低溫低濁水的微絮凝直接過濾處理綜述

□劉道靜（商丘市水利局）

□劉 陽（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司）

低溫低濁水為水溫在4℃左右，濁度為20NTU上下的水。我國(guó)北方以江河水為水源的水廠，每年的10月至次年3、4月份有長(zhǎng)達(dá)5至6個(gè)月的冰封期，期間水源水質(zhì)存在水溫低、濁度低、有機(jī)污染加劇的問題。

1.低溫低濁水的特性

低溫低濁水中雜質(zhì)顆粒以膠體形式均勻分散于水中，其中帶負(fù)電膠體顆粒數(shù)量較少，并且其動(dòng)力穩(wěn)定性和凝聚穩(wěn)定性較強(qiáng)。這些特點(diǎn)決定了水體電中和所需混凝劑較少，因此形成的絮體存在細(xì)、少、輕，難于沉淀的特點(diǎn)。

低水溫時(shí)，由于膠體顆粒Zeta電位較高、膠體顆粒間排斥勢(shì)能較大、膠體溶劑化作用增強(qiáng)、水體粘度變大使沉速降低以及氣體溶解度大吸附在絮凝周圍使絮體密度降低等原因,造成膠體顆粒脫穩(wěn)困難，絮凝效果不佳。

低濁水中還存在溶解性天然有機(jī)物腐植酸、富里酸等，其濃度和特性決定了水中無極膠體顆粒的凝聚動(dòng)力學(xué)過程。因此絮凝時(shí)只有加大投藥量在混凝劑中和了溶液中顆粒表面的天然有機(jī)物點(diǎn)和后才表現(xiàn)出架橋作用，而加大投藥量又會(huì)產(chǎn)生鋁殘余濃度過高的問題。研究表明,攝鋁過多會(huì)引發(fā)老年癡癥，因而不能僅靠提高混凝劑投加量的方法來滿足低溫低濁水的處理要求。

近年來，采用微絮凝工藝處理低溫、低濁、有色水體已成為發(fā)達(dá)國(guó)家水廠主要工藝選擇。

2.微絮凝—直接過濾

微絮凝—直接過濾技術(shù)是省去沉淀過程，將混凝與過濾過程有機(jī)結(jié)合在一起在濾池內(nèi)同步完成的一種新型混凝過濾工藝技術(shù)。微絮凝是指在含有懸浮顆粒的渾濁水中加入絮凝劑使形成微小的聚集體的絮凝過程。直接過濾是指加入絮凝劑后，在濾前設(shè)置適當(dāng)?shù)男跄磻?yīng)池，將絮凝反應(yīng)一部分在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，另一部分移至濾池中進(jìn)行過濾的過程，以增大初級(jí)絮體顆粒粒徑達(dá)到減少濾池水頭損失的目的。

2.1 機(jī)理

直接過濾過程中膠體顆粒的去除最基本的決定因素是懸浮顆粒大小，由于待去除顆粒物尺寸遠(yuǎn)小于濾料孔隙尺寸，兩者之間的物理化學(xué)相互作用是顆粒物去除的主要影響因素。同時(shí)濾料孔隙中的水流剪切力、化學(xué)處理等都會(huì)影響到顆粒物的粘附與截留。研究表明過濾中的化學(xué)條件及顆粒物脫穩(wěn)與絮凝最佳條件一致，而且絮凝中有效的化學(xué)影響在過濾中也有效。直接過濾是當(dāng)絮凝體zeta電位達(dá)到最高值時(shí)進(jìn)入濾層的，zeta電位降低，顆粒間的吸力就開始發(fā)揮作用，當(dāng)zeta電位接近0時(shí)，吸引力達(dá)到最大值，脫穩(wěn)微粒相互吸附絮凝而不斷被濾料截留去除。

2.2 適合的源水類型

Culp報(bào)告中對(duì)直接過濾對(duì)源水濁度和色度適用性做出總結(jié)：第一種是濁度和色度均<25單位的水體；第二種是低濁度、色度≤100色度單位；第三種為低色度、濁度≤200NTU。而Wiesnereta1.14J得出直接過濾對(duì)源水顆粒濃度和大小的適用性：第一種為出水顆粒濃度<10mg/L，懸浮顆粒直徑<1μm；第二種為出水顆粒濃度2～15mg/L，懸浮顆粒直徑2～4μm。而在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)不同水源需要通過試驗(yàn)來確定最佳的處理藥劑和處理工藝。

2.3 絮凝劑的使用

20世紀(jì)80年代有研究報(bào)告指出，陽離子聚合物絮凝劑在絮凝時(shí)不形成氫氧化物絮狀沉淀就可以完成電中和，從而延長(zhǎng)過濾周期并使水頭損失增長(zhǎng)速度減慢。

欒兆坤、李桂平等研究表明，微絮凝—直接過濾工藝中聚合鐵比聚合鋁形成絮體更快、更密實(shí)、抗剪力更好，濾池運(yùn)行周期更長(zhǎng)，所需投藥量也較少。

除了用聚合鐵代替聚合鋁作為絮凝劑以外，節(jié)省絮凝劑的方法還有：采用微絮凝變孔隙深層過濾代替均孔隙系統(tǒng)，在達(dá)到相同效果的情況下，變孔隙系統(tǒng)PAC只需1-2mg/L，而均孔隙系統(tǒng)PAC需要6-9mg/L；選用新型聚鋁硅作絮凝劑，形成絮體快、過濾周期長(zhǎng)、投藥量少、出水水質(zhì)好,同時(shí)可降低濾床深度。經(jīng)統(tǒng)計(jì),微絮凝工藝一般可以比傳統(tǒng)工藝節(jié)約5%-10%的絮凝劑；在達(dá)到相同處理水平時(shí)，進(jìn)行二次微絮凝比不進(jìn)行二次微絮凝節(jié)省絮凝劑。

2.4 濾料

微絮凝直接過濾濾池濾料一般采用無煙煤、石英砂雙層濾料或者單層石英砂濾料，這有利于接觸絮凝作用。炭砂雙層濾料濾池相對(duì)于單層砂濾池出水濁度更穩(wěn)定，水頭損失增長(zhǎng)速度更慢，單位時(shí)間產(chǎn)水量更大。同時(shí)，研究表明炭砂雙層濾料濾池對(duì)CODMn、氨氮和亞硝酸鹽氮和腐殖質(zhì)等的去除效果更好。

3.幾種微絮凝工藝簡(jiǎn)介

3.1 微絮凝—超濾工藝

超濾是一種膜分離法，指在壓力作用下，利用特定膜的透過性能，實(shí)現(xiàn)分離水中膠體、分子或離子等的目的。超濾具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、去濁率高、能有效去除水中病原體生物的顯著優(yōu)點(diǎn)，并且超濾工藝還具有占地面積小、基建費(fèi)用低、建設(shè)周期短的特點(diǎn)。但是原水直接進(jìn)行超濾處理有機(jī)物去除率較低，而超濾膜受到有機(jī)物污染后直接影響超濾工藝的產(chǎn)水效率和運(yùn)行成本。針對(duì)此種情況可進(jìn)行微絮凝預(yù)處理，能夠有效去除水體中有機(jī)物，研究表明當(dāng)進(jìn)水CODMn為3.6～4.5mg/L時(shí)，出水CODMn<3.0mg/L，所以微絮凝是比較合適的預(yù)處理方法。

在基建和設(shè)備投資方面，微絮凝—超濾工藝與常規(guī)工藝相差不大，考慮到征地費(fèi)用的話微絮凝—超濾工藝相對(duì)常規(guī)處理工藝要節(jié)省一些，研究表明微絮凝—超濾工藝的運(yùn)行成本為0.233元/m3，(不含人工費(fèi)及取水泵房和送水泵房的能耗費(fèi)用)，而常規(guī)工藝只需要藥劑費(fèi)用和一些日常的維護(hù)費(fèi)用，約為0.05元/m3左右。相對(duì)來說，常規(guī)工藝的運(yùn)行費(fèi)用要便宜很多。

3.2 微絮凝變孔隙深層過濾技術(shù)

變孔隙過濾采用的濾床是一種比普通濾料粒徑更大的濾料和一種細(xì)濾料按一定比例混合而成，這兩種粒徑濾料所占的比例相差較大，其中細(xì)濾料所占比例約為3%～4%。這種濾床可使出水水質(zhì)得到改善，采用大粒徑濾料實(shí)現(xiàn)濾層整體過濾，小粒徑濾料保證出水水質(zhì)。

微絮凝變孔隙深層過濾技術(shù)與均孔隙濾料相比，可以顯著降低絮凝劑投藥量，在達(dá)到同樣處理效率情況下，變孔隙深層過濾可采用較大粒徑濾料，進(jìn)水負(fù)荷較高，產(chǎn)水量較大，過濾周期較長(zhǎng)。微絮凝變孔隙深層過濾能夠充分利用濾床進(jìn)行過濾，提高過濾效率。

4.微絮凝—直接過濾技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及前景

微絮凝—直接過濾工藝技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果顯著。該工藝處理流程簡(jiǎn)單，不需要建造沉淀池和絮凝反應(yīng)池從而占地面積小，基建費(fèi)用較低；由于直接過濾中絮體不需要生成很大，因此可以顯著降低絮凝劑投加量；該工藝還具有延長(zhǎng)過濾周期、提高產(chǎn)水量和出水水質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。

由于受截污量的限制，微絮凝—直接過濾對(duì)處理高濁度、高色度的水質(zhì)有一定的局限性；同時(shí)由于原水經(jīng)混凝后直接進(jìn)入濾池過濾，濾床停留時(shí)間短，熟化慢，因此對(duì)絮凝過程選擇合適的藥劑及投加量需要通過大量試驗(yàn)來優(yōu)化確定。

我國(guó)對(duì)直接過濾工藝的應(yīng)用研究大部分建立在傳統(tǒng)濾池結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，局限在常規(guī)濾料和較淺床身的研究上，相關(guān)實(shí)際應(yīng)用也較少。

微絮凝—直接過濾中顆粒的去除主要取決于顆粒的傳輸和粘附過程，因此可以進(jìn)一步研究微絮凝—直接過濾微觀理論，研究顆粒傳輸粘附的微觀過程。通過實(shí)際試驗(yàn)來優(yōu)化這些設(shè)計(jì)參數(shù)以及濾料粒徑和濾料濾層等也是進(jìn)一步研究的問題。

絮凝劑的選擇直接影響微絮凝—直接過濾工藝的實(shí)際運(yùn)行效果和運(yùn)行費(fèi)用，所以應(yīng)進(jìn)行新型高效絮凝劑在微絮凝—直接過濾工藝中的應(yīng)用研究。

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