不同水處理工藝的混凝效果比較

蔣海燕，王彥文，杜彥鵬，徐 慧

(1.寧夏寧東水務(wù)有限責(zé)任公司，寧夏銀川 640100;2.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境水質(zhì)學(xué)國家重點實驗室，北京100085)

寧夏寧東水廠位于寧夏寧東能源化工基地，水源取自黃河，原水經(jīng)過常規(guī)的混凝、沉淀、過濾、消毒等工藝后輸送到基地各用戶［1］。夏季水廠面臨大水量供水的要求，為了解決大水量供水時水處理效果差、“跑礬花”現(xiàn)象嚴(yán)重等問題，寧東水廠在實際運行中采用了三種工藝:常規(guī)混凝沉淀工藝、微渦旋工藝、反沖洗水回流工藝。本文主要對試驗周期(20 d)的運行結(jié)果進(jìn)行了對比，以期找到更好的解決優(yōu)化混凝效果的方法。

微渦旋工藝能有效地促進(jìn)水中微粒的擴(kuò)散和碰撞［2-4］，微渦旋有利于絮凝反應(yīng)的發(fā)生。其優(yōu)點主要包括:混凝效率高，反應(yīng)時間可以縮短5～10 min，產(chǎn)水量比傳統(tǒng)工藝提高1～2倍;出水質(zhì)量優(yōu)，在相同混凝劑投加量下微渦旋工藝產(chǎn)生的絮體質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝，因而具有很好的沉降性能;水質(zhì)、水量變化適應(yīng)能力強(qiáng);實施簡便，在使用老工藝的水廠升級改造過程中，只需要拆除反應(yīng)池內(nèi)原有設(shè)施并適當(dāng)分隔和安裝微渦旋反應(yīng)器即可。反沖洗［5］水由于其自身含有很高的鋁、鐵類金屬氫氧化物以及懸浮膠體顆粒濃度，所以反沖洗水對處理低溫低濁水起到良好的作用。柯水州等［6］研究了反沖洗水與原水一并處理時，反沖洗水的加入強(qiáng)化了混凝沉淀的效果，并可有效地減小混凝劑的投加量，降低沉淀池出水濁度等。

本文采用顆粒計數(shù)儀、絮體沉降柱、分形維數(shù)以及沉淀池出水濁度對三種工藝運行情況進(jìn)行了對比研究，對解決我國西北地區(qū)水廠夏季大水量運行時出水水質(zhì)變差的問題具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗儀器與方法

1.1 試驗儀器

pH計;濁度儀(HACH 2100AN TURBIDIMETER);絮體沉降柱;顆粒計數(shù)儀(IBR Versa Count);顯微鏡(BMM-430)。

1.2 試驗方法

顆粒計數(shù)儀:在采用濁度對出廠水進(jìn)行表征的同時，采用顆粒計數(shù)法進(jìn)行更直觀和科學(xué)的判斷水的純凈度［7，8］。

試驗過程中用取樣桶取樣，把水樣緩慢倒入燒杯中，利用激光器作為光源，通過內(nèi)置泵的抽吸把燒杯中的水循環(huán)抽入儀器中，經(jīng)過設(shè)計的高靈敏度光電探測器件逐個測量被測顆粒的散光度，從而獲得微米級顆粒物的數(shù)目與相關(guān)參數(shù)。

絮體沉降體積與上覆水濁度測定方法:采樣桶在各段沉淀池中取水，緩慢倒入絮體沉降柱內(nèi)，每隔30 min測定沉降柱內(nèi)絮體沉降體積和上覆水濁度。

分形維數(shù)測定方法:利用一次性塑料膠頭滴管將水樣滴于載玻片上，利用與顯微鏡相連接的計算機(jī)的圖像分析軟件，尋找和測定絮體的直徑和面積，獲得絮體的投影面積S和最大長度L的參數(shù)。利用兩者的函數(shù)關(guān)系(ln s=D2ln L+A)，在雙對數(shù)坐標(biāo)軸上求得直線的斜率，此直線的斜率就是絮體的二維分形維數(shù)D2［9］。

1.3 水源水性質(zhì)

表1為水源水的性質(zhì)。

表1 水源水性質(zhì)Tab.1 Quality of Experimental Water

1.4 混凝劑的表征

根據(jù)混凝劑與Ferron反應(yīng)的動力學(xué)差異可將鋁形態(tài)分為3種:短時間內(nèi)立刻反應(yīng)的是Ala;在較長時間內(nèi)反應(yīng)的是Alb;不反應(yīng)的是Alc。

樣品鋁形態(tài)分析方法:移取5.5 mL比色液置于25 mL比色管中，加入純水至刻度，用微量注射器將40 μL樣品注入比色液中，混合后迅速移入1 cm比色皿中，在366 nm處測定樣品吸光度，記錄自加樣后1和120 min時的吸光度值。1 min內(nèi)反應(yīng)的是Ala，1 ～ 120 min 內(nèi)反應(yīng)的是 Alb，其余的是 Alc［10］。分析結(jié)果如表2所示。

表2 混凝劑鋁形態(tài)分析Tab.2 Analysis of Aluminum Forms

1.5 運行工藝與水力學(xué)條件

圖1為運行工藝與改造示意圖。

圖1 運行工藝與改造示意圖Fig.1 Layout of Treatment Process

由圖1可知水廠的水源水經(jīng)過三段絮凝池處理，然后在沉淀池進(jìn)行沉淀后進(jìn)入濾池。絮凝池按照水力擾動分為第一、第二、第三段絮凝池，在絮凝區(qū)與沉淀池之間設(shè)置了過渡區(qū)，主要作用在于:從絮凝池向沉淀區(qū)均勻布水;降低雷若數(shù)，使絮凝區(qū)所要求的紊流過渡到沉淀區(qū)所要求的層流，同時降低末端流速。具體數(shù)值如表3所示。

表3 水力停留時間和各段GT值Tab.3 GT and Hydraulic Retention Time

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 出水濁度

由圖2可知在試驗周期的20 d運行時間中，濾池反沖洗水回流絮凝池具有最低的出水濁度，經(jīng)過微渦旋改造之后出水濁度得到較好的改善。由于水中雜質(zhì)顆粒數(shù)量較少，顆粒間發(fā)生碰撞的機(jī)會少，混凝效果不好。雖然可以通過提高攪拌強(qiáng)度來增加顆粒間碰撞的幾率，但這會產(chǎn)生很高的水流剪切強(qiáng)度，使形成的顆粒破碎。反沖洗水回流增加了原水濁度，促進(jìn)了顆粒之間的碰撞概率。在原水中加入少量的藥劑后，在攪拌葉片的作用下，進(jìn)行充分混合、反應(yīng)，生成的顆粒被緊密地吸附在顆粒物表面上，形成較大的絮凝體，達(dá)到除濁凈化的效果。

圖2 試驗周期內(nèi)各工藝出水濁度Fig.2 Turbidity of Effluent in Experiment Period

2.2 3種工藝過渡區(qū)絮體沉降性

根據(jù)1.2中方法測定過渡區(qū)中絮體的沉降性能，結(jié)果如圖3所示。

圖3 3種工藝絮體的沉降體積和上覆水濁度對比Fig.3 Settling Volume and Turbidity of Overlying Water

由圖3可知微渦旋改造絮凝池絮體沉降體積增長速率遠(yuǎn)高于折板絮凝池的沉降體積增長率，同時濾池反沖洗回流絮凝池中絮體的沉降性能最高，說明增加顆粒物濃度，改善原水的性質(zhì)是改善混凝效果的有效方法。

2.3 3種工藝各段的顆?？倲?shù)

圖4為3種工藝顆粒總數(shù)。

由圖4可知微渦旋改造和反沖洗水回流均會減小絮凝池中顆粒數(shù)目，說明在絮凝段絮體可以更好地形成，形成的絮體的沉降性能得到明顯提高。相對于常規(guī)絮凝池，微渦旋絮凝池和濾池反沖洗回流絮凝池各段顆粒數(shù)分別減少6.12%、10.85%、16.16%、23.85%、29.26% 和 5.8%、17.11%、28.35%、37.56%、45.61%。分析原因是微渦旋改造增加了絮體碰撞幾率，水中生長的小絮體在較高的碰撞幾率作用下，發(fā)生了聚集作用，絮體的形狀變大，使得顆?？倲?shù)目總體減少。對于微渦旋而言，在前期形成的大顆粒數(shù)目比折板絮凝池多，之后易于發(fā)生較大的絮體吸附微絮體的現(xiàn)象，這就保持了微渦旋中的顆?？倲?shù)與折板絮凝池相比明顯較少。

圖4 3種工藝顆粒總數(shù)Fig.4 Amount of Particles in Each Section

2.4 3種工藝的分形維數(shù)

圖5為3種工藝的分形維數(shù)。

圖5 各工藝絮體分形維數(shù)Fig.5 Fractal Dimension in Different Coagulation Process

分形維數(shù)利用絮凝體的投影面積和特征長度的函數(shù)關(guān)系計算。由圖5可知微渦旋改造絮凝池和濾池反沖洗水回流絮凝池絮體分形維數(shù)大于折板絮凝池。這說明微渦旋絮凝池和濾池反沖洗水回流絮凝池易于形成較密實的絮體。絮體分形維數(shù)的提高使得絮體的沉降性能得到提升，這也從絮體的沉降體積與上清液的濁度的關(guān)系得到進(jìn)一步證明。上述結(jié)果表明微渦旋技術(shù)和反沖洗水回流技術(shù)在解決大水量運行，提高產(chǎn)水量方面能夠發(fā)揮重要作用。

3 結(jié)論

(1)微渦旋改造有利于提高濁度去除率，反沖洗水回流增加原水濁度和水中顆粒物濃度是提高濁度去除率的有效方式。

(2)微渦旋改造和反沖洗水回流有助于提高絮體的沉降性能，在實際應(yīng)用中可以減少“跑礬”現(xiàn)象的發(fā)生，顯著提高水廠的出水水質(zhì)。

(3)在水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格的現(xiàn)在，利用顆粒計數(shù)儀對出水水質(zhì)情況進(jìn)行表征是一個有效的方法。

(4)微渦旋改造和反沖洗水回流可以明顯提高絮體的分形維數(shù)，對于改善絮體的沉降性能具有重要的影響。

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