強(qiáng)化混凝處理大伙房水庫低溫高濁水試驗(yàn)研究

宋浩文

（沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)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(fā)強(qiáng)降雨，上游大量泥沙卷入水庫，引起原水濁度、CODMn等水質(zhì)指標(biāo)突發(fā)性升高[1-2]。進(jìn)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(nèi)緩慢降低，水質(zhì)恢復(fù)的漫長過程持續(xù)到次年春季，出現(xiàn)了“濁水長期化”的情況[3]。大伙房水庫所經(jīng)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(zhì)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(wěn)定且難以沉淀，出水水質(zhì)不好。試驗(yàn)研究大伙房水庫這種汛后低溫高濁度水質(zhì)，利用強(qiáng)化混凝處理工藝，以最大限度去除水中濁度、有機(jī)物等為目的，確定最適宜的混凝工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原水水質(zhì)

總結(jié)大伙房水庫洪水后11月至次年2月原水指標(biāo)，使用沈陽建筑大學(xué)地下水水源作為配制水基礎(chǔ)，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(biāo)進(jìn)行污染物濃度調(diào)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(shí)驗(yàn)水樣。

1.2 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)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(yè)級產(chǎn)品。

設(shè)備：六聯(lián)攪拌器、pH計(jì)、濁度計(jì)、電子天平、紫外可見分光光度計(jì)。

1.3 試驗(yàn)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(yàn)確定最適宜的攪拌條件。再觀察討論P(yáng)AM、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(jìn)行正交試驗(yàn)，討論各相關(guān)因素間的影響順序，得到最適宜的混凝參數(shù)。

2 結(jié)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(zhì)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(wěn)，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(hù)導(dǎo)致混凝效果不再提高。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，投藥量與CODMn的去除率大體呈正相關(guān)，當(dāng)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(zhì)量濃度與剩余濁度有相關(guān)性，都隨混凝劑投加量增加而先減少后上升?；炷齽┡c水中顆粒物質(zhì)結(jié)合形成絡(luò)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(zhì)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(jié)合經(jīng)濟(jì)及混凝效果，投加30 mg·L-1PAC較為合適。但單獨(dú)投加PAC出水水質(zhì)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，可見低溫妨礙了混凝作用的發(fā)揮，冬季大伙房水庫原水水溫低于5 ℃的時候，應(yīng)適當(dāng)加入助凝劑增強(qiáng)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(guān)鍵，影響到混凝和后續(xù)工藝對水體濁度及有機(jī)物的去除。綜合考慮混凝效果及經(jīng)濟(jì)性，通過正交試驗(yàn)最終確定最佳的攪拌條件，如表1所示。

表1 混凝試驗(yàn)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(qiáng)稀釋能力，正常年份水體pH值起伏不大，受到嚴(yán)重污染時，才會造成較大波動。以大伙房水庫2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，原水的pH值長期穩(wěn)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(jìn)行混凝試驗(yàn)，結(jié)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(dāng)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(nèi)變動時，濁度去除率先上升再降低，當(dāng)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?？梢钥闯?，混凝去除有機(jī)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(zhì)量濃度的影響

從圖2可以看出，pH值≤8.0時，殘留鋁質(zhì)量濃度有所下降，pH值為7.0時混凝沉淀后水中鋁質(zhì)量濃度較低，水中鋁以Al3+形態(tài)存在，當(dāng)pH值＞7.5時，鋁以AlO2-形態(tài)存在，造成出水余鋁質(zhì)量濃度升高，若pH值持續(xù)升高，聚合鋁的水解形態(tài)會從膠體鋁和中高聚合度鋁轉(zhuǎn)化成低聚合度鋁[4]，可見出水余鋁質(zhì)量濃度高低與原水pH值有關(guān)。對于聚合態(tài)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(nèi)，所以不考慮通過調(diào)節(jié)水體pH值來改善去除效果。

圖2 pH值對混凝及殘留鋁質(zhì)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(jìn)PAC對水中雜質(zhì)的處理效果，減少投藥量。本階段試驗(yàn)投加30 mg·L-1PAC，2 min后加入PAM在最佳水力條件下進(jìn)行混凝試驗(yàn)，結(jié)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(dú)使用PAC可達(dá)到86%的除濁效率，添加PAM后，最高有95%的濁度得到去除。繼續(xù)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(fù)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(zhì)好于同時投加或先投加。若先加入PAM，其自身吸附并卷曲，導(dǎo)致吸附架橋作用減弱，影響凝聚作用發(fā)揮。同時投加兩種藥劑時，它們會發(fā)生吸附及電中和影響混凝。試驗(yàn)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(fā)揮不充分。當(dāng)助凝劑投加時間為PAC投加1 min后時，濁度去除達(dá)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(jìn)行混凝正交試驗(yàn)，最終確定混凝各影響因素的主次順序及最佳水平，結(jié)果見表2、表3。

表2 強(qiáng)化混凝正交因素水平表

對表3進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，綜合分析對比濁度、CODMn兩個指標(biāo)，PAC投加量對濁度最佳水平是A3，對CODMn最優(yōu)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(qiáng)化混凝正交試驗(yàn)分析表

3 結(jié) 論

本文就強(qiáng)化混凝處理大伙房水庫汛后秋冬季低溫高濁度水進(jìn)行了試驗(yàn)研究，討論了各因素對去除濁度和有機(jī)物的影響，得到了最佳水力條件為混合階段轉(zhuǎn)速300 r·min-1持續(xù)1 min；一級絮凝攪拌階段以轉(zhuǎn)速140 r·min-1攪拌6 min；二級絮凝攪拌階段以轉(zhuǎn)速50 r·min-1攪拌15 min，沉淀30 min。分析混凝正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，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(shí)，沉降較快，泥水分離明顯，試驗(yàn)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(dá) 97.16%與 39.28%，殘留鋁質(zhì)量濃度0.058 mg·L-1，與過濾等工藝結(jié)合，可以達(dá)到出廠水標(biāo)準(zhǔn)。