引江水凈水廠夏季混凝工藝適用性運行研究

陳卓然, 張潤泉, 于東魁, 劉佳博, 張怡然

(1.天津泰達水業有限公司, 天津300457; 2.天津泰達津聯自來水有限公司, 天津300457)

混凝工藝是整個水處理過程中的一道核心工序,混凝沉淀過濾環節可有效去除水中顆粒物及有機物,大幅度降低水中的渾濁度和色度。 目前,水源水質情況趨于復雜,為適應水質變化,提升工藝抗沖擊性,混凝工藝階段一般通過增加藥劑投加量、調節水體pH、使用新型復合混凝劑、投加助凝劑等方式,在常規生產工藝基礎上增強混凝效果[1]。 混凝沉淀效果對后續過濾工藝影響很大,通過合理控制濾前、濾后水水質,使反應池和過濾池協同發揮最佳的運行性能,有利于保障出廠水的穩定和優良。

上向流炭吸附脈沖澄清池(UCR)工藝的主要特點是在脈沖澄清池系統中結合活性炭吸附,集沉淀、澄清、吸附功能于一體,將固液分離和吸附有機物緊密結合,同時去除濁度和有機物[2]。 UCR 工藝先進,自動化程度較高,但泥層存在礬花上浮問題,且受流量變化影響大。 機械攪拌池連接斜管沉淀池工藝的前端連接預處理工段,配置完善的加藥系統,可適當投加混凝劑及助凝劑,經兩級機械攪拌強化混凝效果,混凝出水經過隔板絮凝池,經斜管沉淀池沉淀后連接Ⅴ型濾池進行過濾。 機械攪拌池連接斜管沉淀池工藝采用兩級機械攪拌,可有效保障藥劑能快速、均勻地擴散,且能保證一定的停留時間,對水質水量變化適應性強;斜管沉淀池能有效減小水力半徑,縮短顆粒沉淀距離,加快沉淀并提高了整理沉淀效率,整體工藝運行較為穩定,操作簡便,出水水質良好。 本文以夏季長江水為試驗原水,采用上向流炭吸附脈沖澄清池(UCR)工藝及機械攪拌池連接斜管沉淀池工藝,開展工藝適用性小試、中試試驗,探討2 種不同混凝工藝的水處理效果。

1 材料與方法

1.1 原水水質

試驗原水為引江水,試驗期間主要水質指標如下:溫度為26.1℃～28.5℃,pH 為7.83～8.28,濁度為1.31 NTU ～ 7.84 NTU,CODMn為1.9 mg/L ～2.6 mg/L。

1.2 試驗方法

1.2.1 小試試驗

小試試驗采用六聯攪拌機,選擇聚氯化鋁(PAC)及三氯化鐵為混凝藥劑,試驗用水為實際生產中的預氧化出水。 混凝攪拌參數:調試階段攪拌速度40 r/min,攪拌時間1 min;投藥過程攪拌速度40 r/min,攪拌時間3 min;快速混合階段攪拌速度150 r/min,攪拌時間2 min;慢速絮凝階段攪拌速度40 r/min,攪拌時間15 min。 混凝結束后靜置沉淀20 min。 通過小試試驗,主要探究鐵鹽、鋁鹽混凝劑混凝特點。

1.2.2 中試試驗

中試試驗的預處理工藝均為預臭氧,臭氧劑量為1.0 mg/L,投加等量混凝劑,探究兩種不同強化混凝工藝的處理效果。 運行工藝分別為A 工藝:原水→預臭氧→三氯化鐵+PAC 混凝→脈沖澄清池→砂濾池;B 工藝:原水→預臭氧→三氯化鐵+PAC 混凝→斜管沉淀池→砂濾池。 中試試驗地點為天津某凈水廠中試車間,試驗設備的規模為Q=3 m3/h,工藝流程見圖1。 該設備可模擬凈水廠實際運行工藝流程,上向流炭吸附脈沖澄清工藝(UCR)與機械攪拌反應池組合斜管沉淀池工藝為并聯關系,前、后所設工藝流程為共用流程。

圖1 中試試驗工藝流程

2 結果與討論

2.1 鐵鹽、鋁鹽混凝劑混凝特點

鐵鹽、鋁鹽混凝劑在使用中有不同特點,PAC是目前應用最為廣泛的混凝劑之一,但大量投加PAC 可能使濾后水殘余鋁離子增加,帶來飲用水安全問題[3]。 三氯化鐵使用過程無二次污染,但會影響出廠水色度,并帶來腐蝕管道風險。 小試試驗分別單獨投加三氯化鐵和PAC 藥劑,投加量從低到高均為1 mg/L～10 mg/L,沉淀20 min 后取樣檢測出水濁度、UV254,同時觀察混凝過程中絮體變化情況,混凝效果對比見表1。

表1 三氯化鐵和PAC 混凝效果對比

通過觀察和檢測,三氯化鐵投加量較小時,礬花形成速度慢且細小,投加量小于6 mg/L 時,濁度去除率僅為30%～40%,隨著投加量增加,混凝效果增強,形成絮體體積大且相對穩定,投加量為10 mg/L時,濁度去除率可達到70%,隨著投加量增加,濁度去除效果良好,但色度升高,使水體感官性狀變差。PAC 投加量較小時,形成的礬花體積小且輕,上浮現象明顯,隨著投加量增加,絮體逐漸密集,沉降效果加強,投加量10 mg/L 時,濁度去除率可達到80%～90%。 在長江水低濁度條件下,PAC 投加量小于6 mg/L 時,絮體細碎上浮,不易形成緊密礬花,影響出水濁度;三氯化鐵作為混凝劑的礬花形成速度慢,投加量較小時除濁效果不佳,無法達到預期效果,投加量增加后,混凝效果提升。 總體而言,鋁劑濁度效果更強,在后續中試試驗中選擇鐵、鋁復配投加形式,整體投加量大于10 mg/L。

2.2 中試試驗的不同混凝工藝對濁度去除效果

斜管沉淀工藝出水與脈沖澄清池出水濁度對比見圖2。 試驗期間原水濁度1.31 NTU～7.84 NTU,預處理工藝為預臭氧,配比不同混凝劑投量,運行穩定后檢測沉淀池出水。 結果表明,同一投藥量條件下,兩種工藝對于原水濁度的去除效果相對接近,總投藥量10 mg/L～15 mg/L 時,兩種工藝混凝出水濁度在0.4～0.5 NTU,仍相對偏高,繼續提高混凝劑投量,沉淀池出水濁度有所降低。 斜管沉淀工藝在總投藥量達25 mg/L 后,繼續增加投藥量,濁度繼續降低趨勢不明顯,整體除濁率基本飽和。 脈沖澄清工藝持續加大藥量,可繼續降低出水濁度,在總投藥量40 mg/L 時,濁度降至0.2 NTU 以下,比相同加藥條件下的斜管沉淀工藝,濁度去除率進一步提升40%,可見在大藥量運行條件下,脈沖澄清工藝的除濁效果優于斜管沉淀工藝。 但實際運行中考慮后續仍有過濾工藝,為有效發揮濾池功效,控制濾前處理效果較好即可,一定程度上可以減少藥劑投加量。

圖2 不同混凝工藝濁度去除效果

此外,原水濁度情況對混凝效果也有一定影響,試驗中發現在原水濁度同為2 NTU 左右時,復配投加15 mg/L PAC 及10 mg/L FeCl3藥劑,斜管沉淀池出水除濁率為82.02%,脈沖澄清池出水除濁率為77.59%,減少混凝劑投量,脈沖澄清池出水除濁率進一步下降至70%左右,但斜管沉淀池出水仍可保持80%左右的除濁率。 可以看出,斜管沉淀池對于超低濁度原水的適應性更好,可有效處理的原水濁度范圍更廣,脈沖澄清池在原水低濁度情況下,混凝所形成的礬花體積減小,沉降性變差,造成整體UCR 工藝泥層穩定性下降,在水流脈沖過程中可能造成絮體上浮,造成除濁效果下降,而提升藥量運行,會使UCR 泥層穩定性提升,保障出水穩定,但造成藥劑投加量增加,藥耗升高。

2.3 不同混凝工藝對CODMn 去除效果對比分析

斜管沉淀工藝出水與脈沖澄清池出水CODMn對比圖見圖3。 結果表明,當原水CODMn范圍為2.0 mg/L～2.4 mg/L 時,增加混凝劑投量,可以有效降低原水CODMn,總投藥量25 mg/L 時,斜管沉淀工藝CODMn去除率達到50%左右,脈沖澄清工藝CODMn去除率達到60%左右,繼續增加藥劑投量,降低效果不明顯,混凝工藝對于有機物的去除效率基本飽和。 復配投加20 mg/L PAC 及20 mg/L FeCl3 藥劑,脈沖澄清工藝與斜管沉淀工藝CODMn去除率達到最高,分別為66.33%和55.22%。 從圖3 可以看出,在混凝劑不同投藥配比下,脈沖澄清工藝的有機物去除效果均明顯優于斜管沉淀工藝,主要是由于UCR 特殊的泥層工藝,通過水流的脈沖作用,加強了對于有機物的吸附效果,強化了原水中CODMn的去除效果。 在應對原水有機物指標偏高情況時,脈沖澄清工藝適用性更強,同時若出現原水有機物突發升高問題,可及時利用活性炭吸附作用進行應急處理。

圖3 不同混凝工藝CODMn 去除效果

2.4 混凝過程對出水鋁的影響

不同混凝劑投藥方式對殘余鋁的影響見圖4。隨著PAC 藥劑投加量的增加,混凝效果有所加強,但濾前水鋁有所上升,復配投加15 mg/L PAC 及10 mg/L FeCl3藥劑時,出水殘余鋁達到最高為0.114 mg/L,繼續增加投藥量,殘余鋁下降至0.082 mg/L。 可見PAC 藥劑小劑量投加時,濾前水鋁升高趨勢受到藥劑中鋁元素的總引入量限制,不會有大幅升高。 復配投加15 mg/L PAC 時,混凝效果增強,濾前水濁度降低至0.3 NTU 以下,但考慮在增加藥劑投量的同時,導致了較多的含鋁膠體形成,混凝劑的有效利用率降低,沉淀過程中有鋁離子析出,使殘余鋁增加。 增加PAC 藥劑投量至20 mg/L時,出水濁度進一步下降,伴隨出水殘余鋁也有所下降,考慮為此刻混凝形成的礬花更為緊實,鋁會伴隨顆粒態物質去除而有效降低。 在后續過濾工藝中,主要去除的是顆粒鋁,合理控制水體pH 值,減少水中的溶解鋁析出,可有效在過濾工段進一步降低出水殘余鋁。

圖4 混凝效果對殘余鋁的影響

處理低濁度引江原水時,過低的混凝劑投量不能有效降低原水濁度,反而會由于礬花沉淀效果的影響使濁度上升,過量投加混凝劑可以達到良好的濁度去除率,但不符合節能經濟運行要求,在達到穩定的出水濁度及有效控制出廠水殘余鋁超標風險上需要綜合考慮,在混凝處理中找到一個最佳的平衡狀態。

2.5 混凝工藝對后續工藝段的影響分析

通過整體分析,斜管沉淀工藝與脈沖澄清工藝均可達到優于常規處理工藝的水處理效果,在保證濁度去除率較高的基礎上,進一步提升對水中有機物的去除。 同時,將濾前水有效控制在0.5 NTU 左右時,濾池過濾性能最好,使用壽命和水電消耗最優[4]。 脈沖澄清工藝與斜管沉淀工藝相比,除濁效果接近,去除CODMn效果略優,兩種不同工藝應對引江水均可以達到良好的混凝沉淀出水效果,可為后一步過濾工藝減輕運行負荷。 控制混凝沉淀出水濁度0.5 NTU 以下,可有效控制沉后水殘余鋁0.15 mg/L 以下,后續通過過濾工藝,可繼續降低20%～30%,保證出廠水殘余鋁符合國家標準要求。

3 結語

① 不同混凝劑使用效果不同,在凈水廠實際生產過程中,應根據原水水質特點,選擇合適的混凝劑及投加方式,運行有效的水處理工藝。

② 脈沖澄清工藝與斜管沉淀工藝對濁度2 NTU～5 NTU、CODMn小于3 mg/L 的引江水有較好的處理效果,兩種工藝沉淀后出水濁度接近,脈沖澄清工藝去除有機物效果更佳。 在原水有機物指標較高時,增加脈沖澄清工藝運行負荷,當原水濁度偏低時,考慮斜管沉淀工藝保證對出水濁度的降低,合理對工藝進行組合優化,可達到最佳的處理效果,探索更為適用的運行參數。

③ 出水殘余鋁受到PAC 投加量、原水水質情況、混凝處理效果的共同影響。 在實際生產中合理復配PAC 及FeCl3藥劑,保證混凝效果,有效控制沉后水濁度可有效降低出水殘余鋁超標風險。