强化混凝工艺处理滦河低温低浊水的试验研究

郭伟锋 白小东

天津市滦河水每年从11月底到次年3月初水温、浊度一直处于全年平均值之下,这一时期该水源水呈现低温低浊的特征。这一特征给饮用水常规处理工艺带来很大的影响,这是因为原水水温低,水的动力粘度系数提高,减弱了水中胶体的颗粒运动,降低了它们之间相互碰撞的几率;水中胶体的溶剂化作用增强,颗粒周围的水化膜加厚,妨碍颗粒凝聚,影响了常规混凝效果[1];同时,原水浊度低,通过混凝所形成的絮体较轻,较细,不易下沉,难以通过沉淀从水中分离出去,这就影响了常规沉淀效果;这样的水进入滤池后,很容易穿透滤层,滤后水往往很难达标,这便严重影响了常规过滤工艺。

因此本文针对天津市滦河水源水的特征,采用强化混凝,气浮[2]技术强化常规处理工艺,以提高对低温低浊水的处理效果,从而保障出水水质,并降低生产运行成本。

1 材料与方法

1.1 原水水质

本试验于2007年11月～2008年2月进行,试验期间其原水水质具有低温,低浊,微污染的特点(见表1)。

表1 试验期间滦河原水水质

1.2 试验流程

中试试验流程设计为两套系统:1)“混凝+沉淀+过滤+消毒”(简称沉淀系统);2)“混凝+气浮+过滤+消毒”(简称气浮系统)。

上述两流程处理水量均为5 m3/h。混合池采用机械搅拌混合,反应时间为1 min,两级絮凝反应池的反应时间为18 min,试验中混凝剂,助凝剂均采用计量泵加入;气浮单元为加压溶气气浮,水力负荷11 m3/(m2◦h),回流比为8%～10%,设计停留时间16 min;斜管沉淀池的上升流速为3.3 mm/s,停留时间28 min;滤池采用无烟煤—石英砂双层滤料,上层为厚度600 mm粒径1.2 mm～1.5 mm的无烟煤,下层为厚度400 mm粒径0.5 mm～1.0 mm的石英砂。滤速为8 m/h,反冲洗采用气、水联合反冲洗,先采用气冲,冲洗强度q=9 L/(s◦m2),然后采用水冲漂洗,强度q=6 L/(s◦m2)。

1.3 试验方法

试验分为若干组,每组试验中,同时运行两套中试系统,原水水质如表1所示,在保证滤池出水浊度,CODMn不超过一定要求的前提下,考察不同的混凝剂主要是三氯化铁(FeCl3)和聚合氯化铝(PAC)的混凝效果及其对应的最佳投加量,同时考察助凝剂NaSiO3与FeCl3的最佳配比,从而选择出较优的强化混凝工艺处理该水质期滦河原水。

1.4 检测项目及其分析方法

浊度采用HACH2100N浊度仪测定;耗氧量(高锰酸盐指数CODMn)采用酸性高锰酸钾法测定;藻类采用血细胞计数板显微镜镜检计数法测定;中试滤池水头损失通过测压管读数读取。

2 结果与分析

2.1 混凝剂的选择及最佳投加量

针对天津市这一时期的水质主要考察在保证滤池出水浊度不大于0.3 NT U,CODMn≤3.0 mg/L情况下,混凝剂三氯化铁(FeCl3)和聚合氯化铝(PAC)在常规处理工艺中的混凝效果及其对应的最佳投加量,以及对过滤周期的影响,结果见表2。

表2 不同混凝剂对出水水质的影响

所谓混凝剂最佳投药量是指混凝的悬浮物(在一定时间间隔后)分离为沉渣或者浮渣时,水中的剩余浊度达到最低所需要的最小混凝剂的量[3]。但是值得指出的是最佳投加量并不是一成不变的,要根据水质情况和各个工艺出水水质要求来确定。一般为一个范围值。如表2所示,在沉淀系统中FeCl3的最佳投量为6 mg/L～10 mg/L,PAC最佳投量相应少一些,在气浮系统中也是如此。同时可以看出,不论是在沉淀系统还是气浮系统中混凝剂PAC对出水水质的保障率均高于混凝剂FeCl3,然而,PAC药剂费用远高于混凝剂FeCl3的药剂费用。根据石明岩等人研究表明[4],在原水水质基本不变的情况下,混凝剂费在生产运行成本中占有的比例最大。从水厂生产成本来说,采用FeCl3作为混凝剂较为经济。

同时试验研究发现,在过滤初期不同混凝剂对滤池水头损失增长速度影响不大,但随着过滤时间的增加,使用PAC混凝剂时,总水头损失增长速度不断加快,增长速度明显较使用FeCl3混凝剂时要快,过滤周期也明显减短。这是因为混凝剂PAC属于高分子聚合物,其水解时形成的胶体状Al(OH)3产物轻而蓬松,加之这一水质期,水温、浊度较低,絮体不易形成,杂质颗粒难以沉降,过滤时又会聚积于滤料表层,堵塞滤料孔隙,从而增加水头损失,相反混凝剂FeCl3形成的絮体颗粒较为密实,易于沉淀。因此,在该水质期内,使用混凝剂FeCl3时,滤池过滤水头损失增长相对较慢,过滤周期较长,有利于减少生产运行成本。

2.2 NaSiO3与FeCl3不同配比混合液作用效果

根据生产实践,NaSiO3(泡花碱)常与混凝剂FeCl3按一定比例配制成混合液用于低温低浊原水的处理,因此本试验只是在混合液的配比上进行了一定程度的试验,试验中采用的混合液的配比包括:铁∶碱=5%∶7.5%=1∶1.5;铁∶碱=7.5%∶5%=1.5∶1;铁∶碱=5%∶5%=1∶1。在投药量(以Fe量计)相同的情况下,并且保持其他工艺参数不变,考察以上三种配比的混合液的作用效果。主要从对出水浊度和CODMn去除率的去除效果以及对滤柱水头损失的影响方面进行考察,当原水浊度在1.16 NTU～1.49 NTU,温度在0.8℃～1.4℃间变化时,混凝剂投量(以Fe量计)始终为3 mg/L,其他工艺参数亦不变。铁∶碱=1∶1.5的混合液作用效果要好于其他两种配比的混合液,其作用的气浮和沉淀工艺出水平均浊度均在0.3 NTU之下,CODMn去除率达到40%以上。使用三种不同配比的混合液后,滤池水头损失随时间基本都呈直线变化,这是符合滤池过滤中水头损失增长的一般性规律的。但相比铁∶碱=1.5∶1和铁∶碱=1∶1的混合液,用铁∶碱 =1∶1.5的混合液时,滤池的水头损失增长速度较快,过滤周期也缩短了1 h～4 h。然而相比混凝剂为PAC或FeCl3,使用铁∶碱=1∶1.5的混合液时,滤池水头损失增长速度明显减慢,滤池过滤周期延长。综上所述在滦河水低温低浊期,适当提高混合液中泡花碱的比例有利于提高常规工艺处理效率。

3 结语

1)研究结果表明,在滦河水低温低浊期,无论在常规沉淀工艺中还是常规气浮工艺中混凝剂PAC对浊度和CODMn的去除效果较优于混凝剂FeCl3。2)在满足出水浊度和CODMn要求的情况下,每处理单位水体PAC混凝药剂费用远高于FeCl3,且滤池过滤周期明显缩短,采用FeCl3作为混凝剂较为经济。3)当使用NaSiO3与FeCl3混合液作为混凝剂时,适当增大混合液中NaSiO3的比例有利于提高常规工艺处理效率。

[1] 孟凡良,崔福义.低温低浊地表水处理技术的探讨[J].哈尔滨商业大学学报,2003,19(2):187-190.

[2] Schofield T.Dissolved air flotation in drinking water production[J].Wat.Sci.Tech.,2001,43(8):9-18.

[3] 孙 彦.强化混凝气浮工艺处理低温低浊引黄水中试研究[D].天津:南开大学,2004.

[4] 石明岩,张朝升,张可方,等.常规给水处理系统运行技术的优化[J].水处理技术,2005,31(6):68-72.