強化混凝技術(shù)處理二沉池出水的正交試驗研究

俞嵐，呂尤，李曉倩

1.江蘇省(宜興)環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，江蘇 宜興 214200

2.無錫市政設(shè)計研究院有限公司，江蘇 無錫 214072

3.環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學研究院，北京 100012

強化混凝技術(shù)處理二沉池出水的正交試驗研究

俞嵐1，呂尤2，李曉倩3*

1.江蘇省(宜興)環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，江蘇 宜興 214200

2.無錫市政設(shè)計研究院有限公司，江蘇 無錫 214072

3.環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學研究院，北京 100012

某城市污水處理廠二沉池出水擬采用強化混凝技術(shù)進行深度處理后用作鄰近發(fā)電廠的冷卻用水。為了指導(dǎo)生產(chǎn)運行，采用正交試驗對強化混凝技術(shù)的主要影響因素進行了研究。結(jié)果表明：影響因素的主次順序為助凝劑投加量>攪拌轉(zhuǎn)速>接觸污泥濃度>絮凝階段pH。強化混凝技術(shù)處理該二沉池出水的最佳運行工況：PAM濃度為0.3 mgL，接觸污泥濃度為2.5 gL，攪拌轉(zhuǎn)速為80 rmin，pH為6.0。在最佳運行工況下，濁度由10.0 NTU降至0.5 NTU以下，TP濃度由1.5 mgL左右降至1.0 mgL以下，最低可達0.2 mgL，優(yōu)于GBT 19923—2005《城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》的相關(guān)要求。

強化混凝；正交試驗；二沉池出水；濁度

針對我國水資源短缺的現(xiàn)狀，全國各地采取了多種解決措施：包括優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備，大力提倡節(jié)約用水；遠距離跨區(qū)域調(diào)水；將城市污水資源化等[1]。其中，城市污水廠出水由于污染物含量低、水量大，并且水質(zhì)水量穩(wěn)定，對其進行深度處理后可滿足某些特定用戶的要求，具有經(jīng)濟可行性高，推廣前景好等特點。

常用的污水深度處理技術(shù)有強化混凝、膜生物反應(yīng)器、曝氣生物濾池和生物接觸氧化法等[2]，其中強化混凝技術(shù)發(fā)展成熟、運行管理費用低，在深度處理中具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，工業(yè)用水占城市供水總量的50%～80%，而工業(yè)用水中工業(yè)冷卻水所占比例更高，如電力工業(yè)的冷卻水占電廠總水量的85%以上[3]。因此，對二沉池出水進行深度處理，使其達到工業(yè)冷卻水用水標準，將有效節(jié)約水資源。在給水處理中，強化混凝技術(shù)已應(yīng)用多年，運行參數(shù)較為完備，但將該技術(shù)應(yīng)用于污水的深度處理，由于處理對象的不同，不能進行簡單的套用。故筆者以某城市污水廠二沉池出水為試驗用水，采用強化混凝技術(shù)對其進行深度處理，以期得到污水廠出水回用作工業(yè)冷卻水的最佳工況，為今后的生產(chǎn)運行提供依據(jù)。

混凝過程分為混合和絮凝2個階段，在2個階段中影響混凝效果的因素較多，包括混凝劑(助凝劑)的種類、投加量、投加點，各階段水力停留時間、速度梯度、pH、水溫，回流污泥濃度等[4-5]。相比于混合階段，絮凝階段對于混凝效果影響更大，故以絮凝階段為重點考察對象。此外，考慮城市污水廠二沉池出水的水溫和水質(zhì)較穩(wěn)定，因此選取的混凝效果影響因素為助凝劑投加量、接觸污泥濃度、絮凝階段pH和速度梯度(即絮凝階段攪拌器轉(zhuǎn)速，以下簡稱攪拌轉(zhuǎn)速)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗用水

試驗用水為某城市二級污水處理廠二沉池出水，水質(zhì)穩(wěn)定，具體試驗用水水質(zhì)如表1所示。

表1 試驗用水水質(zhì)

注：硬度和堿度均以CaCO3計。

1.1.2 試驗用泥

將混凝沉淀過程產(chǎn)生的污泥以適當比例回流至混凝階段，可以增加原水的顆粒物濃度，提高顆粒的碰撞機率，改善低濁水的混凝效果，從而起到強化混凝的作用。由于試驗產(chǎn)生的泥量較少，起不到應(yīng)有的作用，而城市污水廠二沉池回流污泥的污泥濃度適宜，故以之代替強化混凝試驗過程中所需的回流污泥。為了避免混淆，將強化混凝所需回流污泥稱為接觸污泥。

1.1.3 混凝劑

由于硫酸鋁作為混凝劑具有性價比高，使用過程中不易對設(shè)備造成腐蝕以及不增加水中色度等優(yōu)點，故選分析純硫酸鋁作為混凝劑。

1.1.4 試驗裝置及測試方法

試驗裝置為深圳中潤ZR4-6型混凝試驗攪拌機。濁度采用美國HACH 2100N型激光濁度儀測定；pH采用美國Thermo Scientific Orion 3 Star型便攜式pH計測定；總磷濃度采用鉬酸鹽分光光度法[6]測定；堿度采用酸堿指示劑滴定法[6]測定；硬度采用EDTA滴定法[6]測定；污泥濃度采用烘干稱重法[7]測定。

1.2 試驗方法

研究[8-10]表明，在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，濁度對腐蝕作用有重要影響?；炷^程最主要的作用是去除水中的懸浮物，因此，選取濁度去除率作為評價指標。由于影響混凝效果的因素較多，且各因素間相互影響、相互制約，為了得到最佳的處理效果，采用正交試驗方法[11]進行研究。

重點考察了助凝劑投加量、接觸污泥濃度、絮凝階段pH和攪拌轉(zhuǎn)速4種影響因素。為了保證試驗的效率和經(jīng)濟性，同時又不失反映問題的全面性，每個因素選取3個值，依據(jù)相關(guān)文獻[12-14]，確定各因素值如表2所示；采用的L9(34)型正交試驗如表3所示。

表2 強化混凝試驗因素

表3 正交試驗L9(34)

試驗在槳板式六聯(lián)攪拌機上進行，每組試驗取3 L試驗用水，平均倒入3個攪拌燒杯中，進行平行試驗。試驗分為混合、絮凝和沉淀3個階段?；旌想A段投加10 gL的Al2(SO4)3溶液1 mL，以500 rmin快速攪拌1 min；絮凝階段對助凝劑投加量、接觸污泥濃度、攪拌轉(zhuǎn)速及pH進行調(diào)節(jié)，絮凝時間為15 min；沉淀階段設(shè)定靜沉時間為15 min。試驗結(jié)束后取上清液進行測試。

2 結(jié)果與討論

以濁度去除率為評價指標的正交試驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，當原水濁度為(10.0±1.0) NTU時，利用強化混凝技術(shù)對試驗用水進行處理，濁度去除率為85.2%～93.6%，處理后水中剩余濁度為0.6～1.6 NTU，平均值為1.1 NTU，完全滿足GBT 19923—2005《城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》中敞開式循環(huán)冷卻水濁度小于5.0 NTU的規(guī)定要求。

圖1 以濁度去除率為評價指標的正交試驗結(jié)果Fig.1 Orthogonal experiment result of evaluation of turbidity removal rate

以濁度去除率為評價指標的正交試驗極差結(jié)果如表4所示。從表4可知，在測試范圍內(nèi)，各因素中助凝劑投加量對強化混凝技術(shù)的影響最大，其次是攪拌轉(zhuǎn)速和接觸污泥濃度，而pH的影響最小。

表4 正交試驗極差結(jié)果

通過對正交試驗評價指標的計算分析，得到強化混凝技術(shù)處理該污水廠出水的最佳組合：助凝劑投加量為0.3 mgL，接觸污泥濃度為2.5 gL，絮凝階段pH為6.0，攪拌轉(zhuǎn)速為80 rmin。由于所得到的最佳組合并不在正交試驗表所列的組合中，故重新取試驗用水作為原水對正交試驗得到的最佳組合進行3次驗證試驗，原水濁度為10.0 NTU，結(jié)果如表5所示。

表5 驗證試驗結(jié)果

從表5可以看出，按照最佳組合對試驗用水進

行強化混凝處理，處理后的出水濁度均小于0.5 NTU，去除率均高于95.0%，優(yōu)于9組正交試驗的處理效果。

2.1 助凝劑的影響分析

試驗用水濁度為9.0～11.0 NTU，屬于低濁水體[15]。低濁水中的膠體顆粒細小，顆粒粒徑比較均一，具有較強的動力穩(wěn)定性和凝聚穩(wěn)定性[16]；而且單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)量較少，處理過程中大大降低了顆粒碰撞幾率。正是由于上述原因，使得低濁水難于處理。

從上述各組試驗結(jié)果可以看出，投加助凝劑可以提高強化混凝技術(shù)對該低濁水的去除率，改善出水水質(zhì)[17-18]。這是因為投加的助凝劑為陽離子型聚合電解質(zhì)，屬于高分子物質(zhì)，在混凝處理中，通過助凝劑巨大的吸附表面積及優(yōu)良的架橋能力，加上對膠體顆粒的電性中和，可使膠體顆?？焖倜摲€(wěn)，提高顆粒之間的有效碰撞速率[19-20]。而且該種作用對混凝效果的提高要大于增大速度梯度的作用，因為增大速度梯度對于微觀的分子熱運動影響很小[21]，這與正交試驗結(jié)果一致。

在水中投加助凝劑，使得原本細小、松散的絮體變得粗大、密實，提高了顆粒的沉降性能，增強了混凝劑的混凝效果。這從試驗過程中礬花的形成情況也可以看出：沒有投加PAM的混凝反應(yīng)，礬花絮凝不好、較為松散，在沉淀過程中，漂浮著不易沉淀；而投加了PAM的混凝反應(yīng)，礬花均一、密實，沉降性能很好。由于試驗投加了適量的PAM，并未出現(xiàn)因PAM過量而引起的混凝效果變差的現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 攪拌轉(zhuǎn)速的影響分析

根據(jù)槳板式攪拌器的計算方法[22]，可知攪拌器提供功率為：

(1)

式中：N1為攪拌器提供功率，kW；C為阻力系數(shù)，取0.4；ρ為密度，1 000 kgm3；ω為攪拌器旋轉(zhuǎn)角速度，rads；z為攪拌器槳葉數(shù)；e為攪拌器層數(shù)；b為攪拌器槳葉寬度，m；R為攪拌器半徑，m；g為重力加速度，9.8 ms2；θ為槳板角度，(°)。

攪拌所需功率[22]：

N2=μQtG2103

(2)

式中：N2為攪拌所需功率，kW；μ為水的黏度，10-3Pa·s；Q為流量，m3s；t為水力停留時間，s；G為速度梯度，s-1。

攪拌過程中，攪拌器提供功率應(yīng)該與攪拌所需功率相等，即N1=N2。通過對六聯(lián)攪拌器燒杯、攪拌槳等尺寸的測量，以及角速度與攪拌轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)換，得出速度梯度與攪拌轉(zhuǎn)速間的關(guān)系：

G2= 0.001 8×n3

(3)

式中n為轉(zhuǎn)速，rmin。

在絮凝階段，GT平均值應(yīng)控制在104～105內(nèi)(T為絮凝時間，s)[16]。根據(jù)式(3)可知，當攪拌轉(zhuǎn)速為20、50和80 rmin時，對應(yīng)的G為3.8、15和30.4 s-1。試驗設(shè)計的絮凝時間為15 min，所以3種攪拌轉(zhuǎn)速在絮凝階段提供的GT值分別為3 420、13 500和27 360?？梢?，攪拌轉(zhuǎn)速為50和80 rmin均符合要求。但由于試驗用水為低濁水，水中顆粒數(shù)量較少，之間碰撞幾率低，而較大的G及GT值則可以提高顆粒之間的有效碰撞幾率，改善處理效果。因此，采用80 rmin的攪拌轉(zhuǎn)速，可以有效提高混凝技術(shù)對低濁度水的處理能力。

如果混凝過程提供的速度梯度(攪拌轉(zhuǎn)速)很小，污泥自身沉淀吸附的膠體數(shù)量便少，對濁度的去除作用將大大降低；如果提供的速度梯度很大，使水體的剪切力很大，則不利于礬花的增大密實[23]。所以提供適宜的速度梯度(攪拌轉(zhuǎn)速)不但可以使污泥分散到燒杯的各部位，而且使顆粒間的有效碰撞機率增高，使污泥吸附更多的顆粒物而沉降，大大提高了混凝效果。因此，可以認為污泥投加量對混凝反應(yīng)的影響很大程度上取決于混凝過程所提供的速度梯度是否適宜，即適宜的速度梯度對混凝效果影響大于投加接觸污泥濃度，這與正交試驗結(jié)果一致。

2.3 接觸污泥濃度的影響分析

水中顆粒級配越單一，越不利于水中顆粒物脫穩(wěn)形成大而密實的礬花；如果水中顆粒物大小不一，則其聚集形成的礬花越密實，沉降性能越好。試驗用水屬于低濁水，其水中膠體顆粒細小且均勻，而向水體中投加的接觸污泥與水中膠體顆粒相比，是一些大而密實的顆粒物。不但使得水中顆粒物級配變得豐富，有利于礬花的密實，提高沉降性，而且在自身沉降的過程中，可以吸附水中的膠體顆粒一起沉降。但不是投加污泥的量越多越好，向水中投加接觸污泥，在增強混凝效果的同時，也增加了水中的顆粒物濃度，如果水中顆粒物過多，會影響到后續(xù)的沉淀過程。這從試驗結(jié)果中也可以看出，當接觸污泥濃度提高到5 gL時，處理效果反而下降。

2.4 pH的影響

由于水體的pH不同，Al(OH)3在水中的溶解度不同，對混凝反應(yīng)的作用能力則不同[24]。Al(OH)3在水中將同時發(fā)生堿式和酸式電離，反應(yīng)方程式如下：

(4)

(5)

當水溫為18～25 ℃時，水的電離平衡常數(shù)為1.0×10-14，Al(OH)3的堿式電離和酸式電離的溶度積常數(shù)(K1和K2)分別為1.3×10-33和1.6×10-13。根據(jù)式(4)、(5)可以計算出pH為6.0、6.5和7.0時，對混凝起有效作用的Al(OH)3占總硫酸鋁投加量的比例分別為99.7%、99.1%和97.2%?？梢妏H為6.0時，鋁鹽水解產(chǎn)物中有效絮凝成分最多，對絮凝效果的作用最大，但不同pH所引起的Al(OH)3的量變化不大，所以pH對混凝效果影響不大，故pH對本試驗的影響最小。

2.5 TP的去除

磷濃度是循環(huán)水的另一重要檢測指標。磷濃度過高，不僅會對系統(tǒng)產(chǎn)生腐蝕和結(jié)垢的危害[25]，而且還會促進微生物的生長進而導(dǎo)致水質(zhì)惡化，加大動力消耗，形成生物黏泥，降低緩蝕劑效力等不良影響[26]。眾所周知，強化混凝反應(yīng)對TP有較好的去除效果[27]。因此，對上述正交試驗的TP去除情況進行了考察。9組正交試驗的TP去除效果如圖2所示。從圖2可以看出，強化混凝對水中TP的去除效果明顯，最高去除率可達到90.4%，出水TP濃度最低為0.19 mgL。

圖2 強化混凝技術(shù)對TP的去除效果Fig.2 Removal efficiency of TP of enhanced coagulation process

以強化混凝試驗起始TP濃度、結(jié)束TP濃度，以及TP去除量分別除以起始濁度、結(jié)束濁度，以及濁度去除量，獲得TP與濁度的對比如圖3所示。從圖3可以看出，起始TP濃度起始濁度與TP去除量濁度去除量的變化趨勢具有一致性，說明二沉池出水中的TP可能主要以懸浮形式存在，其去除主要通過懸浮物混凝沉淀的方式得以實現(xiàn)。結(jié)束TP濃度結(jié)束濁度與其他2組值相比明顯升高，說明試驗出水中剩余TP可能主要以溶解形式存在，如聚磷酸鹽等。周波等[28]的研究表明，聚磷酸鹽等溶解性磷難以通過混凝沉淀的方式有效去除。因此，如何穩(wěn)定高效地去除二沉池出水中的總磷有待進一步研究。

圖3 強化混凝技術(shù)TP與濁度對比分析Fig.3 The contrastive analysis of TP and turbidity of enhanced coagulation process

3 結(jié)論

(1)強化混凝技術(shù)對于城市污水廠出水中濁度、TP的去除效果較好。出水濁度由最高值11.00 NTU降至0.45 NTU，TP濃度最低可達到0.19 mgL，其出水水質(zhì)完全符合GBT 19923—2005《城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》中敞開式循環(huán)冷卻水關(guān)于濁度的要求。

(2)當混合階段及沉淀階段運行工況確定時，通過正交試驗可知去除城市污水廠出水中濁度的絮凝階段的最佳運行工況：助凝劑投加量為0.3 mgL、接觸污泥濃度為2.5 gL、攪拌轉(zhuǎn)速為80 rmin、pH為6.0。強化混凝技術(shù)影響因素的主次順序為助凝劑投加量>攪拌轉(zhuǎn)速>接觸污泥濃度>絮凝階段pH。

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Orthogonal Experiment on Enhanced Coagulation Process for Advanced Treatment of Secondary Settling Tank Effluent

YU Lan1, Lü You2, LI Xiaoqian3

1.Jiangsu(Yixing) Institute of Environmental Industry, Yixing 214200, China 2.Wuxi Municipal Engineering Design and Research Institute Co., Ltd., Wuxi 214072, China 3.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

The effluent of secondary settling tank of a wastewater treatment plant(WWTP) were suggested to be further treated by enhanced coagulation process, and used as cooling water of a power plant. To guide this operation, the orthogonal experiment was performed to study the main factors of enhanced coagulation process. The results showed that the order of influencing factors was coagulant aid dosage>rotation speed>contact sludge concentration>pH at the stage of flocculation. The optimum parameters of the enhanced coagulation process were 0.3 mgL coagulant aid (PAM), 2.5 gL contact sludge, 80 rmin rotation speed for flocculation and pH 6.0. Under the optimum parameters, the turbidity of WWTP effluent was decreased from 10.0 NTU to below 0.5 NTU, and TP concentration was decreased from about 1.5 mgL to below 1.0 mgL (the lowest was 0.2 mgL), which were better than the requirements inTheReuseofUrbanRecyclingWater-Waterqualitystandardforindustrialuses(GBT 19923-2005).

enhanced coagulation; orthogonal experiment; secondary settling tank effluent; turbidity

俞嵐，呂尤，李曉倩.強化混凝技術(shù)處理二沉池出水的正交試驗研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學報,2016,6(1):16-21.

YU L，Lü Y，LI X Q.Orthogonal experiment on enhanced coagulation process for advanced treatment of secondary settling tank effluent[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(1):16-21.

2015-09-15

俞嵐(1987—)，女，工程師，碩士，主要從事環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究，yu.lan@jiei.org.cn

*責任作者:李曉倩(1979—)，女，副研究員，博士，主要從事環(huán)境污染機理及防治方法研究，lixiaoqian@craes.org.cn

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