不同水处理工艺的混凝效果比较

蒋海燕，王彦文，杜彦鹏，徐 慧

(1.宁夏宁东水务有限责任公司，宁夏银川 640100;2.中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室，北京100085)

宁夏宁东水厂位于宁夏宁东能源化工基地，水源取自黄河，原水经过常规的混凝、沉淀、过滤、消毒等工艺后输送到基地各用户［1］。夏季水厂面临大水量供水的要求，为了解决大水量供水时水处理效果差、“跑矾花”现象严重等问题，宁东水厂在实际运行中采用了三种工艺:常规混凝沉淀工艺、微涡旋工艺、反冲洗水回流工艺。本文主要对试验周期(20 d)的运行结果进行了对比，以期找到更好的解决优化混凝效果的方法。

微涡旋工艺能有效地促进水中微粒的扩散和碰撞［2-4］，微涡旋有利于絮凝反应的发生。其优点主要包括:混凝效率高，反应时间可以缩短5～10 min，产水量比传统工艺提高1～2倍;出水质量优，在相同混凝剂投加量下微涡旋工艺产生的絮体质量明显优于传统工艺，因而具有很好的沉降性能;水质、水量变化适应能力强;实施简便，在使用老工艺的水厂升级改造过程中，只需要拆除反应池内原有设施并适当分隔和安装微涡旋反应器即可。反冲洗［5］水由于其自身含有很高的铝、铁类金属氢氧化物以及悬浮胶体颗粒浓度，所以反冲洗水对处理低温低浊水起到良好的作用。柯水州等［6］研究了反冲洗水与原水一并处理时，反冲洗水的加入强化了混凝沉淀的效果，并可有效地减小混凝剂的投加量，降低沉淀池出水浊度等。

本文采用颗粒计数仪、絮体沉降柱、分形维数以及沉淀池出水浊度对三种工艺运行情况进行了对比研究，对解决我国西北地区水厂夏季大水量运行时出水水质变差的问题具有重要的指导意义。

1 试验仪器与方法

1.1 试验仪器

pH计;浊度仪(HACH 2100AN TURBIDIMETER);絮体沉降柱;颗粒计数仪(IBR Versa Count);显微镜(BMM-430)。

1.2 试验方法

颗粒计数仪:在采用浊度对出厂水进行表征的同时，采用颗粒计数法进行更直观和科学的判断水的纯净度［7，8］。

试验过程中用取样桶取样，把水样缓慢倒入烧杯中，利用激光器作为光源，通过内置泵的抽吸把烧杯中的水循环抽入仪器中，经过设计的高灵敏度光电探测器件逐个测量被测颗粒的散光度，从而获得微米级颗粒物的数目与相关参数。

絮体沉降体积与上覆水浊度测定方法:采样桶在各段沉淀池中取水，缓慢倒入絮体沉降柱内，每隔30 min测定沉降柱内絮体沉降体积和上覆水浊度。

分形维数测定方法:利用一次性塑料胶头滴管将水样滴于载玻片上，利用与显微镜相连接的计算机的图像分析软件，寻找和测定絮体的直径和面积，获得絮体的投影面积S和最大长度L的参数。利用两者的函数关系(ln s=D2ln L+A)，在双对数坐标轴上求得直线的斜率，此直线的斜率就是絮体的二维分形维数D2［9］。

1.3 水源水性质

表1为水源水的性质。

表1 水源水性质Tab.1 Quality of Experimental Water

1.4 混凝剂的表征

根据混凝剂与Ferron反应的动力学差异可将铝形态分为3种:短时间内立刻反应的是Ala;在较长时间内反应的是Alb;不反应的是Alc。

样品铝形态分析方法:移取5.5 mL比色液置于25 mL比色管中，加入纯水至刻度，用微量注射器将40 μL样品注入比色液中，混合后迅速移入1 cm比色皿中，在366 nm处测定样品吸光度，记录自加样后1和120 min时的吸光度值。1 min内反应的是Ala，1 ～ 120 min 内反应的是 Alb，其余的是 Alc［10］。分析结果如表2所示。

表2 混凝剂铝形态分析Tab.2 Analysis of Aluminum Forms

1.5 运行工艺与水力学条件

图1为运行工艺与改造示意图。

图1 运行工艺与改造示意图Fig.1 Layout of Treatment Process

由图1可知水厂的水源水经过三段絮凝池处理，然后在沉淀池进行沉淀后进入滤池。絮凝池按照水力扰动分为第一、第二、第三段絮凝池，在絮凝区与沉淀池之间设置了过渡区，主要作用在于:从絮凝池向沉淀区均匀布水;降低雷若数，使絮凝区所要求的紊流过渡到沉淀区所要求的层流，同时降低末端流速。具体数值如表3所示。

表3 水力停留时间和各段GT值Tab.3 GT and Hydraulic Retention Time

2 试验结果与讨论

2.1 出水浊度

由图2可知在试验周期的20 d运行时间中，滤池反冲洗水回流絮凝池具有最低的出水浊度，经过微涡旋改造之后出水浊度得到较好的改善。由于水中杂质颗粒数量较少，颗粒间发生碰撞的机会少，混凝效果不好。虽然可以通过提高搅拌强度来增加颗粒间碰撞的几率，但这会产生很高的水流剪切强度，使形成的颗粒破碎。反冲洗水回流增加了原水浊度，促进了颗粒之间的碰撞概率。在原水中加入少量的药剂后，在搅拌叶片的作用下，进行充分混合、反应，生成的颗粒被紧密地吸附在颗粒物表面上，形成较大的絮凝体，达到除浊净化的效果。

图2 试验周期内各工艺出水浊度Fig.2 Turbidity of Effluent in Experiment Period

2.2 3种工艺过渡区絮体沉降性

根据1.2中方法测定过渡区中絮体的沉降性能，结果如图3所示。

图3 3种工艺絮体的沉降体积和上覆水浊度对比Fig.3 Settling Volume and Turbidity of Overlying Water

由图3可知微涡旋改造絮凝池絮体沉降体积增长速率远高于折板絮凝池的沉降体积增长率，同时滤池反冲洗回流絮凝池中絮体的沉降性能最高，说明增加颗粒物浓度，改善原水的性质是改善混凝效果的有效方法。

2.3 3种工艺各段的颗粒总数

图4为3种工艺颗粒总数。

由图4可知微涡旋改造和反冲洗水回流均会减小絮凝池中颗粒数目，说明在絮凝段絮体可以更好地形成，形成的絮体的沉降性能得到明显提高。相对于常规絮凝池，微涡旋絮凝池和滤池反冲洗回流絮凝池各段颗粒数分别减少6.12%、10.85%、16.16%、23.85%、29.26% 和 5.8%、17.11%、28.35%、37.56%、45.61%。分析原因是微涡旋改造增加了絮体碰撞几率，水中生长的小絮体在较高的碰撞几率作用下，发生了聚集作用，絮体的形状变大，使得颗粒总数目总体减少。对于微涡旋而言，在前期形成的大颗粒数目比折板絮凝池多，之后易于发生较大的絮体吸附微絮体的现象，这就保持了微涡旋中的颗粒总数与折板絮凝池相比明显较少。

图4 3种工艺颗粒总数Fig.4 Amount of Particles in Each Section

2.4 3种工艺的分形维数

图5为3种工艺的分形维数。

图5 各工艺絮体分形维数Fig.5 Fractal Dimension in Different Coagulation Process

分形维数利用絮凝体的投影面积和特征长度的函数关系计算。由图5可知微涡旋改造絮凝池和滤池反冲洗水回流絮凝池絮体分形维数大于折板絮凝池。这说明微涡旋絮凝池和滤池反冲洗水回流絮凝池易于形成较密实的絮体。絮体分形维数的提高使得絮体的沉降性能得到提升，这也从絮体的沉降体积与上清液的浊度的关系得到进一步证明。上述结果表明微涡旋技术和反冲洗水回流技术在解决大水量运行，提高产水量方面能够发挥重要作用。

3 结论

(1)微涡旋改造有利于提高浊度去除率，反冲洗水回流增加原水浊度和水中颗粒物浓度是提高浊度去除率的有效方式。

(2)微涡旋改造和反冲洗水回流有助于提高絮体的沉降性能，在实际应用中可以减少“跑矾”现象的发生，显著提高水厂的出水水质。

(3)在水质标准日益严格的现在，利用颗粒计数仪对出水水质情况进行表征是一个有效的方法。

(4)微涡旋改造和反冲洗水回流可以明显提高絮体的分形维数，对于改善絮体的沉降性能具有重要的影响。

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