任鵬飛 南 軍 鄭 凱

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

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水·暖·電

變速沉淀對水中濁度和微顆粒的控制

任鵬飛 南 軍 鄭 凱

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

根據(jù)干擾沉降原理，研究了變速沉淀控制水中濁度和微顆粒的效能，并對變速沉淀的運行機制進行了分析，試驗結(jié)果表明，變速沉淀可以有效降低水中濁度并控制微顆粒數(shù)量，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

變速沉淀，懸浮層，微顆粒，濁度

0 引言

絮凝和沉淀是給水處理中的重要工藝過程，用于去除水中的懸浮物和顆粒物質(zhì)。水中的顆粒包括砂粒、泥土、有機和無機污染物、膠體、微生物等，按照粒徑大小分為三類[1]：可見顆粒，粒徑大于10 μm；微顆粒，粒徑為0.25 μm～10 μm；超顯微顆粒，粒徑小于0.25 μm。前期研究表明，粒徑為2 μm～10 μm的微顆粒很難通過絮凝沉淀工藝去除，并且，微顆粒無法被通過濁度反應(yīng)[2,3]。戴捷等提出2 μm～3 μm的顆粒數(shù)量變動可以作為濾池反沖洗的標志[4]。李浩宇的研究中也發(fā)現(xiàn)，2 μm～10 μm的微顆粒對過濾工藝的反沖洗時間有明顯的影響，且2 μm～5 μm的顆粒與濁度相關(guān)性較差，需要單獨控制[5]。另外，沉淀主要用于去除水中的懸浮物，但對微顆粒的去除效果有一定的局限性[6,7]。為了提高沉淀工藝對微顆粒的去除效能，本文根據(jù)干擾沉降原理，設(shè)計一種新型的變速沉淀工藝，以實現(xiàn)對微顆粒和濁度的雙重控制。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗原水為高嶺土(分析純)和腐殖酸(分析純)的混合水樣，高嶺土濃度為76.8 mg/L，腐殖酸濃度為2.0 mg/L。原水濁度為(100±5)NTU，pH為7.3～7.8，水溫為15 ℃。絮凝劑為聚合氯化鋁(PAC，分析純)。

本試驗采用連續(xù)流絮凝—沉淀反應(yīng)器，如圖1所示。絮凝階段包括4個相同的絮凝單元，每個單元的長×寬×高為200 mm×200 mm×300 mm，有效容積為10 L。其中，絮凝單元A區(qū)為快攪混合池，速度梯度為548 s-1。絮凝單元B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)為絮凝過程，攪拌速度依次降低，速度梯度分別為69 s-1,32 s-1,15 s-1。絮凝池的設(shè)計流量為2 L/min，設(shè)計停留時間為20 min。沉淀池的長×寬×高為450 mm×600 mm×350 mm，有效容積為80 L，設(shè)計停留時間為40 min。沉降池分為布水區(qū)E區(qū)，沉淀區(qū)F區(qū)和清水區(qū)G區(qū)。

變速沉淀(如圖2a)所示)設(shè)置在沉淀池F區(qū)中，分為三層：下層斜板，中層顆粒懸浮單元和上層斜板。每層高度均為40 mm。下層斜板和上層斜板的斜板垂直間距均為5 mm，高度均為40 mm。中層顆粒懸浮單元的結(jié)構(gòu)如圖2b)所示。懸浮單元的側(cè)壁傾角為60°，懸浮單元最寬處橫截面是最窄處的3倍。當水流從下方進入單元內(nèi)時，流速為v1。隨著水流向上流動，最寬處時水流速度降低至v1/3。經(jīng)過最寬處后，流速逐漸加快，到達出口時，流速恢復(fù)至v1，從而起到改變流速的效果。

本研究將變速沉淀和傳統(tǒng)斜板沉淀進行效能對比，斜板沉淀試驗中在反應(yīng)器F區(qū)安裝垂直高度為120 mm的斜板，斜板傾角為60°，斜板垂直間距為5 mm。

1.2 分析方法

本試驗采用MICROTOL散射光型濁度儀(測量范圍0.01 NTU～1 000 NTU)和為PCX2200光阻型顆粒計數(shù)儀(檢測粒徑范圍2 μm～600 μm，工作流速100 mL/min，工作溫度范圍0 ℃～50 ℃)對沉淀池內(nèi)各區(qū)域的濁度和顆粒進行監(jiān)測。

2 結(jié)果與討論

2.1 變速沉淀對水中濁度和微顆粒的控制效果

圖3為沉淀池E區(qū)(布水區(qū))中的微顆粒分布。試驗數(shù)據(jù)表明，PAC投加量為1 mg/L～5 mg/L時，隨著PAC濃度的增加，布水區(qū)的微顆粒(2 μm～10 μm)數(shù)量先降低后增加，<5 μm的微顆粒占主要成分。

圖4為三種典型投藥量下變速沉淀與斜板沉淀對微顆粒的去除效果對比。由試驗數(shù)據(jù)可知，變速沉淀對水中<10 μm的顆粒去除效果顯著高于斜板沉淀。投藥量為1 mg/L,3 mg/L和5 mg/L時，變速沉淀對微顆粒的去除效能比斜板沉淀分別增加了41.73%,26%和77.93%。根據(jù)圖3數(shù)據(jù)所示，3 mg/L投藥量下沉淀池布水區(qū)的顆粒數(shù)量低，在顆粒懸浮單元內(nèi)的微顆粒數(shù)量相應(yīng)較低，低顆粒濃度使這些微顆粒有足夠的空隙從顆粒懸浮單元內(nèi)逃逸。而投藥量為1 mg/L和5 mg/L時，進入懸浮單元的顆粒濃度較高，顆粒發(fā)生碰撞的幾率也高，因而被大顆粒吸附而停留在顆粒懸浮單元內(nèi)的幾率也有所升高。因此，沉淀清水區(qū)中的微顆粒數(shù)量下降明顯。

圖5為變速沉淀和斜板沉淀處理后出水的濁度。隨投藥量的升高，變速沉淀與斜板沉淀的沉后水的濁度均逐漸降低。當PAC投加量低于3 mg/L時，變速沉淀出水濁度低于斜板沉淀，當PAC投加量大于3 mg/L時，兩種沉淀工藝的出水濁度基本保持一致。說明在低投藥量條件下，變速沉淀池在濁度的去除方面有一定的優(yōu)勢。

2.2 變速沉淀的運行表征

圖6為絮凝劑投加量為1 mg/L條件下，顆粒懸浮單元與沉后水中的濁度與顆粒變化。圖6a)中，連續(xù)流反應(yīng)器運行60 min～120 min時水中濁度增速較快，由37.55 NTU增加至52.91 NTU，這一階段是懸浮單元的累積階段。120 min后顆粒懸浮單元內(nèi)的濁度穩(wěn)定在53 NTU～54 NTU之間，反應(yīng)器運行至穩(wěn)定階段。沉后水濁度從60 min的13.10 NTU逐漸降低至120 min的7.06 NTU。后續(xù)30 min的濁度穩(wěn)定在7.0 NTU～7.1 NTU之間。圖6b)中，顆粒懸浮單元的顆?？倲?shù)隨著反應(yīng)器的運行而逐漸升高，當懸浮層達到穩(wěn)定狀態(tài)時，顆?？倲?shù)約為8 500個/mL，說明顆粒懸浮單元內(nèi)存在顆粒的累積過程。此時清水區(qū)的顆?？倲?shù)則逐漸減少，當顆粒懸浮單元內(nèi)有顆粒的停留時，進入清水區(qū)的顆粒數(shù)量逐漸減少。同時，懸浮層中和清水區(qū)中<5 μm的微顆粒數(shù)量隨著顆粒懸浮單元內(nèi)的顆粒累積而逐漸減少，說明當顆粒懸浮單元內(nèi)有顆粒的累積時，對微顆粒起到了一定的截留作用。

圖7為絮凝劑投加量為5 mg/L時顆粒懸浮單元與沉后水中的濁度和顆粒變化。圖7a)中顆粒懸浮單元內(nèi)的濁度為30.95 NTU，高于投藥量為1 mg/L條件下的同期水平。而沉后水的濁度則低于1.5 NTU。圖7b)中，反應(yīng)器中顆粒懸浮單元內(nèi)的顆?？倲?shù)由第60分鐘時的5 000個/mL快速累積至第120分鐘時的8 000個/mL，說明在這一過程內(nèi)，顆粒的累積效果比較好。隨著懸浮單元內(nèi)的顆粒累積，清水區(qū)的顆?？倲?shù)急劇降低，由60 min的3 000個/mL減少至600個/mL。懸浮層中<5 μm的微顆粒數(shù)量在60 min～120 min這一階段也明顯減少，說明懸浮單元中顆粒之間的碰撞粘附的幾率高。清水區(qū)中<5 μm的顆粒個數(shù)控制在了500個/mL以下，說明當穩(wěn)定的懸浮層出現(xiàn)時，對微顆粒的吸附截留效果較為明顯。

3 結(jié)語

本文研究了變速沉淀控制水中濁度和微顆粒的效能，并對變速沉淀的運行機制進行了分析。當PAC投加量<3 mg/L時變速沉淀的濁度去除效能好于斜板沉淀，去除率提高20%以上。在PAC投加量>3 mg/L時，兩種沉淀方式的濁度幾乎相同。在微顆粒控制方面，變速沉淀顯著好于斜板沉淀，當PAC為5 mg/L時，變速沉淀的微顆粒去除率較斜板沉淀提高了77.93%。當PAC投加量為5 mg/L時，穩(wěn)定態(tài)懸浮單元內(nèi)濁度可達31 NTU，顆粒累積量超過8 000個/mL，懸浮層形成效果較好。

[1] 郭曉敏.基于顯微圖像的顆粒計數(shù)方法研究[D].杭州：浙江大學(xué),2014.

[2] McTigue N E. National assessment of particle removal by filtration[M].American Water Works Association,1998.

[3] Hargesheimer E E，McTigue N E，Mielke J L, et al.Tracking filter performance with particle counting[J].American Water Works Association.Journal,1998,90(12):32.

[4] 戴 婕，伍海輝，竇 茵,等.顆粒計數(shù)儀器在給水處理工藝中的應(yīng)用探索[J].給水排水,2007,33(9):27-30.

[5] 李浩宇.給水處理工藝初級絮凝階段表征及強化控制機制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

[6] Rubey W W. Settling velocity of gravel, sand, and silt particles[J]. American Journal of Science,1933(148):325-338.

[7] Mancell-Egala W A，Kinnear D J，Jones K L, et al. Limit of stokesian settling concentration characterizes sludge settling velocity[J]. Water research,2016(90):100-110.

The control of turbidity and micro-particle number by variable speed precipitation

Ren Pengfei Nan Jun Zheng Kai

(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)

According to hindered settling principles, the paper studies the efficiency of variable speed precipitation controlling water turbidity and micro-particle, and analyzes the operation mechanism of variable speed precipitation. The experimental results show that: variable speed precipitation can effectively reduce water turbidity and control micro-particle amount, which has wide engineering application prospect.

variable speed precipitation, suspension layer, micro-particle, turbidity

1009-6825(2016)27-0118-03

2016-07-15

任鵬飛(1984- )，男，在讀博士

X703

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