強化混凝處理大伙房水庫低溫高濁水試驗研究

宋浩文

（沈陽建筑大學 市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168）

大伙房水庫于1995、1996、2001、2005、2010、2013等年份夏季突發強降雨，上游大量泥沙卷入水庫，引起原水濁度、CODMn等水質指標突發性升高[1-2]。進入秋冬季水溫低于5 ℃以下時，濁度仍在50 NTU上下，并在接下來幾個月內緩慢降低，水質恢復的漫長過程持續到次年春季，出現了“濁水長期化”的情況[3]。大伙房水庫所經歷的低水溫時間長，全年有100天以上水溫在2～5 ℃之間。汛后原水中較多的顆粒物質并沒有改善低溫水的處理效果，像這樣冬季低水溫偏高濁度水穩定且難以沉淀，出水水質不好。試驗研究大伙房水庫這種汛后低溫高濁度水質，利用強化混凝處理工藝，以最大限度去除水中濁度、有機物等為目的，確定最適宜的混凝工藝參數。

1 實驗部分

1.1 原水水質

總結大伙房水庫洪水后11月至次年2月原水指標，使用沈陽建筑大學地下水水源作為配制水基礎，添加高嶺土、湖泥及腐殖酸等模擬原水中的濁度、CODMn、UV254等指標進行污染物濃度調整，配制濁度50～55NTU、CODMn3.4～3.6 mg·L-1、水溫2～3℃、pH值7.5～7.8 的實驗水樣。

1.2 試驗材料及設備

試驗材料：PAC、鹽酸、氫氧化鈉、腐殖酸、陽離子型PAM，均為分析純；高嶺土為工業級產品。

設備：六聯攪拌器、pH計、濁度計、電子天平、紫外可見分光光度計。

1.3 試驗方法

針對汛后低溫偏高濁度水，確定PAC投加量，利用正交試驗確定最適宜的攪拌條件。再觀察討論PAM、pH值對混凝的影響趨勢，選取各因素中具有代表性的水平進行正交試驗，討論各相關因素間的影響順序，得到最適宜的混凝參數。

2 結果與討論

2.1 投藥量對混凝效果的影響

PAC投加量對混凝及殘留鋁質量濃度的影響如圖1所示。由圖1可知，隨著PAC投加量逐漸提高，沉淀后的剩余濁度迅速降低后趨于平穩，在投加30 mg·L-1PAC時去除88.4%的濁度，剩余濁度為5.25 NTU，投入過量則會因膠體保護導致混凝效果不再提高。在試驗范圍內，投藥量與CODMn的去除率大體呈正相關，當投藥30 mg·L-1時，去除率增至32.8%，剩余CODMn為2.35 mg·L-1。出水殘留鋁質量濃度與剩余濁度有相關性，都隨混凝劑投加量增加而先減少后上升。混凝劑與水中顆粒物質結合形成絡合物，沉降后濁度降低，鋁也隨之除去。PAC投加25 mg·L-1時，沉淀后殘留鋁質量濃度最低，為0.068 mg·L-1。若再增投混凝劑則其利用率降低，混凝效果變差，一部分鋁殘留在水體中和剩余濁度同步增加。結合經濟及混凝效果，投加30 mg·L-1PAC較為合適。但單獨投加PAC出水水質達不到標準，可見低溫妨礙了混凝作用的發揮，冬季大伙房水庫原水水溫低于5 ℃的時候，應適當加入助凝劑增強混凝效果。

2.2 最佳攪拌條件的確定

混凝時的水力條件對絮體的形成十分關鍵，影響到混凝和后續工藝對水體濁度及有機物的去除。綜合考慮混凝效果及經濟性，通過正交試驗最終確定最佳的攪拌條件，如表1所示。

表1 混凝試驗的攪拌條件

2.3 pH值對混凝效果的影響

大伙房水庫庫容量大，具備較強稀釋能力，正常年份水體pH值起伏不大，受到嚴重污染時，才會造成較大波動。以大伙房水庫2018年統計數據為例，原水的pH值長期穩定在7.5～8.7之間，原水秋冬季的pH值比夏天低0.5左右，一般為7.5～8。投加30 mg·L-1PAC進行混凝試驗，結果如圖2所示，pH值小于6時，處理后濁度降低不明顯，而CODMn去除效果較好；當水樣pH值為6.5時，CODMn的去除率上升到最大值，為41.45%。pH值在6～9內變動時，濁度去除率先上升再降低，當pH值在7～7.5范圍變化時，最高可以去除89%的濁度，此后逐步降低。可以看出，混凝去除有機物的最佳pH值略低于去除濁度的最佳pH值。

圖2 PAC投加量對混凝及殘留鋁質量濃度的影響

從圖2可以看出，pH值≤8.0時，殘留鋁質量濃度有所下降，pH值為7.0時混凝沉淀后水中鋁質量濃度較低，水中鋁以Al3+形態存在，當pH值＞7.5時，鋁以AlO2-形態存在，造成出水余鋁質量濃度升高，若pH值持續升高，聚合鋁的水解形態會從膠體鋁和中高聚合度鋁轉化成低聚合度鋁[4]，可見出水余鋁質量濃度高低與原水pH值有關。對于聚合態的混凝劑，如PAC和PAM，受水體pH的影響較小，大伙房水庫原水的pH值處于PAC最佳的作用范圍內，所以不考慮通過調節水體pH值來改善去除效果。

圖2 pH值對混凝及殘留鋁質量濃度的影響

2.4 助凝劑對混凝效果的影響

投入適量的助凝劑可以提高顆粒碰撞幾率，促進PAC對水中雜質的處理效果，減少投藥量。本階段試驗投加30 mg·L-1PAC，2 min后加入PAM在最佳水力條件下進行混凝試驗，結果如圖3所示。

圖3 PAM投加量對混凝效果的影響

由圖3可知，PAM投加0.02 mg·L-1時即起到助凝效果，投加0.08 mg·L-1時，沉淀后出水濁度為1.89 NTU左右，出水CODMn為2.05 mg·L-1。低溫條件下，單獨使用PAC可達到86%的除濁效率，添加PAM后，最高有95%的濁度得到去除。繼續加大投加則對混凝效果改善不大，過量的PAM會包裹絮體使其重新攜帶負電荷難以沉降。

PAM投加時間對混凝效果的影響如圖4所示。由圖4可知，PAM投加時間同樣影響混凝效果，PAM在PAC后投加時的出水水質好于同時投加或先投加。若先加入PAM，其自身吸附并卷曲，導致吸附架橋作用減弱，影響凝聚作用發揮。同時投加兩種藥劑時，它們會發生吸附及電中和影響混凝。試驗表明，在PAC投加1min后即在絮凝攪拌開始時，投加PAM助凝效果最好。投加過早，絮體尚未形成；投加過晚，其助凝效果發揮不充分。當助凝劑投加時間為PAC投加1 min后時，濁度去除達到了97.4%，剩余濁度 1.42 NTU，剩余 CODMn為2.20 mg·L-1，去除率為38.81%。

圖4 PAM投加時間對混凝效果的影響

2.5 混凝工藝影響因素探究

進行混凝正交試驗，最終確定混凝各影響因素的主次順序及最佳水平，結果見表2、表3。

表2 強化混凝正交因素水平表

對表3進行顯著性檢驗，綜合分析對比濁度、CODMn兩個指標，PAC投加量對濁度最佳水平是A3，對CODMn最優水平是A5，對濁度和CODMn的影響都不明顯，選擇對濁度去除效果最好的28 mg·L-1；PAM投加量對CODMn的影響更明顯，選擇對CODMn去除效果最好的0.10 mg·L-1為PAM投加量；投加間隔時間對去除濁度、CODMn的影響都非常明顯，最佳水平都是C3，故選擇助凝劑在混凝啟動1.5 min后投加。pH值對濁度最佳水平是D4，對CODMn最佳水平是D2，主要考慮對混凝除濁的影響，pH值選擇7.6。

表3 強化混凝正交試驗分析表

3 結 論

本文就強化混凝處理大伙房水庫汛后秋冬季低溫高濁度水進行了試驗研究，討論了各因素對去除濁度和有機物的影響，得到了最佳水力條件為混合階段轉速300 r·min-1持續1 min；一級絮凝攪拌階段以轉速140 r·min-1攪拌6 min；二級絮凝攪拌階段以轉速50 r·min-1攪拌15 min，沉淀30 min。分析混凝正交試驗的數據，確定PAC投加量28 mg·L-1，在混凝啟動1.5 min后投加0.10 mg·L-1PAM效果較好，最佳pH值為7.4，此時觀察到絮體成長迅速密實，沉降較快，泥水分離明顯，試驗平均出水濁度1.39 NTU，出水CODMn為2.18 mg·L-1，去除率可分別達 97.16%與 39.28%，殘留鋁質量濃度0.058 mg·L-1，與過濾等工藝結合，可以達到出廠水標準。