原水高溫高藻期強(qiáng)化集成工藝優(yōu)化運(yùn)行對比研究

張怡然， 張劍鋒， 趙 宇

(1. 天津泰達(dá)水業(yè)有限公司，天津300457；2.天津泰達(dá)津聯(lián)自來水有限公司，天津300457)

天津市飲用水原水可分為高溫高藻、低溫低濁和常溫常濁3個水質(zhì)期[1]。高溫高藻期原水中的藻類數(shù)量劇增，有機(jī)物濃度增大，處理難度大大增加[2-3]。目前，常規(guī)水處理工藝已不能滿足日益嚴(yán)格的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，增加預(yù)氧化工藝和強(qiáng)化混凝等是保證出廠水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的有效手段。

預(yù)氧化工藝是指在常規(guī)給水處理工藝前端投加氯等化學(xué)氧化劑，氧化分解原水中的部分有機(jī)物，強(qiáng)化常規(guī)處理效果[4-6]。給水處理的混凝過程主要涉及電中和、吸附架橋和網(wǎng)捕作用，這3種作用很難同時達(dá)到優(yōu)化狀態(tài)[7]。因此，通過混凝劑和助凝劑的復(fù)配投加來增強(qiáng)混凝效果，能夠?qū)岫鹊娜コ休^大幫助。另外，混凝一般只能去除大分子量的有機(jī)物，而對小分子量有機(jī)物去除效果不佳。對分子量在500～3000 Da 的有機(jī)物，粉末活性炭有比較明顯的吸附效果，與混凝組合強(qiáng)化處理能充分利用兩者的互補(bǔ)性，在理論上是可行的。

筆者以高溫高藻期原水為處理對象，在天津某水廠進(jìn)行中試，比較脈沖澄清池系列的強(qiáng)化集成工藝與常規(guī)工藝的處理效果，以及斜管沉淀池系列強(qiáng)化集成工藝與脈沖澄清池系列強(qiáng)化集成工藝處理效果的差別，以期為北方地區(qū)水廠處理高溫高藻水提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原水水質(zhì)

試驗(yàn)期間所采用的原水屬于高溫高藻期，其具體水質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)原水水質(zhì)Tab.1 Quality of raw water

1.2 中試處理工藝及取樣點(diǎn)

中試水廠的設(shè)計(jì)規(guī)模為3 m3/h ，其工藝流程如圖1所示。

圖1 中試水廠工藝流程Tab.1 Process flow of pilot test waterworks

中試前首先結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行混凝小試，確定三氯化鐵(FeCl3)、聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)等藥劑的投加量，對比研究各中試工藝的處理效果。

工藝a：原水—FeCl3+PAC混凝—脈沖澄清—過濾。

工藝b：原水—預(yù)加氯—FeCl3+PAC混凝—PAM助凝—脈沖澄清—過濾。

工藝c：原水—預(yù)加氯—粉末活性炭強(qiáng)化—FeCl3+PAC混凝—脈沖澄清—過濾。

工藝d：原水—預(yù)加氯—粉末活性炭強(qiáng)化—FeCl3+PAC混凝—PAM助凝—脈沖澄清—過濾。

工藝e：原水—預(yù)加氯—粉末活性炭強(qiáng)化—FeCl3+PAC混凝—PAM助凝—斜管沉淀—過濾。

各工藝條件下的藥劑投加量見表2。

表2 藥劑投加量Tab.2 Dosages of chemical mg·L-1

每種工藝運(yùn)行穩(wěn)定后，取試驗(yàn)原水、濾前(脈沖澄清池或斜管沉淀池)出水及濾后出水檢測其pH、色度、濁度、CODMn等水質(zhì)指標(biāo)，取樣頻次為每天2～3次。

1.3 分析項(xiàng)目與方法

濁度：HACH 2100N 濁度儀；pH：Mettler Toledo 320 型 pH 計(jì)；色度：鉑-鈷標(biāo)準(zhǔn)比色法(GB/T 5750.4—2006)；CODMn：酸性高錳酸鉀滴定法(GB/T 5750.7—2006)。

2 結(jié)果與討論

2.1 脈沖澄清池系列各工藝的處理效果

采用工藝a～d進(jìn)行脈沖澄清池系列中試，測定原水、各工藝濾前(澄清池)出水和濾后出水的濁度和CODMn，結(jié)果見圖2和圖3。

由圖2.b和圖3.b可見，原水經(jīng)過預(yù)加氯處理，并加入0.05 mg/L PAM陰離子作為助凝劑(工藝b)后，濾前出水和濾后出水的濁度比脈沖常規(guī)工藝有小幅度降低，平均去除率分別為92.4%和96.1%。但CODMn的去除效果有了顯著提高，濾前出水和濾后出水的去除率分別為46.8%和51.7%。這說明，預(yù)加氯和投加PAM助凝劑相結(jié)合能有效提高對CODMn的去除效果。也有研究發(fā)現(xiàn)，先投入的混凝劑與進(jìn)水充分混合后，水中膠體顆粒表面會迅速發(fā)生電中和/吸附作用，形成脫穩(wěn)膠粒。此時再投加高分子助凝劑PAM，經(jīng)低速攪拌混合，PAM分子鏈上暴露的活性基團(tuán)酰胺基充分與脫穩(wěn)的膠粒表面間的氫鍵結(jié)合，或通過靜電引力、離子鍵及配位鍵結(jié)合，通過“架橋”方式將多個膠體顆粒隨意地束縛在聚合物分子的活性鏈節(jié)、尾端活性基團(tuán)上，從而形成橋聯(lián)狀的粗大絮體顆粒[10]。試驗(yàn)表明，PAM對于該高溫高藻期原水有較為明顯的助凝作用，能夠優(yōu)化混凝劑的電中和、吸附架橋、網(wǎng)捕作用，形成大而密實(shí)的絮凝體且絮體沉淀速度快，明顯提高固液分離效率。

由圖2.c和圖3.c可知，當(dāng)原水經(jīng)過預(yù)加氯處理，并在混凝前加入粉末活性炭強(qiáng)化(工藝c)，對濁度和CODMn的去除效果也好于脈沖常規(guī)工藝。當(dāng)粉末活性炭投加量為20 mg/L時，濾前出水和濾后出水的濁度平均去除率分別為94.5%和96.7%；CODMn去除率分別高達(dá)61.8%和66.7%。當(dāng)粉末活性炭投加量降低到10 mg/L時，濾前出水和濾后出水的濁度平均去除率也可達(dá)到91.8%和95.6%；CODMn去除率為54.3%和55.3%，比脈沖常規(guī)工藝分別提高了約33和26個百分點(diǎn)(見表3)。其他研究表明，預(yù)氯化能夠?qū)⒃胁糠执蠓肿佑袡C(jī)物氧化為小分子有機(jī)物，而粉末活性炭對于小分子有機(jī)物有較好的去除效果，筆者所開展的試驗(yàn)結(jié)果也證明了預(yù)氧化和粉末活性炭相結(jié)合強(qiáng)化混凝的可行性。根據(jù)工藝c的試驗(yàn)結(jié)果并考慮經(jīng)濟(jì)性，工藝d選擇10 mg/L的粉末活性炭投加量進(jìn)行試驗(yàn)。

由圖2.d和3.d可知，當(dāng)同時進(jìn)行預(yù)加氯并投加PAM和粉末活性炭進(jìn)行強(qiáng)化混凝時，濾前出水和濾后出水的濁度平均去除率達(dá)到了92.9%和96.7%，比脈沖常規(guī)工藝均略有提高；CODMn去除率達(dá)到55.7%和58.3%。

表3 各工藝對濁度和CODMn的去除率Tab.3 Removal rate of turbidity and CODMn by each process

2.2 斜管沉淀池強(qiáng)化集成工藝的處理效果

采用工藝e進(jìn)行斜管沉淀池系列集成強(qiáng)化工藝中試，測定原水、濾前(沉淀池)出水和濾后出水的濁度和CODMn。由圖4、圖5可知，原水經(jīng)斜管沉淀池系列強(qiáng)化集成工藝處理后，濾前出水和濾后出水的濁度平均去除率分別達(dá)到了90.6%和97.4%，與相同條件下的脈沖澄清池系列強(qiáng)化集成工藝幾乎相同(圖2.d)；CODMn去除率分別為47.9%和57.1%，比脈沖澄清池系列強(qiáng)化集成工藝僅略有降低。這表明，在合理確定藥劑投加量后，傳統(tǒng)的斜管沉淀池工藝也能對濁度和CODMn取得較為理想的去除效果。

3 結(jié)論

① 脈沖常規(guī)工藝對高溫期原水濁度的去除效果較為明顯，但是并不能有效去除原水中的CODMn，濾前(澄清池)出水和濾后出水對濁度的去除率分別為82.6%和92.4%，CODMn去除率分別為21.6%和29.4%。

② 當(dāng)進(jìn)行預(yù)加氯、投加PAM及粉末活性炭助凝后，脈沖沉清池強(qiáng)化集成工藝對原水CODMn的去除效果有了顯著提高，對濾前、濾后CODMn總?cè)コ史謩e提高至55.67%和52.85%。

圖4 斜管沉淀池系列強(qiáng)化集成工藝各單元出水濁度Fig.4 The effluent turbidity from each unit of enhanced integrated processes of inclined tube sedimentation tank

圖5 斜管沉淀池系列強(qiáng)化集成工藝各單元出水CODMnFig.5 The effluent CODMn from each unit of enhanced integrated processes of inclined tube sedimentation tank

③ 在合理確定藥劑投加量后，傳統(tǒng)的斜管沉淀池工藝也能對原水的濁度和CODMn取得較為理想的去除效果，濾前出水和濾后出水CODMn去除率為47.9%和57.1%，比脈沖澄清池系列強(qiáng)化集成工藝僅有輕微下降。