引江水凈水廠夏季混凝工藝適用性運(yùn)行研究

陳卓然, 張潤(rùn)泉, 于東魁, 劉佳博, 張怡然

(1.天津泰達(dá)水業(yè)有限公司, 天津300457; 2.天津泰達(dá)津聯(lián)自來(lái)水有限公司, 天津300457)

混凝工藝是整個(gè)水處理過(guò)程中的一道核心工序,混凝沉淀過(guò)濾環(huán)節(jié)可有效去除水中顆粒物及有機(jī)物,大幅度降低水中的渾濁度和色度。 目前,水源水質(zhì)情況趨于復(fù)雜,為適應(yīng)水質(zhì)變化,提升工藝抗沖擊性,混凝工藝階段一般通過(guò)增加藥劑投加量、調(diào)節(jié)水體pH、使用新型復(fù)合混凝劑、投加助凝劑等方式,在常規(guī)生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上增強(qiáng)混凝效果[1]。 混凝沉淀效果對(duì)后續(xù)過(guò)濾工藝影響很大,通過(guò)合理控制濾前、濾后水水質(zhì),使反應(yīng)池和過(guò)濾池協(xié)同發(fā)揮最佳的運(yùn)行性能,有利于保障出廠水的穩(wěn)定和優(yōu)良。

上向流炭吸附脈沖澄清池(UCR)工藝的主要特點(diǎn)是在脈沖澄清池系統(tǒng)中結(jié)合活性炭吸附,集沉淀、澄清、吸附功能于一體,將固液分離和吸附有機(jī)物緊密結(jié)合,同時(shí)去除濁度和有機(jī)物[2]。 UCR 工藝先進(jìn),自動(dòng)化程度較高,但泥層存在礬花上浮問(wèn)題,且受流量變化影響大。 機(jī)械攪拌池連接斜管沉淀池工藝的前端連接預(yù)處理工段,配置完善的加藥系統(tǒng),可適當(dāng)投加混凝劑及助凝劑,經(jīng)兩級(jí)機(jī)械攪拌強(qiáng)化混凝效果,混凝出水經(jīng)過(guò)隔板絮凝池,經(jīng)斜管沉淀池沉淀后連接Ⅴ型濾池進(jìn)行過(guò)濾。 機(jī)械攪拌池連接斜管沉淀池工藝采用兩級(jí)機(jī)械攪拌,可有效保障藥劑能快速、均勻地?cái)U(kuò)散,且能保證一定的停留時(shí)間,對(duì)水質(zhì)水量變化適應(yīng)性強(qiáng);斜管沉淀池能有效減小水力半徑,縮短顆粒沉淀距離,加快沉淀并提高了整理沉淀效率,整體工藝運(yùn)行較為穩(wěn)定,操作簡(jiǎn)便,出水水質(zhì)良好。 本文以夏季長(zhǎng)江水為試驗(yàn)原水,采用上向流炭吸附脈沖澄清池(UCR)工藝及機(jī)械攪拌池連接斜管沉淀池工藝,開(kāi)展工藝適用性小試、中試試驗(yàn),探討2 種不同混凝工藝的水處理效果。

1 材料與方法

1.1 原水水質(zhì)

試驗(yàn)原水為引江水,試驗(yàn)期間主要水質(zhì)指標(biāo)如下:溫度為26.1℃～28.5℃,pH 為7.83～8.28,濁度為1.31 NTU ～ 7.84 NTU,CODMn為1.9 mg/L ～2.6 mg/L。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 小試試驗(yàn)

小試試驗(yàn)采用六聯(lián)攪拌機(jī),選擇聚氯化鋁(PAC)及三氯化鐵為混凝藥劑,試驗(yàn)用水為實(shí)際生產(chǎn)中的預(yù)氧化出水。 混凝攪拌參數(shù):調(diào)試階段攪拌速度40 r/min,攪拌時(shí)間1 min;投藥過(guò)程攪拌速度40 r/min,攪拌時(shí)間3 min;快速混合階段攪拌速度150 r/min,攪拌時(shí)間2 min;慢速絮凝階段攪拌速度40 r/min,攪拌時(shí)間15 min。 混凝結(jié)束后靜置沉淀20 min。 通過(guò)小試試驗(yàn),主要探究鐵鹽、鋁鹽混凝劑混凝特點(diǎn)。

1.2.2 中試試驗(yàn)

中試試驗(yàn)的預(yù)處理工藝均為預(yù)臭氧,臭氧劑量為1.0 mg/L,投加等量混凝劑,探究?jī)煞N不同強(qiáng)化混凝工藝的處理效果。 運(yùn)行工藝分別為A 工藝:原水→預(yù)臭氧→三氯化鐵+PAC 混凝→脈沖澄清池→砂濾池;B 工藝:原水→預(yù)臭氧→三氯化鐵+PAC 混凝→斜管沉淀池→砂濾池。 中試試驗(yàn)地點(diǎn)為天津某凈水廠中試車(chē)間,試驗(yàn)設(shè)備的規(guī)模為Q=3 m3/h,工藝流程見(jiàn)圖1。 該設(shè)備可模擬凈水廠實(shí)際運(yùn)行工藝流程,上向流炭吸附脈沖澄清工藝(UCR)與機(jī)械攪拌反應(yīng)池組合斜管沉淀池工藝為并聯(lián)關(guān)系,前、后所設(shè)工藝流程為共用流程。

圖1 中試試驗(yàn)工藝流程

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵鹽、鋁鹽混凝劑混凝特點(diǎn)

鐵鹽、鋁鹽混凝劑在使用中有不同特點(diǎn),PAC是目前應(yīng)用最為廣泛的混凝劑之一,但大量投加PAC 可能使濾后水殘余鋁離子增加,帶來(lái)飲用水安全問(wèn)題[3]。 三氯化鐵使用過(guò)程無(wú)二次污染,但會(huì)影響出廠水色度,并帶來(lái)腐蝕管道風(fēng)險(xiǎn)。 小試試驗(yàn)分別單獨(dú)投加三氯化鐵和PAC 藥劑,投加量從低到高均為1 mg/L～10 mg/L,沉淀20 min 后取樣檢測(cè)出水濁度、UV254,同時(shí)觀察混凝過(guò)程中絮體變化情況,混凝效果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 三氯化鐵和PAC 混凝效果對(duì)比

通過(guò)觀察和檢測(cè),三氯化鐵投加量較小時(shí),礬花形成速度慢且細(xì)小,投加量小于6 mg/L 時(shí),濁度去除率僅為30%～40%,隨著投加量增加,混凝效果增強(qiáng),形成絮體體積大且相對(duì)穩(wěn)定,投加量為10 mg/L時(shí),濁度去除率可達(dá)到70%,隨著投加量增加,濁度去除效果良好,但色度升高,使水體感官性狀變差。PAC 投加量較小時(shí),形成的礬花體積小且輕,上浮現(xiàn)象明顯,隨著投加量增加,絮體逐漸密集,沉降效果加強(qiáng),投加量10 mg/L 時(shí),濁度去除率可達(dá)到80%～90%。 在長(zhǎng)江水低濁度條件下,PAC 投加量小于6 mg/L 時(shí),絮體細(xì)碎上浮,不易形成緊密礬花,影響出水濁度;三氯化鐵作為混凝劑的礬花形成速度慢,投加量較小時(shí)除濁效果不佳,無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果,投加量增加后,混凝效果提升。 總體而言,鋁劑濁度效果更強(qiáng),在后續(xù)中試試驗(yàn)中選擇鐵、鋁復(fù)配投加形式,整體投加量大于10 mg/L。

2.2 中試試驗(yàn)的不同混凝工藝對(duì)濁度去除效果

斜管沉淀工藝出水與脈沖澄清池出水濁度對(duì)比見(jiàn)圖2。 試驗(yàn)期間原水濁度1.31 NTU～7.84 NTU,預(yù)處理工藝為預(yù)臭氧,配比不同混凝劑投量,運(yùn)行穩(wěn)定后檢測(cè)沉淀池出水。 結(jié)果表明,同一投藥量條件下,兩種工藝對(duì)于原水濁度的去除效果相對(duì)接近,總投藥量10 mg/L～15 mg/L 時(shí),兩種工藝混凝出水濁度在0.4～0.5 NTU,仍相對(duì)偏高,繼續(xù)提高混凝劑投量,沉淀池出水濁度有所降低。 斜管沉淀工藝在總投藥量達(dá)25 mg/L 后,繼續(xù)增加投藥量,濁度繼續(xù)降低趨勢(shì)不明顯,整體除濁率基本飽和。 脈沖澄清工藝持續(xù)加大藥量,可繼續(xù)降低出水濁度,在總投藥量40 mg/L 時(shí),濁度降至0.2 NTU 以下,比相同加藥條件下的斜管沉淀工藝,濁度去除率進(jìn)一步提升40%,可見(jiàn)在大藥量運(yùn)行條件下,脈沖澄清工藝的除濁效果優(yōu)于斜管沉淀工藝。 但實(shí)際運(yùn)行中考慮后續(xù)仍有過(guò)濾工藝,為有效發(fā)揮濾池功效,控制濾前處理效果較好即可,一定程度上可以減少藥劑投加量。

圖2 不同混凝工藝濁度去除效果

此外,原水濁度情況對(duì)混凝效果也有一定影響,試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在原水濁度同為2 NTU 左右時(shí),復(fù)配投加15 mg/L PAC 及10 mg/L FeCl3藥劑,斜管沉淀池出水除濁率為82.02%,脈沖澄清池出水除濁率為77.59%,減少混凝劑投量,脈沖澄清池出水除濁率進(jìn)一步下降至70%左右,但斜管沉淀池出水仍可保持80%左右的除濁率。 可以看出,斜管沉淀池對(duì)于超低濁度原水的適應(yīng)性更好,可有效處理的原水濁度范圍更廣,脈沖澄清池在原水低濁度情況下,混凝所形成的礬花體積減小,沉降性變差,造成整體UCR 工藝泥層穩(wěn)定性下降,在水流脈沖過(guò)程中可能造成絮體上浮,造成除濁效果下降,而提升藥量運(yùn)行,會(huì)使UCR 泥層穩(wěn)定性提升,保障出水穩(wěn)定,但造成藥劑投加量增加,藥耗升高。

2.3 不同混凝工藝對(duì)CODMn 去除效果對(duì)比分析

斜管沉淀工藝出水與脈沖澄清池出水CODMn對(duì)比圖見(jiàn)圖3。 結(jié)果表明,當(dāng)原水CODMn范圍為2.0 mg/L～2.4 mg/L 時(shí),增加混凝劑投量,可以有效降低原水CODMn,總投藥量25 mg/L 時(shí),斜管沉淀工藝CODMn去除率達(dá)到50%左右,脈沖澄清工藝CODMn去除率達(dá)到60%左右,繼續(xù)增加藥劑投量,降低效果不明顯,混凝工藝對(duì)于有機(jī)物的去除效率基本飽和。 復(fù)配投加20 mg/L PAC 及20 mg/L FeCl3 藥劑,脈沖澄清工藝與斜管沉淀工藝CODMn去除率達(dá)到最高,分別為66.33%和55.22%。 從圖3 可以看出,在混凝劑不同投藥配比下,脈沖澄清工藝的有機(jī)物去除效果均明顯優(yōu)于斜管沉淀工藝,主要是由于UCR 特殊的泥層工藝,通過(guò)水流的脈沖作用,加強(qiáng)了對(duì)于有機(jī)物的吸附效果,強(qiáng)化了原水中CODMn的去除效果。 在應(yīng)對(duì)原水有機(jī)物指標(biāo)偏高情況時(shí),脈沖澄清工藝適用性更強(qiáng),同時(shí)若出現(xiàn)原水有機(jī)物突發(fā)升高問(wèn)題,可及時(shí)利用活性炭吸附作用進(jìn)行應(yīng)急處理。

圖3 不同混凝工藝CODMn 去除效果

2.4 混凝過(guò)程對(duì)出水鋁的影響

不同混凝劑投藥方式對(duì)殘余鋁的影響見(jiàn)圖4。隨著PAC 藥劑投加量的增加,混凝效果有所加強(qiáng),但濾前水鋁有所上升,復(fù)配投加15 mg/L PAC 及10 mg/L FeCl3藥劑時(shí),出水殘余鋁達(dá)到最高為0.114 mg/L,繼續(xù)增加投藥量,殘余鋁下降至0.082 mg/L。 可見(jiàn)PAC 藥劑小劑量投加時(shí),濾前水鋁升高趨勢(shì)受到藥劑中鋁元素的總引入量限制,不會(huì)有大幅升高。 復(fù)配投加15 mg/L PAC 時(shí),混凝效果增強(qiáng),濾前水濁度降低至0.3 NTU 以下,但考慮在增加藥劑投量的同時(shí),導(dǎo)致了較多的含鋁膠體形成,混凝劑的有效利用率降低,沉淀過(guò)程中有鋁離子析出,使殘余鋁增加。 增加PAC 藥劑投量至20 mg/L時(shí),出水濁度進(jìn)一步下降,伴隨出水殘余鋁也有所下降,考慮為此刻混凝形成的礬花更為緊實(shí),鋁會(huì)伴隨顆粒態(tài)物質(zhì)去除而有效降低。 在后續(xù)過(guò)濾工藝中,主要去除的是顆粒鋁,合理控制水體pH 值,減少水中的溶解鋁析出,可有效在過(guò)濾工段進(jìn)一步降低出水殘余鋁。

圖4 混凝效果對(duì)殘余鋁的影響

處理低濁度引江原水時(shí),過(guò)低的混凝劑投量不能有效降低原水濁度,反而會(huì)由于礬花沉淀效果的影響使?jié)岫壬仙?過(guò)量投加混凝劑可以達(dá)到良好的濁度去除率,但不符合節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求,在達(dá)到穩(wěn)定的出水濁度及有效控制出廠水殘余鋁超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)上需要綜合考慮,在混凝處理中找到一個(gè)最佳的平衡狀態(tài)。

2.5 混凝工藝對(duì)后續(xù)工藝段的影響分析

通過(guò)整體分析,斜管沉淀工藝與脈沖澄清工藝均可達(dá)到優(yōu)于常規(guī)處理工藝的水處理效果,在保證濁度去除率較高的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提升對(duì)水中有機(jī)物的去除。 同時(shí),將濾前水有效控制在0.5 NTU 左右時(shí),濾池過(guò)濾性能最好,使用壽命和水電消耗最優(yōu)[4]。 脈沖澄清工藝與斜管沉淀工藝相比,除濁效果接近,去除CODMn效果略?xún)?yōu),兩種不同工藝應(yīng)對(duì)引江水均可以達(dá)到良好的混凝沉淀出水效果,可為后一步過(guò)濾工藝減輕運(yùn)行負(fù)荷。 控制混凝沉淀出水濁度0.5 NTU 以下,可有效控制沉后水殘余鋁0.15 mg/L 以下,后續(xù)通過(guò)過(guò)濾工藝,可繼續(xù)降低20%～30%,保證出廠水殘余鋁符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

① 不同混凝劑使用效果不同,在凈水廠實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)特點(diǎn),選擇合適的混凝劑及投加方式,運(yùn)行有效的水處理工藝。

② 脈沖澄清工藝與斜管沉淀工藝對(duì)濁度2 NTU～5 NTU、CODMn小于3 mg/L 的引江水有較好的處理效果,兩種工藝沉淀后出水濁度接近,脈沖澄清工藝去除有機(jī)物效果更佳。 在原水有機(jī)物指標(biāo)較高時(shí),增加脈沖澄清工藝運(yùn)行負(fù)荷,當(dāng)原水濁度偏低時(shí),考慮斜管沉淀工藝保證對(duì)出水濁度的降低,合理對(duì)工藝進(jìn)行組合優(yōu)化,可達(dá)到最佳的處理效果,探索更為適用的運(yùn)行參數(shù)。

③ 出水殘余鋁受到PAC 投加量、原水水質(zhì)情況、混凝處理效果的共同影響。 在實(shí)際生產(chǎn)中合理復(fù)配PAC 及FeCl3藥劑,保證混凝效果,有效控制沉后水濁度可有效降低出水殘余鋁超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。