變速沉淀對水中濁度和微顆粒的控制

任鵬飛 南 軍 鄭 凱

(哈爾濱工業大學市政環境工程學院，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

(哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090)

根據干擾沉降原理，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，試驗結果表明，變速沉淀可以有效降低水中濁度并控制微顆粒數量，具有廣闊的工程應用前景。

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。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[2,3]。戴捷等提出2 μm～3 μm的顆粒數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現，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，本文根據干擾沉降原理，設計一種新型的變速沉淀工藝，以實現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)。

本試驗采用連續流絮凝—沉淀反應器，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區為快攪混合池，速度梯度為548 s-1。絮凝單元B區、C區和D區為絮凝過程，攪拌速度依次降低，速度梯度分別為69 s-1,32 s-1,15 s-1。絮凝池的設計流量為2 L/min，設計停留時間為20 min。沉淀池的長×寬×高為450 mm×600 mm×350 mm，有效容積為80 L，設計停留時間為40 min。沉降池分為布水區E區，沉淀區F區和清水區G區。

變速沉淀(如圖2a)所示)設置在沉淀池F區中，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構如圖2b)所示。懸浮單元的側壁傾角為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。經過最寬處后，流速逐漸加快，到達出口時，流速恢復至v1，從而起到改變流速的效果。

本研究將變速沉淀和傳統斜板沉淀進行效能對比，斜板沉淀試驗中在反應器F區安裝垂直高度為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 ℃)對沉淀池內各區域的濁度和顆粒進行監測。

2 結果與討論

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(布水區)中的微顆粒分布。試驗數據表明，PAC投加量為1 mg/L～5 mg/L時，隨著PAC濃度的增加，布水區的微顆粒(2 μm～10 μm)數量先降低后增加，<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。由試驗數據可知，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%。根據圖3數據所示，3 mg/L投藥量下沉淀池布水區的顆粒數量低，在顆粒懸浮單元內的微顆粒數量相應較低，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的幾率也有所升高。因此，沉淀清水區中的微顆粒數量下降明顯。

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，連續流反應器運行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后顆粒懸浮單元內的濁度穩定在53 NTU～54 NTU之間，反應器運行至穩定階段。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30 min的濁度穩定在7.0 NTU～7.1 NTU之間。圖6b)中，顆粒懸浮單元的顆粒總數隨著反應器的運行而逐漸升高，當懸浮層達到穩定狀態時，顆粒總數約為8 500個/mL，說明顆粒懸浮單元內存在顆粒的累積過程。此時清水區的顆粒總數則逐漸減少，當顆粒懸浮單元內有顆粒的停留時，進入清水區的顆粒數量逐漸減少。同時，懸浮層中和清水區中<5 μm的微顆粒數量隨著顆粒懸浮單元內的顆粒累積而逐漸減少，說明當顆粒懸浮單元內有顆粒的累積時，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，反應器中顆粒懸浮單元內的顆粒總數由第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，顆粒的累積效果比較好。隨著懸浮單元內的顆粒累積，清水區的顆粒總數急劇降低，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。清水區中<5 μm的顆粒個數控制在了500個/mL以下，說明當穩定的懸浮層出現時，對微顆粒的吸附截留效果較為明顯。

3 結語

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，穩定態懸浮單元內濁度可達31 NTU，顆粒累積量超過8 000個/mL，懸浮層形成效果較好。

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[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：哈爾濱工業大學,2014.

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[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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