分級混凝過程的效能與影響因素

杜鵬，李星，楊艷玲，蘇兆陽，方曉博

(北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京，100124)

混凝是水處理工藝中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，混凝過程和混凝效果直接影響著后序處理工藝及出水水質(zhì)[1-3]。為了優(yōu)化混凝過程和提高混凝效果，經(jīng)常采用增加投藥量、投加助凝劑、改變藥劑投加方式、優(yōu)化水力條件等強(qiáng)化混凝手段，以及采用加載絮凝、微砂回流、污泥回流等方式來強(qiáng)化絮凝過程，主要從藥劑、水力條件和工藝過程等幾個方面對混凝過程進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)[4-6]。對已有的水處理工藝，改變藥劑種類和投配過程是最適用和有效的混凝優(yōu)化方式，可以在不改變原工藝設(shè)施的條件上快速優(yōu)化混凝過程，這也是針對原水水質(zhì)大幅度波動和突發(fā)污染的有效調(diào)控措施[7-10]。混凝劑的投加方式對絮體形成特性和混凝效能有很大影響[11-15]。與常規(guī)混凝過程的藥劑投配方式相比，多級投加混凝劑可以增加絮體粒徑、縮短絮凝時間、提高濁度和有機(jī)物去除效果[16-19]。由于原水水質(zhì)的不同，多級混凝過程的混凝效果、影響因素等存在較大差異，表明混凝劑的投加方式對混凝過程、混凝效能和混凝機(jī)制都會產(chǎn)生顯著的影響[20-23]。在此，本文作者采用分級投加混凝劑的方式，同時對不同投藥階段的水力條件進(jìn)行調(diào)控，研究不同混凝階段的混凝效能和絮體特性，對分級混凝過程的分級投加間隔時間和分級投加比等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為分級混凝作用機(jī)制的建立提供支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

混凝劑采用分析純硫酸鋁(Al2(SO4)3，美國阿拉丁工業(yè)公司生產(chǎn))配制成濃度為0.2 mol/L的混凝劑藥液。稱取200 g 高嶺土(天津市福晨化學(xué)試劑廠生產(chǎn))加入1 000 mL超純水并充分?jǐn)嚢瑁瑢H調(diào)到7.5，靜置17 h后取700 mL上層懸浮液置于廣口瓶中備用[24]。試驗(yàn)用水由高嶺土懸浮液稀釋而成，高嶺土質(zhì)量濃度為50 mg/L，濁度約為48 NTU，pH為7.5，水溫為20℃，Zeta電位約為-21.5 mV。

1.2 試驗(yàn)方法

當(dāng)采用常規(guī)混凝方式時，先以300 r/min(速度梯度為226.2 s-1)攪拌，穩(wěn)定后一次性投加混凝劑，繼續(xù)以300 r/min 混合60 s，然后以60 r/min(速度梯度為21.1 s-1)慢攪15 min，再沉淀15 min或指定時間后檢測上清液濁度；當(dāng)采用分級混凝方式時，快混、慢攪階段的攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌時間及第1級投藥點(diǎn)與常規(guī)混凝方式的相同，在指定時間點(diǎn)進(jìn)行第2 級投藥，第1級投藥量與第2級投藥量的之比即分級投加比分別為12/0(即常規(guī)混凝)，10/2，9/3，8/4，6/6，4/8，3/9，2/10和0/12，再沉淀15 min或指定時間后檢測上清液濁度。

慢攪1 min時取樣檢測Zeta電位，慢攪14 min時取樣檢測絮體形態(tài)和粒徑；沉淀0.5，1.0，2.0，3.0和4.0 min時分別取樣檢測沉降速率[25]，沉淀結(jié)束后，取沉后水測定濁度；連續(xù)監(jiān)測混凝過程的FI 指數(shù)表征絮凝效果和絮體顆粒。

1.3 試驗(yàn)裝置與儀器

采用六聯(lián)攪拌機(jī)(ZR4-6，中潤，中國)進(jìn)行混凝試驗(yàn)；采用Zeta電位儀(ZEN2600，Malvern，英國)檢測zeta 電位；采用高倍光學(xué)顯微鏡(BX51TF，Olympus，日本)和圖像處理軟件Image J分析絮體形態(tài)和粒徑[26]；采用濁度儀(2100N，Hach，美國)檢測濁度；采用透光脈動檢測儀(iPDA-100，EcoNovel，韓國)連續(xù)檢測混凝過程的絮體FI 指數(shù)，并采用絮體的成長比速率來量化絮體增長速率[27]。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝效能對比

圖1所示為常規(guī)混凝和分級混凝過程中混凝劑投加量與濁度、Zeta電位的相關(guān)性對比結(jié)果，其中常規(guī)混凝和分級混凝的總投藥量相同，分級混凝的二級投藥點(diǎn)在慢攪階段開始時，分級投加比為2/10。由圖1可知：隨著混凝劑投加量增加，常規(guī)混凝和分級混凝的沉后水濁度均呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢；當(dāng)混凝劑投加量為0.12 mmol/L 時，沉后水濁度最低值達(dá)到3.06 NTU和2.06 NTU，最低濁度相差32.68%；可見：當(dāng)混凝劑總投量相同時，分級混凝的混凝效果更佳，表明在分級混凝過程中混凝劑的混凝效率更高。

由圖1還可知：隨著混凝劑投加量增加，常規(guī)混凝和分級混凝的Zeta電位均顯著上升。當(dāng)混凝劑投加量為0.10～0.14 mmol/L 時，常規(guī)混凝和分級混凝的Zeta 電位在-3.68～-0.96 mV 之間，沉后水濁度均較低；在混凝劑投加量為0.12 mmol/L 時，Zeta 電位分別為-1.79 mV和-0.11 mV，沉后水濁度均達(dá)到最低值，說明當(dāng)混凝劑總投加量相同時，分級混凝的膠體顆粒物的脫穩(wěn)程度更高，分級混凝的二級投藥過程使得混凝劑與水中剩余膠體顆粒可以進(jìn)行二次脫穩(wěn)和電中和過程，更多的膠體得到脫穩(wěn)，Zeta 電位進(jìn)一步提高。

圖1 常規(guī)混凝和分級混凝過程中混凝劑投加量與濁度、Zeta電位的關(guān)系Fig.1 Relationship between coagulant dosage and turbidity,Zeta potentials in conventional coagulation and grading coagulation processes

圖2所示為在常規(guī)混凝和分級混凝過程中絮體的FI 指數(shù)變化情況。由圖2可知：在常規(guī)混凝過程中，混凝劑投加60 s后(即攪拌轉(zhuǎn)速降低時)FI指數(shù)快速增大，呈現(xiàn)出先快后緩的增長趨勢，到500 s 時基本趨于穩(wěn)定；在分級混凝過程中，混凝劑投加60 s時，F(xiàn)I指數(shù)略有增大，在150 s 時開始明顯增大，絮體的增長過程較緩慢，呈現(xiàn)出先緩后快的增長趨勢，到500 s 時也基本趨于穩(wěn)定。常規(guī)混凝與分級混凝的FI 指數(shù)增長趨勢不同主要是因?yàn)榛炷齽┩都臃绞讲煌诔Ｒ?guī)混凝過程中，混凝劑在投加后立即混合使膠體顆粒脫穩(wěn)，在快速攪拌條件下，絮體的增長受到了限制，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速降低時，絮體會迅速增大，隨著慢攪反應(yīng)時間的延續(xù)，增長速率不斷下降。在分級混凝過程中，第1 級混凝劑投加量只能使膠體顆粒脫穩(wěn)，不足以形成大絮體；在攪拌轉(zhuǎn)速降低時，絮體僅略有增長，第2級混凝劑投加量使得少量未脫穩(wěn)膠體進(jìn)行二次脫穩(wěn)，同時，可以使第1級投藥形成的微小絮體進(jìn)一步絮凝形成大絮體，從而出現(xiàn)了絮體快速增長趨勢延遲的現(xiàn)象[28]。

表1所示為常規(guī)混凝和分級混凝過程的絮體特性。由表1可知：與常規(guī)混凝過程相比，分級混凝過程的絮體成長比速率增加了10.57%，當(dāng)量直徑增大了10.81%，而沉降速率減小了19.36%，二維分形維數(shù)減小了1.59%，說明在分級混凝中Al2(SO4)3形成絮體更快，形成的絮體粒徑更大，而常規(guī)混凝中形成的絮體形態(tài)較規(guī)則，更易沉降。從表1還可以看出：常規(guī)混凝是一次性投加混凝劑，在快速混合過程中就可形成大絮體，存在絮體形成與破碎過程，使得部分松散絮體被打碎，再形成絮體的形態(tài)會更規(guī)則，相應(yīng)的沉降能力也更強(qiáng)；分級混凝的第1級投藥僅能形成微小絮體，第2級投藥是在低攪拌速度條件下，使得形成的大絮體不被打碎，形成的絮體會稍松散，沉降能力也相對較弱[29]。

圖2 常規(guī)混凝和分級混凝的絮體FI指數(shù)Fig.2 FI values of conventional coagulation and grading coagulation

表1 常規(guī)混凝和分級混凝的絮體成長比速率、沉降速率、當(dāng)量直徑和二維分形維數(shù)Table 1 Special growth rate,sedimentation rate,equivalent diameter and fractal dimension of floc of conventional coagulation and grading coagulation

2.2 分級混凝參數(shù)的影響

2.2.1 混凝劑投加間隔

圖3所示為分級混凝過程中混凝劑的兩級投加時間間隔對沉后水濁度的影響，其中，混凝劑總投量為0.12 mmol/L，分級投加比為2/10。由圖3可知：隨著混凝劑投加時間間隔增大，沉后水濁度呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，在投加間隔為60 s時，沉后水濁度達(dá)到了最低值，為2.06 NTU；當(dāng)投加間隔小于30 s 時，沉后水濁度明顯較高；當(dāng)投加間隔大于120 s 時，沉后水濁度顯著升高。因此，混凝劑的投加間隔時間對分級混凝效果影響顯著，在投加間隔為30～120 s 時，混凝效果較好，投加間隔過短或過長均對分級混凝效果產(chǎn)生不利影響。

圖3 混凝劑分級投加間隔與濁度相關(guān)性Fig.3 Association of grading dose interval and turbidity

圖4所示為混凝劑兩級投加時間間隔對FI指數(shù)的影響。由圖4可知：不同投加間隔的FI指數(shù)表現(xiàn)出不同變化趨勢，常規(guī)混凝在進(jìn)入慢速攪拌階段后FI 指數(shù)立即快速增大，在500 s 左右趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定階段的FI 指數(shù)為0.013 5；在分級混凝過程中，當(dāng)投加間隔為30 s時，慢攪30 s后FI指數(shù)才開始增大，當(dāng)投加間隔為60 s 時，在慢攪100 s 后FI 指數(shù)才開始增大，當(dāng)投加間隔分別為30 s和60 s 時，F(xiàn)I 指數(shù)均在500 s左右趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定階段的FI 指數(shù)分別為0.014 7和0.015 7。當(dāng)投加間隔為120，180和300 s時，慢攪階段中FI 指數(shù)幾乎沒有增大，在第2 級投藥100 s 時才開始顯著增大，然后，分別在600，650和800 s左右趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定階段的FI指數(shù)分別為0.014 4，0.014 3和0.013 8。可見，混凝劑的分級投加間隔對FI 指數(shù)有顯著影響。當(dāng)投加間隔為30～60 s 時，F(xiàn)I 指數(shù)能較快達(dá)到穩(wěn)定階段且穩(wěn)定后FI 指數(shù)較高；而當(dāng)投加間隔大于60 s時，隨著投加間隔的增加FI指數(shù)需要更長的時間才能進(jìn)入穩(wěn)定階段，穩(wěn)定后的FI 指數(shù)較低。這說明在30～60 s 投加間隔進(jìn)行二級投藥可更大程度地促進(jìn)微小絮體形成粒徑較大的絮體，當(dāng)投加間隔大于60 s時，絮體的增長過程緩慢，穩(wěn)定后的絮體粒徑也較小。

圖4 混凝劑分級投加間隔與FI指數(shù)的相關(guān)性Fig.4 Association of grading dose interval and FI value

對FI 指數(shù)與沉后水濁度的變化規(guī)律進(jìn)行分析可知，分級投加間隔在30～60 s 時形成的絮體粒徑大、沉后水濁度低；當(dāng)投加間隔大于60 s時，隨著二級投藥點(diǎn)時間的延長，形成的絮體粒徑逐漸下降，沉后水濁度顯著升高。分級投加間隔對絮體形成和混凝效果具有顯著影響，這與二級投藥的作用有關(guān)。在分級混凝過程中，第1 級投藥后開始有微小絮體形成，在30～60 s 投加間隔進(jìn)行第2 級投藥能使微小絮體在表面位點(diǎn)上互相連接形成大絮體，沉后水濁度較低[30]；在60 s后進(jìn)行第2級投藥時，微小絮體在慢速攪拌階段逐漸穩(wěn)定，絮體表面可利用的結(jié)合位點(diǎn)減少，微小絮體間相互結(jié)合形成大絮體的能力變?nèi)酰梁笏疂岫壬遊31]。

圖5所示為不同投加間隔的絮體成長比速率、沉降速率、當(dāng)量直徑和二維分形維數(shù)等絮體特性參數(shù)。由圖5可知，隨著混凝劑投加間隔的延長，絮體的成長比速率和當(dāng)量直徑均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在60 s投加間隔時達(dá)到最大值，分別為49.60×10-4s-1和123.0 μm，沉降速率和二維分形維數(shù)則表現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢。

圖5 分級投加間隔對絮體特性的影響Fig.5 Effect of grading dose interval on floc characteristics

絮體增長速率和粒徑的變化趨勢表明，當(dāng)混凝劑的投加間隔為30～60 s 時，第2 級投藥后絮體的增長速率更快，形成的絮體粒徑更大；當(dāng)投加間隔大于60 s時，第2級投藥后絮體增長速率降低，形成的絮體粒徑顯著減少。這說明在投加間隔為30～60 s 時，微小絮體形成大絮體的速率較高、大絮體粒徑較大，隨著投加間隔的增大，絮體的增長速率和粒徑均顯著下降。隨著混凝劑投加間隔的延長，沉降速率和二維分形維數(shù)均逐漸減小，表明絮體結(jié)構(gòu)變得更松散，這主要是因?yàn)榈?級投藥時處于慢速攪拌階段，形成了較松散的大絮體。由圖3～5可知：投加間隔小于60 s時，沉降速率和二維分形維數(shù)與沉后水濁度呈正相關(guān)性，而成長比速率和絮體粒徑與沉后水濁度呈負(fù)相關(guān)性，說明此時微小絮體間互相結(jié)合并快速形成松散結(jié)構(gòu)的大絮體，大絮體具有較強(qiáng)網(wǎng)捕和卷掃作用，沉后水濁度較低；當(dāng)投加間隔大于60 s時，沉降速率和二維分形維數(shù)與沉后水濁度呈負(fù)相關(guān)性，而成長比速率和絮體粒徑與沉后水濁度呈正相關(guān)性，說明此時微小絮體表面位點(diǎn)減少，部分第2級投加的混凝劑的水解產(chǎn)物在慢速攪拌下開始與水中游離的或未脫穩(wěn)的顆粒物相互作用形成大絮體，大絮體結(jié)構(gòu)松散、粒徑較低且不具有強(qiáng)網(wǎng)捕和卷掃作用，沉后水濁度仍較高[32-33]。

2.2.2 混凝劑分級投加比

圖6所示為不同混凝劑投加比的沉后水濁度變化情況，其中混凝劑總投量為0.12 mmol/L，混凝劑分級投加間隔為60 s。由圖6可知：隨著投加比減小，沉后水濁度呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢；當(dāng)投加比分別為12/0，10/2，9/3，8/4，6/6和4/8 時，沉后水濁度呈現(xiàn)緩慢減少的趨勢，由3.06 NTU 降低到1.81 NTU，但下降幅度很小，基本處于平穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)投加比分別為4/8，3/9和2/10時，沉后水濁度呈緩慢上升的趨勢；在投加比為0/12時，由于投藥處于慢速攪拌條件下，造成混凝劑混合效果不佳，沉后水濁度明顯較高。結(jié)果表明，混凝劑的分級投加比對沉后水濁度的影響不太顯著，更適宜的投加比為6/6，4/8，3/9和2/10。

圖6 混凝劑分級投加比與沉后水濁度的相關(guān)性Fig.6 Association of grading dose ratio and turbidity

圖7所示為混凝劑的分級投加比對FI 指數(shù)的影響。由圖7可知：在進(jìn)入慢速攪拌階段后FI指數(shù)開始增長，但增長規(guī)律隨著投加比的不同而有所差異，投加比越大則FI 指數(shù)越早開始增長。當(dāng)投加比為2/0，10/2，9/3，8/4時，F(xiàn)I指數(shù)表現(xiàn)出先快后緩的增長趨勢，當(dāng)投加比在4/8，3/9和2/10時，F(xiàn)I指數(shù)呈現(xiàn)先緩后快的增長趨勢，當(dāng)投加比為6/6時，F(xiàn)I指數(shù)的增長趨勢則相對平緩。不同投加比的FI指數(shù)均在500 s時基本進(jìn)入了平緩階段。

圖8所示為成長比速率、沉降速率、當(dāng)量直徑和二維分形維數(shù)等絮體特性參數(shù)。由圖8可知：隨著投加比的減小，成長比速率呈先上升后下降的趨勢，在投加比為9/3時的成長比速率達(dá)到最高值，為51.33×10-4s-1；沉降速率表現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢，當(dāng)量直徑呈現(xiàn)出緩慢的先上升后下降的趨勢，投加比為3/9時達(dá)到最大值，為133.9 μm，而二維分形維數(shù)則呈現(xiàn)出明顯的先上升后下降的趨勢，在投加比為6/6時達(dá)到最大值，為1.95。

圖7 混凝劑分級投加比與FI指數(shù)的相關(guān)性Fig.7 Association of grading dose ratio and FI value

圖8 分級投加比對絮體特性的影響Fig.8 Effect of grading dose ratio on floc characteristics

由圖6～8可知：投加比大于6/6或小于6/6的絮體增長趨勢表現(xiàn)出顯著差別，這與混凝劑的二級投加條件有關(guān)。第1級投藥時在快速混合條件下混凝劑與膠體結(jié)合形成絮體，第2級投藥時在慢速攪拌條件下混凝劑與膠體結(jié)合形成絮體。當(dāng)投加比大于4/8時，絮體粒徑較小，沉后水濁度較高；當(dāng)投加比為4/8，3/9和2/10時，絮體粒徑大，沉后水濁度低。這表明：投加比過大時，第2級投藥的脫穩(wěn)作用和絮凝能力均較弱，沉后水濁度較高，當(dāng)投加比為4/8，3/9和2/10時，第1級投藥時膠體的脫穩(wěn)程度和形成的絮體更有利于第2級投藥的混凝和絮體形成過程。在投加比為4/8，3/9和2/10 時形成的絮體較松散，這是由于第2級投藥時沒有進(jìn)行快速混合過程，微小絮體在形成大絮體時沒有經(jīng)歷破碎再絮凝的過程[34]。總之，當(dāng)投加比為4/8，3/9和2/10 時，第1 級投藥過程有利于第2級投藥的絮體形成過程，第2級投藥形成更松散結(jié)構(gòu)的絮體有利于發(fā)揮較強(qiáng)的網(wǎng)捕和卷掃作用，兩級混凝過程互相協(xié)同，提高了混凝效果。

3 結(jié)論

1)采用混凝劑的分級投加方式可以使沉后水濁度更低，形成的絮體粒徑更大，絮體結(jié)構(gòu)更松散，顯著提高了混凝效能；與常規(guī)混凝過程相比，分級混凝過程的沉后水濁度降低了32.68%，Zeta 電位增加了1.68 mV，絮體成長比速率提高了10.57%，當(dāng)量直徑增加了18.79%，沉降速率減少了19.36%，二維分形維數(shù)略低。

2)混凝劑的分級投加間隔對沉后水濁度和絮體特性有顯著影響，在投加間隔為60 s時，濁度達(dá)到最低值，為2.06 NTU，絮體成長比速率和當(dāng)量直徑達(dá)到最大值，分別為49.60×10-4s-1和123.0 μm，形成的絮體結(jié)構(gòu)較松散。隨著投加間隔的增加，沉后水濁度呈現(xiàn)出顯著升高趨勢，而絮體的沉降速率和二維分形維數(shù)則呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢。

3)混凝劑的分級投加比對沉后水濁度和絮體特性有一定的影響。分級投加比為4/8，3/9和2/10 時，絮體的平均成長比速率和當(dāng)量直徑達(dá)到較高值，分別為46.56×10-4s-1和127.8 μm，而沉降速率和二維分形維數(shù)達(dá)到較低值，分別為18.10 NTU ?min-1和1.88；盡管分級混凝過程形成的絮體結(jié)構(gòu)較松散，但沉后水濁度較低，其中，當(dāng)投加比為4/8時，沉后水濁度達(dá)到最低值，為1.81 NTU，比常規(guī)混凝的沉后水濁度低了40.85%。