單國(guó)平，呂 淼

（1.南京市自來水總公司，江蘇南京 210002；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，城市供水水源尤其是地表水源水質(zhì)也出現(xiàn)不同程度的下降。以江浙地區(qū)為例，該地區(qū)通常地勢(shì)平坦、河網(wǎng)交織、水流滯緩，地表水污染嚴(yán)重，水體水質(zhì)多為IV～V類，枯水期甚至為劣V類，原水中氨氮含量通常 0.5～1 mg／L，CODMn通常 3～6 mg／L，屬于典型的高氨氮高有機(jī)物污染原水[1]。對(duì)于此類原水，以混凝-沉淀-過濾-消毒為主要處理單元的常規(guī)水處理工藝的處理效果不能令人滿意，飲用水安全風(fēng)險(xiǎn)大大增加[2]。

近年來，有外部循環(huán)污泥的高密度沉淀池在國(guó)內(nèi)外凈水廠設(shè)計(jì)以及改造中越來越多地被應(yīng)用[3-8]，國(guó)內(nèi)常見的池型以法國(guó)Densadeg公司的高效沉淀池和上海市政設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司開發(fā)的中置式高密度沉淀池等為代表[9]。這兩種高效沉淀工藝的原理基本相同，即外部循環(huán)具有活性的污泥，使雜質(zhì)顆粒與其發(fā)生接觸絮凝而從水中分離。目前，中置式高密度沉淀池已在江浙地區(qū)多座水廠中應(yīng)用實(shí)施，相關(guān)的科研工作也已開展[1]。本中試研究通過在高密度沉淀池中采用粉炭回流技術(shù)，并結(jié)合后續(xù)砂濾工藝，強(qiáng)化其對(duì)濁度、有機(jī)物和氨氮的去除效果，使高密度沉淀池兼具常規(guī)處理和深度處理的雙重功能，力圖為劣質(zhì)原水處理工藝提供了一個(gè)全新的思路。

2 試驗(yàn)材料設(shè)備及方法

2.1 試驗(yàn)原水

表1 江浙地區(qū)某水廠原水部分水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Raw Water Quality of a Water Plant in Area of Jiangsu-Zhejiang

2.2 試驗(yàn)藥劑

混凝劑：硫酸鋁、氯化鐵、聚合氯化鋁（PAC，Al2O3含量10%左右）、聚合氯化鋁鐵（PAFC，Al2O3和Fe2O3含量10%左右）；助凝劑：陰離子型聚丙烯酰胺（PAM）；粉末活性炭。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備及方法

首先采用杯罐試驗(yàn)對(duì)藥劑種類及投加量進(jìn)行優(yōu)化，然后在高密度沉淀池中進(jìn)行中試試驗(yàn)。杯罐試驗(yàn)按照國(guó)標(biāo)《水的混凝、絮凝杯罐試驗(yàn)方法》（GB/T 16881—1997）設(shè)計(jì)，具體步驟如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)備采用深圳生產(chǎn)的ZR4-6型混凝試驗(yàn)六聯(lián)攪拌機(jī)。

圖1 杯罐試驗(yàn)步驟Fig.1 Procedures for Jar Test

中試試驗(yàn)采用上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司設(shè)計(jì)的高密度沉淀池中試裝置，其示意圖見圖2。中試裝置規(guī)模5 m3／h，原水在進(jìn)水管中與粉炭、混凝劑以及高濃度底部回流污泥混合并一同進(jìn)入混合區(qū)，經(jīng)充分混合后進(jìn)入絮凝區(qū)進(jìn)行機(jī)械提升攪拌絮凝。機(jī)械絮凝后的水經(jīng)翻水堰進(jìn)入兩側(cè)的靜止絮凝區(qū)繼續(xù)絮凝，并由上而下水流順暢地進(jìn)入沉淀區(qū)，在沉淀區(qū)進(jìn)行最終泥水分離，斜管上部清水區(qū)設(shè)置集水管匯流出水，污泥則在沉淀區(qū)下部進(jìn)行濃縮。裝置底部設(shè)濃縮刮泥機(jī)，濃縮后的污泥部分再回流到原水進(jìn)水管，多余高濃度污泥被排放。

試驗(yàn)中的主要檢測(cè)指標(biāo)及方法如表2所示。

圖2 高密度沉淀池工藝示意圖Fig.2 High-density Sedimentation Tank

表2 檢測(cè)指標(biāo)及方法Tab.2 Parameters Tested and Methods for Examination

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 小試研究

（1）混凝劑種類及投加量?jī)?yōu)化

以濁度為主要指標(biāo)，對(duì)硫酸鋁、氯化鐵、聚合氯化鋁、聚合氯化鋁鐵四種混凝劑進(jìn)行優(yōu)化篩選?；炷齽┓?個(gè)投加水平，均按有效成分（Al2O3和Fe2O3）1～7 mg／L 換算，詳見表 3；沉淀時(shí)間 20 min。

表3 混凝劑投加量、有效成分對(duì)照表Tab.3 Dosages of Coagulants and Their Effective Components

圖3 不同硫酸鋁投量時(shí)出水濁度變化圖Fig.3 Variation of Turbidity of Effluent under Different Dosages of Aluminum Sulphate

圖4 不同氯化鐵投量時(shí)出水濁度變化圖Fig.4 Variation of Turbidity of Effluent under Different Dosages of Ferric Chloride

由圖3～圖6不難看出，對(duì)于硫酸鋁而言，投加6 mg／L（有效成分，下同）可控制出水濁度低于1 NTU；而氯化鐵的除濁效果則較差，即使投加7 mg／L，其出水濁度仍高于3 NTU；在聚合氯化鋁投加6 mg／L時(shí)，沉淀20 min后出水濁度可控制在1 NTU以下；而對(duì)于聚合氯化鋁鐵，投加量5 mg／L即可將出水濁度控制在1 NTU以下。

圖5 不同聚合氯化鋁投量時(shí)出水濁度變化圖Fig.5 Variation of Turbidity of Effluent under Different Dosages of Aluminum Chloride

圖6 不同聚合氯化鋁鐵投量時(shí)出水濁度變化圖Fig.6 Variation of Turbidity of Effluent under Different Dosages of Poly-Aluminum-Iron Chloride

圖7 四種混凝劑除濁效果圖（混凝劑投量按有效成分5 mg／L）Fig.7 Effect of Turbidity Removal with Different Kinds of Coagulant

由圖7可知，四種混凝劑中以聚合氯化鋁鐵的除濁效果為最好，投加量5 mg／L時(shí)即可將出水濁度控制在0.8 NTU以下；除濁效果其次為聚合氯化鋁、再次為硫酸鋁，最差為氯化鐵?？傮w而言鋁鹽的除濁效果優(yōu)于鐵鹽。

（2）助凝劑投加量?jī)?yōu)化

以濁度、CODMn和氨氮為主要指標(biāo)，對(duì)PAM投加量進(jìn)行優(yōu)化，混凝劑采用聚合氯化鋁鐵50 mg／L，沉淀時(shí)間20 min。試驗(yàn)結(jié)果如下。

圖8 不同PAM投量的出水濁度變化圖Fig.8 Variation of Turbidity of Effluent under Different Dosages of PAM

圖9 不同PAM投量的出水CODMn變化圖Fig.9 Variation of CODMnof Effluent under Different Dosages of PAM

圖10 不同PAM投量的出水氨氮變化圖Fig.10 Variation of NH3-N of Effluent under Different Dosages of PAM

由圖8可知，當(dāng)PAM投加量在0.1 mg／L以下時(shí)，隨著投加量的增加出水濁度下降，至投加量為0.1 mg／L，濁度達(dá)到最低，為 0.737 NTU，比不投加PAM 降低了0.149 NTU。當(dāng) PAM 投加量高于 0.1mg／L時(shí)，出水濁度反而有所上升。這可能是由于顆粒上的吸附點(diǎn)被迅速占領(lǐng)，結(jié)果減少了架橋的可能性，或者負(fù)電荷的高分子聚合物阻礙了帶負(fù)電荷粘土顆粒的凝聚，因此絮凝效率反而降低。由圖9可知，投加PAM對(duì)提高CODMn的去除作用不是很明顯，去除率約 20%～30%，PAM 投量 0.1 mg／L對(duì) CODMn的去除效果較好。由圖10可知，僅靠杯罐試驗(yàn)的混凝沉淀過程對(duì)氨氮去除作用有限，相比而言，PAM投量亦在0.1 mg／L時(shí)去除效果較好。

（3）粉炭種類優(yōu)化

對(duì)兩種粉炭進(jìn)行篩選，二者均由美國(guó)卡爾岡炭素公司提供，參數(shù)詳見表4?；炷齽┎捎镁酆下然X鐵 50 mg／L，助凝劑采用 PAM 0.1 mg／L，沉淀時(shí)間20 min。

表4 兩種粉炭主要性能參數(shù)表Tab.4 Property of 2 Kinds of Powdered Activated Carbon

圖11 兩種粉炭的濁度去除效果比較Fig.11 Turbidity Removal with 2 Kinds of PAC

圖12 兩種粉炭的CODMn去除效果比較Fig.12 CODMnRemoval with 2 Kinds of PAC

圖13 兩種粉炭的氨氮去除效果比較Fig.13 NH3-N Removal with 2 Kinds of PAC

由圖11可知，隨著活性炭投加量的增大，出水濁度先略有下降，然后又有所上升，兩種粉炭均在20 mg／L時(shí)達(dá)到最佳的濁度去除效果。這可能是由于粉炭的密度較低，當(dāng)投加量過高時(shí)在一定程度上會(huì)影響礬花的沉降性能。兩種粉炭比較，在低于20 mg／L時(shí)，1#炭的除濁效果稍好；而在高于20 mg／L時(shí)，2#炭的除濁效果較好。整體而言，二者的除濁效果相差不大。由圖12可知，投加粉末活性炭使CODMn的去除效果有很大提高，隨著活性炭投加量增加，CODMn逐步降低。兩種粉炭比較，2#粉炭對(duì)CODMn的去除效果較好，在40 mg／L時(shí)，CODMn去除率可達(dá)50%，比1#粉炭高10%左右。由圖13可知，投加粉末活性炭對(duì)提高氨氮的去除效果有一定作用，1#粉炭可使氨氮去除率增加約3%，2#粉炭可使氨氮去除率增加約5%。由以上結(jié)果不難看出，PULSORB SP230的處理效果優(yōu)于207AP POWDER。因此本研究在中試試驗(yàn)中采用PULSORB SP230。

3.2 中試研究

高密度沉淀池進(jìn)水流量5 m3／h，進(jìn)水濁度23～44 NTU，混凝劑投加量 40 mg／L，PAM 投加量0.1 mg／L，PAM 兩點(diǎn)投加比例 1∶1，粉炭投加量 5 mg／L，污泥回流比3%，砂濾池助濾劑投加量2 mg／L。試驗(yàn)考察了無粉炭投加和粉炭回流兩種工況下高密度沉淀池及后續(xù)砂濾池對(duì)濁度、CODMn、氨氮、UV254等指標(biāo)的去除效果。每個(gè)工況穩(wěn)定運(yùn)行30 d，每2 d取樣檢測(cè)。

圖14 高密度沉淀池及砂濾池對(duì)濁度的去除效果圖Fig.14 Total Turbidity Removal through Sedimentation and Filtration

由圖14可知，當(dāng)無粉炭回流時(shí)，沉淀池出水平均濁度為 0.80 NTU，平均去除率約 96.8%；砂濾池出水平均濁度0.29 NTU，整個(gè)強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)濁度的平均去除率為98.9%。而粉炭回流時(shí)，沉淀池出水平均濁度為0.62 NTU，平均去除率約97.9%；砂濾池出水平均濁度0.20 NTU，濁度總?cè)コ蔬_(dá)99.3%。這說明粉炭回流在一定程度上強(qiáng)化了高密度沉淀池對(duì)濁度物質(zhì)的去除。

試驗(yàn)期間高密度沉淀池及后續(xù)砂濾池對(duì)于CODMn的去除效果如圖15所示。由圖可知，沉淀池進(jìn)水CODMn均值約6.13 mg／L，無粉炭回流工況下出水CODMn平均下降到4.33 mg／L，平均去除率為29.3%，砂濾池出水 CODMn均值 3.92 mg／L，CODMn總?cè)コ蕿?5.9%。在粉炭回流工況下，沉淀池出水CODMn可進(jìn)一步下降到3.85 mg／L，平均去除率可提高至 36.9%，CODMn總?cè)コ士蛇_(dá) 45.4%，這充分體現(xiàn)了粉炭回流在去除有機(jī)物方面的優(yōu)勢(shì)。

圖16反映了高密度沉淀池及后續(xù)砂濾池對(duì)于氨氮的去除效果。由圖可知，試驗(yàn)期間沉淀池進(jìn)水氨氮均值 0.78 mg／L，無粉炭回流時(shí)出水氨氮 0.33 mg／L，去除率 57.2%，砂濾池出水氨氮 0.23 mg／L，氨氮總?cè)コ?9.9%。而粉炭回流時(shí)沉淀池出水氨氮可進(jìn)一步降低至 0.24 mg／L，去除率可提高至 69.8%，砂濾池出水氨氮 0.19 mg／L，總?cè)コ士蛇_(dá) 76.6%。

圖15 高密度沉淀池及砂濾池對(duì)CODMn的去除效果圖Fig.15 Total CODMnRemoval through Sedimentation and Filtration

圖16 高密度沉淀池及砂濾池對(duì)氨氮的去除效果圖Fig.16 Total NH3-N Removal through Sedimentation and Filtration

UV254可作為TOC、三鹵甲烷前體物的代用參數(shù)，且測(cè)定簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。圖17反映了高密度沉淀池及砂濾池對(duì)UV254的去除效果。由圖可知，沉淀池進(jìn)水UV254均值0.124，無粉炭回流時(shí)出水均值0.106，平均去除率 18.2%，砂濾池出水 UV254均值0.103，UV254總?cè)コ?20.8%。粉炭回流時(shí)沉淀池出水UV254均值可降至0.086，平均去除率28.2%，砂濾池出水 UV254均值 0.077，UV254總?cè)コ蔬_(dá)35.9%。

圖17 高密度沉淀池及砂濾池對(duì)UV254的去除效果圖Fig.17 Total UV254Removal through Sedimentation and Filtration

4 結(jié)論

（1）小試試驗(yàn)條件下，硫酸鋁、氯化鐵、聚合氯化鋁和聚合氯化鋁鐵四種混凝劑的除濁效果依次為：聚合氯化鋁鐵＞聚合氯化鋁＞硫酸鋁＞氯化鐵；助凝劑PAM可強(qiáng)化混凝沉淀效果，其最佳投量約為0.1 mg／L；投加粉末活性炭使CODMn的去除效果有很大提高，隨著活性炭投加量增加，CODMn逐步降低。本試驗(yàn)所選兩種粉炭比較，PULSORB SP230的處理效果較為理想。

（2）中試試驗(yàn)條件下，當(dāng)進(jìn)水濁度23～44 NTU，混凝劑投加量 40 mg ／L，PAM 投加量 0.1 mg ／L，PAM 兩點(diǎn)投加比例 1∶1，粉炭投加量 5 mg／L，污泥回流比3%，助濾劑投加量2 mg／L時(shí)，高密度沉淀池出水濁度能長(zhǎng)期穩(wěn)定在0.8 NTU以下，砂濾池出水濁度能長(zhǎng)期維持在0.2 NTU以下。

（3）高密度沉淀池對(duì)CODMn和UV254具有良好的去除效果，粉炭回流使沉淀池對(duì)CODMn的平均去除率由29.3%提高至36.9%，結(jié)合后續(xù)砂濾池可使CODMn總?cè)コ蔬_(dá)到45.4%；對(duì)于UV254而言，粉炭回流可使沉淀池出水UV254去除率由18.2%提高至28.2%。可見粉炭回流在有機(jī)物去除方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。

（4）當(dāng)高密度沉淀池進(jìn)水氨氮濃度0.78 mg／L時(shí)，無粉炭回流工況下沉淀池出水氨氮可降至0.33 mg／L，去除率57.2%， 砂 濾 池 出 水 氨 氮0.23 mg／L，氨氮總?cè)コ?69.9%。而粉炭回流時(shí)沉淀池出水氨氮?jiǎng)t可進(jìn)一步降低至0.24 mg／L，去除率提高至 69.8%，砂濾池出水氨氮 0.19 mg／L，總?cè)コ士蛇_(dá)76.6%。

（5）綜上研究表明，在高密度沉淀池中引入粉炭回流技術(shù)，可以改進(jìn)以往在常規(guī)處理工藝中投加活性炭利用率低的弊端，賦予了常規(guī)沉淀工藝對(duì)濁度、有機(jī)物、氨氮等物質(zhì)較強(qiáng)的去除能力，發(fā)揮了常規(guī)處理和深度處理的雙重功能，對(duì)劣質(zhì)原水處理工藝的改進(jìn)具有重要參考意義。

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