呼延水廠混凝沉淀強化工藝技術的中試研究

馬永強 徐明德

(1.太原理工大學，山西 太原 030024;2.太原市自來水公司，山西 太原 030009)

1 概述

呼延水廠原水取自萬家寨黃河水，經由汾河一庫，因停留時間過長，水中大部分雜質下沉到庫底，濁度也顯著降低，在冬季形成較難處理的低溫低濁水。汾河一庫水中藻類含量低，原水水質全年變化不大，溫度、濁度夏季比冬季略有升高。

水廠采用常規給水處理工藝，通過對混合、反應、沉淀、過濾工藝的參數進行校核，并從理論上分析流速、剪切強度、反應時間、水頭損失的合理性，在前期實驗室小試與藥劑質量分析的基礎上確定強化絮凝的中試方案。

2 中試方案概要

2.1 原水水質

試驗原水為呼延水廠濾池反沖洗水回流與水廠原水的混合水。水質指標見表1。

表1 原水水質指標

2.2 工藝流程

工藝流程見圖1。

2.3 設計參數

設計參數見表2。

圖1 水處理工藝流程

表2 設計參數

2.4 試驗藥劑

混凝劑選用市售PAC、水廠自制PAC原液(以下簡稱水廠原液)及其稀釋液(以下簡稱水廠稀釋液)，助凝劑選用PAM和活化硅酸。

3 結果與討論

3.1 混凝劑的優選

由圖2明顯可以看出，市售PAC效率最高，投加量3 mg/L左右時便能使沉后水濁度降低到1 NTU以下。但是，由于制造原材料和制造工藝的原因，市售PAC藥劑質量不穩定，含有雜質多，有害物質含量相對高。而水廠稀釋液在最佳投藥量下沉后水濁度為0.94，略高于市售PAC的0.71 NTU 和水廠原液的0.74 NTU，但是從經濟、運行方面考慮，水廠稀釋液效率高，而且配制方便，況且和市售PAC相比，水廠稀釋液能使沉后水余鋁得到有效控制，供水水質更為安全。目前投藥量為1.80 mg/L(Al2O3計)，濁度在1.4 NTU上下浮動。

圖2 三種混凝劑混凝效果對比圖

經過比選，水廠稀釋液的單獨使用效果在三種混凝劑中表現最佳。

3.2 助凝劑的優選

如圖3所示，混凝劑投加量在1.59 mg/L(Al2O3計，相當于水廠目前實際投加量)時，我們分別投加了4種不同類或濃度的助凝劑，在其作用下，出水濁度沒有明顯變化，而且，以PAM為例，進行投加量的試驗時，降低其投加量，反而使出水濁度降低。

圖3 水廠稀釋液為混凝劑時不同助凝劑不同投加量的助凝效果對比

由此可見，助凝劑的投加量對沉后水濁度在一定范圍內不會產生影響。根據助凝劑自身的作用機理，助凝劑投加點的選擇對出水影響卻有明顯不同。

3.3 混凝劑、助凝劑與出水水質關系的討論

1)混凝劑對出水水質起決定性作用，助凝劑起輔助作用。須強調的是，助凝劑的作用機理主要通過吸附架橋作用使水中已形成的細小礬花聚集而利于沉降，它并不能取代混凝劑，使水中膠體脫穩凝聚。

2)混凝劑投加量與余鋁。出水殘余鋁來源:a.天然水體中的溶解鋁;b.給水處理中的鋁鹽混凝劑。投加鋁鹽混凝劑在經過一系列地表水常規工藝后，一方面藥劑自身所含的鋁元素會留在水體中;另一方面在絮凝作用下，水體中鋁元素會隨其他雜質一起從水中分離。兩方面作用各自影響出水殘余鋁最終含量，哪個作用更強，哪個影響就是主導因素，出水殘余鋁就由它決定。

3)出水濁度與余鋁。天然水中含有一定量的鋁，然而飲用水中的鋁主要來自混凝劑，投藥量對沉后水濁度和殘余鋁的影響都很大，而且兩者所對應的最佳投藥量基本上保持一致，所以控制好投藥量顯得尤為重要。

3.4 試驗工藝的能耗變化討論

試驗中對各池反應段的水頭損失變化情況進行了測定。結果表明，在確保出水水質情況下，中試設備與水廠原有混凝工藝能耗相比水頭損失下降了75%左右。也就是說，保持水頭損失不變，中試設備提供了更大的過水能力。而且，處理效果也優于水廠現行工藝，能耗低，效率高，發展潛力大。

3.5 試驗工藝與實際工藝的剪切對比說明

中試設備采用的絮凝網格技術，主要是通過調整網格孔眼的尺寸大小來控制絮凝速度和弗勞德數Fr(Fr=v2/Rg)，來提供良好的水力條件，使絮體顆粒合理有效碰撞。有利于形成密實而且粗大的礬花，從而實現良好的沉降。

通過對水廠絮凝工藝進行沿程布點，監測其Fr，結果發現水流剪切強度波動大且分布不均勻，變化無規律，導致已形成的礬花再次破碎(剪切力過大)，細小礬花難以聚合(剪切力過小)，出水效果很不理想。

4 結論與建議

1)試驗設備完全依照水廠實際工藝設計，可為工程實施提供模擬條件。

2)最佳工況點:水廠稀釋液(0.24 mL/L)+PAM(0.5 mg/L)，其中，0.24 mL/L 水廠稀釋液相當于 5.77 mg/L(Al2O3計)，此投加量約為水廠當前投加量的3倍，在最佳工況點運行時，出水濁度不大于1.0 NTU。

3)能耗方面，絮凝池水頭損失僅23 cm，水廠絮凝池水頭損失平均為100 cm左右，可見，中試設備高效低耗，節能達75%以上。

4)中試設備形成礬花顆粒大而密實。水廠絮凝池池末端礬花直徑為0.32 mm～0.41 mm，而中試設備絮凝池池末端礬花直徑達1.72 mm，是水廠的4倍～5倍。且設備各豎井內礬花分形維數變化平穩，絮凝池末端分形維數為1.66，礬花密實。

5)利用動力學條件控制，中試設備在低溫低濁期正常情況下，可使沉后水濁度小于1.0 NTU。

6)建議從調整水廠工藝參數入手，著重改造混合、絮凝、沉淀及其相關工藝。

7)在工程改造設計中，充分利用水廠原有工藝構筑物，盡量采用工藝先進，建設投資少，占地面積小，維護管理簡單，運行可靠，處理成本低的處理技術及適合本工程的先進設備。

中試試驗結果表明，用中試設備所采用的強化混凝工藝來處理低溫低濁的黃河水是行之有效的，使用該工藝不僅可以降低藥劑單耗、提高出水水質，還可以保證出水水質的穩定，保障供水安全，降低運行成本，降低運行管理難度，實現良好的經濟效益和社會效益。