒直徑2～4μm。而在實際應用中，針對不同水源需要通過試驗來確定最佳的處理藥劑和處理工藝。

2.3 絮凝劑的使用

20世紀80年代有研究報告指出，陽離子聚合物絮凝劑在絮凝時不形成氫氧化物絮狀沉淀就可以完成電中和，從而延長過濾周期并使水頭損失增長速度減慢。

欒兆坤、李桂平等研究表明，微絮凝—直接過濾工藝中聚合鐵比聚合鋁形成絮體更快、更密實、抗剪力更好，濾池運行周期更長，所需投藥量也較少。

除了用聚合鐵代替聚合鋁作為絮凝劑以外，節省絮凝劑的方法還有：采用微絮凝變孔隙深層過濾代替均孔隙系統，在達到相同效果的情況下，變孔隙系統PAC只需1-2mg/L，而均孔隙系統PAC需要6-9mg/L；選用新型聚鋁硅作絮凝劑，形成絮體快、過濾周期長、投藥量少、出水水質好,同時可降低濾床深度。經統計,微絮凝工藝一般可以比傳統工藝節約5%-10%的絮凝劑；在達到相同處理水平時，進行二次微絮凝比不進行二次微絮凝節省絮凝劑。

2.4 濾料

微絮凝直接過濾濾池濾料一般采用無煙煤、石英砂雙層濾料或者單層石英砂濾料，這有利于接觸絮凝作用。炭砂雙層濾料濾池相對于單層砂濾池出水濁度更穩定，水頭損失增長速度更慢，單位時間產水量更大。同時，研究表明炭砂雙層濾料濾池對CODMn、氨氮和亞硝酸鹽氮和腐殖質等的去除效果更好。

3.幾種微絮凝工藝簡介

3.1 微絮凝—超濾工藝

超濾是一種膜分離法，指在壓力作用下，利用特定膜的透過性能，實現分離水中膠體、分子或離子等的目的。超濾具有出水水質穩定、去濁率高、能有效去除水中病原體生物的顯著優點，并且超濾工藝還具有占地面積小、基建費用低、建設周期短的特點。但是原水直接進行超濾處理有機物去除率較低，而超濾膜受到有機物污染后直接影響超濾工藝的產水效率和運行成本。針對此種情況可進行微絮凝預處理，能夠有效去除水體中有機物，研究表明當進水CODMn為3.6～4.5mg/L時，出水CODMn<3.0mg/L，所以微絮凝是比較合適的預處理方法。

在基建和設備投資方面，微絮凝—超濾工藝與常規工藝相差不大，考慮到征地費用的話微絮凝—超濾工藝相對常規處理工藝要節省一些，研究表明微絮凝—超濾工藝的運行成本為0.233元/m3，(不含人工費及取水泵房和送水泵房的能耗費用)，而常規工藝只需要藥劑費用和一些日常的維護費用，約為0.05元/m3左右。相對來說，常規工藝的運行費用要便宜很多。

3.2 微絮凝變孔隙深層過濾技術

變孔隙過濾采用的濾床是一種比普通濾料粒徑更大的濾料和一種細濾料按一定比例混合而成，這兩種粒徑濾料所占的比例相差較大，其中細濾料所占比例約為3%～4%。這種濾床可使出水水質得到改善，采用大粒徑濾料實現濾層整體過濾，小粒徑濾料保證出水水質。

微絮凝變孔隙深層過濾技術與均孔隙濾料相比，可以顯著降低絮凝劑投藥量，在達到同樣處理效率情況下，變孔隙深層過濾可采用較大粒徑濾料，進水負荷較高，產水量較大，過濾周期較長。微絮凝變孔隙深層過濾能夠充分利用濾床進行過濾，提高過濾效率。

4.微絮凝—直接過濾技術的優缺點及前景

微絮凝—直接過濾工藝技術和經濟效果顯著。該工藝處理流程簡單，不需要建造沉淀池和絮凝反應池從而占地面積小，基建費用較低；由于直接過濾中絮體不需要生成很大，因此可以顯著降低絮凝劑投加量；該工藝還具有延長過濾周期、提高產水量和出水水質的優點。

由于受截污量的限制，微絮凝—直接過濾對處理高濁度、高色度的水質有一定的局限性；同時由于原水經混凝后直接進入濾池過濾，濾床停留時間短，熟化慢，因此對絮凝過程選擇合適的藥劑及投加量需要通過大量試驗來優化確定。

我國對直接過濾工藝的應用研究大部分建立在傳統濾池結構基礎上，局限在常規濾料和較淺床身的研究上，相關實際應用也較少。

微絮凝—直接過濾中顆粒的去除主要取決于顆粒的傳輸和粘附過程，因此可以進一步研究微絮凝—直接過濾微觀理論，研究顆粒傳輸粘附的微觀過程。通過實際試驗來優化這些設計參數以及濾料粒徑和濾料濾層等也是進一步研究的問題。

絮凝劑的選擇直接影響微絮凝—直接過濾工藝的實際運行效果和運行費用，所以應進行新型高效絮凝劑在微絮凝—直接過濾工藝中的應用研究。

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