復合混凝沉淀用于生態補水水體除磷

安宗勝，張 瀏，袁步先，方春霞，劉 樂

(安徽省環境科學研究院，安徽合肥 230071)

近年來，隨著我國經濟快速發展和城市規模急劇擴大，城市景觀河道呈現出水體污染嚴重、生態基流缺乏、生態功能退化等特征[1]。城市景觀河道水污染防治過程中，在截污控源、水質凈化等基本措施基礎上，生態補水措施對于河道生態基流的維持和生態系統的改善尤為重要[2-3]。相比于污水廠再生水和水庫清潔水源，利用凈化后的湖水作為城市景觀河道補水水源，具有水質好、水量充足等優勢[4]。為有效避免湖水富營養化問題隨補水過程進入河道，快速去除湖水中的磷營養元素成為生態補水成功之關鍵[5]。

混凝沉淀法除磷工藝廣泛應用于生活污水和工業廢水，相比于生物法具有水力停留時間短、操作控制簡便、運行穩定等優點。混凝沉淀法中常用的混凝劑有聚合氯化鋁(PAC)、硅藻土等無機混凝劑及聚丙烯酰胺(PAM)等有機高分子絮凝劑。研究發現，硅藻土和PAC均對污水中的總磷具有很好的去除效果[6-7]。然而有關以PAM和硅藻土作為助凝劑協同PAC混凝沉淀，用于生態補水除磷控藻的研究鮮有報道。筆者在研究PAC和硅藻土對湖泊原水除磷控藻效率的基礎上，進一步研究PAM作為助凝劑在混凝沉淀過程中的強化作用，考察這3種混凝劑協同混凝沉淀法除磷效率，探索不同總磷濃度進水條件下混凝劑的最佳組合比例及投加量，為相關生態補水水體除磷工程實踐提供參考。

1 材料與方法

1.1混凝劑該試驗所用硅藻土是由云南慶中科技有限公司生產，以92%以上的硅藻精土與常規鋁鹽、鐵鹽復配所得的改性硅藻土污水處理劑，其化學成分主要為SiO287%、Al2O36%、Fe2O31%，其余為CaO、MgO及一些有機物等。PAM、PAC均為天津市鼎盛鑫化工有限公司生產的分析純級試劑。

1.2試驗用水該試驗采用巢湖原水。巢湖水COD、氨氮濃度較低，總磷含量相對較高，西半湖污染較東半湖嚴重。2017年6—10月總體污染狀況為中度污染，主要污染因子為總磷，水質如下：CODmn4.2～8.6 mg/L(Ⅲ～Ⅳ類)、氨氮0.16～0.42 mg/L(Ⅱ類)、總磷0.19～0.97 mg/L(劣Ⅴ類)。

1.3試驗方法將湖水加入六聯攪拌機容量為1 L 的燒杯中，加入混凝劑PAC，快攪 (500 r/min) 1 min后，加入助凝劑硅藻土和(或)PAM，然后慢攪(60 r/min) 15 min進行絮凝反應，沉淀60 min后從燒杯中部取上清液分析。其中，PAM采取預先配成0.1%溶液方式投加。上清液總磷測定采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—1989)。

2 結果與分析

2.1硅藻土、PAC、PAM單獨投加時總磷的去除效果采用總磷濃度為0.59 mg/L原水為試驗對象，單因子試驗表明，硅藻土和PAC均對總磷具有較好的去除效果，如圖1所示。硅藻土對總磷的去除率為43.2%～48.7%，而PAC對總磷的去除率為31.5%～38.3%。同等投加量條件下，硅藻土對總磷的去除率比PAC高約10%。而PAM對總磷去除率較低，為11.2%～17.6%，且隨著投加量增加去除率反而有所下降，單獨投加PAM混凝沉淀效果不佳。研究分析，高分子絮凝劑常作為助凝劑使用，通過其長鏈結構的吸附架橋作用去除懸浮顆粒。水中顆粒濃度過低或高分子絮凝劑投加過量，都不利于混凝沉淀發生[8]。

圖1 硅藻土/PAC/PAM對總磷的去除率Fig.1 Removal rate of TP by diatomite /PAC/PAM

2.2PAC+硅藻土(或PAM)組合投加時總磷的去除效果試驗發現，當PAC投加量較大時，混凝反應后絮體的沉降性較差，在反應器底部有較厚的泥渣層。為了加快沉降速度，提高泥渣密實度，需在混凝過程中投加一定量的助凝劑。

采用總磷濃度為0.59 mg/L原水為試驗對象，分別進行PAC+硅藻土和PAC+PAM正交試驗，結果如圖2所示。由圖2a可知，當硅藻土投加量一定時，增加PAC的投加量，總磷去除率均有不同程度提高；而當PAC投加量一定時，隨著硅藻土投加量的增加，總磷去除率亦有所提高。在硅藻土投加量為40 mg/L、PAC投加量為40 mg/L時，總磷去除率達89.6%。

由圖2b可知，當PAC的投加量為20 mg/L時，總磷去除率隨PAM投加量增加而小幅提高，由55.6%提高至59.3%；當PAC投加量為40 mg/L、PAM投加量為1.0 mg/L時的總磷去除率最高，達76.5%，而PAM投加量為0.5和1.5 mg/L時，總磷去除率分別為71.2%和72.4%；當PAC投加量為60 mg/L時，總磷去除率隨PAM投加量增加而降低，由70.5%降為61.3%。

圖2 硅藻土+PAC組合(a)和PAM+PAC組合(b)對總磷的去除率Fig.2 Removal rate of TP by diatomite +PAC combination(a) and PAM+PAC combination(b)

2.3硅藻土+PAM+PAC組合對總磷去除效果為了有效控制無機混凝劑PAC和硅藻土的用量，研究助凝劑PAM對PAC與硅藻土組合混凝沉淀除磷效果的影響。采用總磷濃度為0.59 mg/L原水為試驗對象，分2組進行。一組分別投加PAC+硅藻土組合絮凝劑(比例為1∶1)20、40、60、80 mg/L，再各添加1 mg/L PAM；另一組不添加PAM僅投加PAC+硅藻土組合絮凝劑。研究發現(圖3)，不加PAM時，需要40 mg/L PAC+硅藻土組合絮凝劑才能達到85%以上總磷去除率，而添加1 mg/L PAM時，只需要20 mg/L組合絮凝劑就可以達到85%以上總磷去除率，PAM助凝效果明顯。

圖3 PAM+PAC+硅藻土組合對總磷的去除率Fig.3 Removal rate of TP by PAM+PAC+ diatomite combination

2.4助凝劑最佳投加量研究為進一步研究不同總磷初始濃度條件下PAM助凝劑適宜的投加量，針對0.34、0.59、0.97 mg/L 3種不同總磷濃度的原水，PAC+硅藻土(1∶1)無機復合混凝劑的投加量分別對應為20、40、60 mg/L，PAM投加量為0.25～2.00 mg/L，試驗結果如圖4所示。

從圖4可看出，對于總磷濃度為0.34和0.59 mg/L的原水，PAM投加量為0.50 mg/L時，總磷去除率即接近85%，隨后隨著PAM投加量增加，總磷去除率提升幅度較小，當PAM投加量超過1.00 mg/L時，總磷去除率反而有所下降；對于總磷濃度為0.97 mg/L的原水，當PAM投加量為0.50 mg/L時，總磷去除率約75%，PAM投加量為0.75 mg/L時，總磷去除率約86%，隨后隨著PAM投加量增加，總磷去除率小幅度提升，PAM投加量為1.25 mg/L時，總磷去除率為90.3%。

圖4 PAM+PAC+硅藻土對不同初始濃度進水總磷去除率Fig.4 Removal rate of TP by PAM+PAC+ diatomite at different initial concentrations

2.5工程實踐塘西河生態補水工程選址于原合肥市供水集團巢湖水源廠內，利用已廢棄泵房取水管道提供進水水源，在已廢棄的泵房取水井位置建設藻水分離腮式過濾設施和混凝沉淀水處理設施。巢湖藍藻暴發月份，巢湖原水先經過藻水分離腮式過濾器去除大部分藍藻后再進入混凝沉淀段，其余月份巢湖原水則直接進入混凝沉淀段進行除磷處理。工程出水經廠外長約14 km的輸水管道送至塘西河上游。工程實施目的是為塘西河補充清潔水源、改善水體流動性、修復河道生態系統和自凈能力，既消除塘西河劣Ⅴ類入湖水質，同時又去除巢湖水體污染物。工程設計規模為5萬m3/d，設計出水TP≤0.05 mg/L。

圖5 2017—2018年2月工程混凝沉淀開始段進出水總磷濃度動態變化Fig.5 Dynamic change of TP concentration of influent and effluent water in the coagulation and sedimentation section of the project in February from 2017 to 2018

通過對塘西河生態補水工程每天進、出水總磷濃度進行檢測，分析總磷月均值動態變化(圖5)得出，塘西河生態補水工程混凝沉淀段進水總磷濃度為0.18～0.45 mg/L，水質類別為Ⅴ類～劣Ⅴ類。經過混凝沉淀處理后，工程出水總磷濃度為0.019～0.031 mg/L，穩定達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)湖、庫Ⅲ類水標準。進一步分析發現，大部分月份工程出水總磷濃度甚至達到湖、庫 Ⅱ 類水標準，處理效果非常顯著。該工程以巢湖水為水源，湖水凈化后補給城市景觀河道，既從巢湖中移出了污染物，又有助于解決城市景觀河道水量短缺、水質惡化的難題；既有利于巢湖水質改善，又促進了城市河道水質穩定達標。

3 結論

(1)硅藻土和PAC均對巢湖湖水總磷具有很好的去除效果，而單獨投加PAM對總磷去除率較低。當采用硅藻土+PAC組合混凝劑處理巢湖湖水時，大大提高了凈化效率。綜合考慮經濟成本和凈化效果，硅藻土與PAC最佳投加比例為1∶1，具體投加量應根據進水性質和總磷濃度確定。

(2)助凝劑PAM具有很好的助凝效果，投加少量的PAM可有效降低硅藻土和PAC用量。當進水總磷濃度為0.59 mg/L時，投加40 mg/L硅藻土+PAC(1∶1)復合無機混凝劑及0.75 mg/L高分子助凝劑PAM，即可達86%的總磷去除率。

(3)塘西河生態補水工程以巢湖水為水源，經硅藻土、PAC和PAM復合混凝劑快速、高效去除巢湖原水中的總磷后補入河道上游，在有效防范了巢湖原水補入城市景觀河道后帶來水體富營養化風險的前提下，解決了城市河道水量短缺、水質惡化的難題。