復(fù)合混凝沉淀用于生態(tài)補(bǔ)水水體除磷

安宗勝，張 瀏，袁步先，方春霞，劉 樂(lè)

(安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽合肥 230071)

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市規(guī)模急劇擴(kuò)大，城市景觀河道呈現(xiàn)出水體污染嚴(yán)重、生態(tài)基流缺乏、生態(tài)功能退化等特征[1]。城市景觀河道水污染防治過(guò)程中，在截污控源、水質(zhì)凈化等基本措施基礎(chǔ)上，生態(tài)補(bǔ)水措施對(duì)于河道生態(tài)基流的維持和生態(tài)系統(tǒng)的改善尤為重要[2-3]。相比于污水廠再生水和水庫(kù)清潔水源，利用凈化后的湖水作為城市景觀河道補(bǔ)水水源，具有水質(zhì)好、水量充足等優(yōu)勢(shì)[4]。為有效避免湖水富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題隨補(bǔ)水過(guò)程進(jìn)入河道，快速去除湖水中的磷營(yíng)養(yǎng)元素成為生態(tài)補(bǔ)水成功之關(guān)鍵[5]。

混凝沉淀法除磷工藝廣泛應(yīng)用于生活污水和工業(yè)廢水，相比于生物法具有水力停留時(shí)間短、操作控制簡(jiǎn)便、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)?；炷恋矸ㄖ谐Ｓ玫幕炷齽┯芯酆下然X(PAC)、硅藻土等無(wú)機(jī)混凝劑及聚丙烯酰胺(PAM)等有機(jī)高分子絮凝劑。研究發(fā)現(xiàn)，硅藻土和PAC均對(duì)污水中的總磷具有很好的去除效果[6-7]。然而有關(guān)以PAM和硅藻土作為助凝劑協(xié)同PAC混凝沉淀，用于生態(tài)補(bǔ)水除磷控藻的研究鮮有報(bào)道。筆者在研究PAC和硅藻土對(duì)湖泊原水除磷控藻效率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究PAM作為助凝劑在混凝沉淀過(guò)程中的強(qiáng)化作用，考察這3種混凝劑協(xié)同混凝沉淀法除磷效率，探索不同總磷濃度進(jìn)水條件下混凝劑的最佳組合比例及投加量，為相關(guān)生態(tài)補(bǔ)水水體除磷工程實(shí)踐提供參考。

1 材料與方法

1.1混凝劑該試驗(yàn)所用硅藻土是由云南慶中科技有限公司生產(chǎn)，以92%以上的硅藻精土與常規(guī)鋁鹽、鐵鹽復(fù)配所得的改性硅藻土污水處理劑，其化學(xué)成分主要為SiO287%、Al2O36%、Fe2O31%，其余為CaO、MgO及一些有機(jī)物等。PAM、PAC均為天津市鼎盛鑫化工有限公司生產(chǎn)的分析純級(jí)試劑。

1.2試驗(yàn)用水該試驗(yàn)采用巢湖原水。巢湖水COD、氨氮濃度較低，總磷含量相對(duì)較高，西半湖污染較東半湖嚴(yán)重。2017年6—10月總體污染狀況為中度污染，主要污染因子為總磷，水質(zhì)如下：CODmn4.2～8.6 mg/L(Ⅲ～Ⅳ類)、氨氮0.16～0.42 mg/L(Ⅱ類)、總磷0.19～0.97 mg/L(劣Ⅴ類)。

1.3試驗(yàn)方法將湖水加入六聯(lián)攪拌機(jī)容量為1 L 的燒杯中，加入混凝劑PAC，快攪 (500 r/min) 1 min后，加入助凝劑硅藻土和(或)PAM，然后慢攪(60 r/min) 15 min進(jìn)行絮凝反應(yīng)，沉淀60 min后從燒杯中部取上清液分析。其中，PAM采取預(yù)先配成0.1%溶液方式投加。上清液總磷測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—1989)。

2 結(jié)果與分析

2.1硅藻土、PAC、PAM單獨(dú)投加時(shí)總磷的去除效果采用總磷濃度為0.59 mg/L原水為試驗(yàn)對(duì)象，單因子試驗(yàn)表明，硅藻土和PAC均對(duì)總磷具有較好的去除效果，如圖1所示。硅藻土對(duì)總磷的去除率為43.2%～48.7%，而PAC對(duì)總磷的去除率為31.5%～38.3%。同等投加量條件下，硅藻土對(duì)總磷的去除率比PAC高約10%。而PAM對(duì)總磷去除率較低，為11.2%～17.6%，且隨著投加量增加去除率反而有所下降，單獨(dú)投加PAM混凝沉淀效果不佳。研究分析，高分子絮凝劑常作為助凝劑使用，通過(guò)其長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)的吸附架橋作用去除懸浮顆粒。水中顆粒濃度過(guò)低或高分子絮凝劑投加過(guò)量，都不利于混凝沉淀發(fā)生[8]。

圖1 硅藻土/PAC/PAM對(duì)總磷的去除率Fig.1 Removal rate of TP by diatomite /PAC/PAM

2.2PAC+硅藻土(或PAM)組合投加時(shí)總磷的去除效果試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PAC投加量較大時(shí)，混凝反應(yīng)后絮體的沉降性較差，在反應(yīng)器底部有較厚的泥渣層。為了加快沉降速度，提高泥渣密實(shí)度，需在混凝過(guò)程中投加一定量的助凝劑。

采用總磷濃度為0.59 mg/L原水為試驗(yàn)對(duì)象，分別進(jìn)行PAC+硅藻土和PAC+PAM正交試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。由圖2a可知，當(dāng)硅藻土投加量一定時(shí)，增加PAC的投加量，總磷去除率均有不同程度提高；而當(dāng)PAC投加量一定時(shí)，隨著硅藻土投加量的增加，總磷去除率亦有所提高。在硅藻土投加量為40 mg/L、PAC投加量為40 mg/L時(shí)，總磷去除率達(dá)89.6%。

由圖2b可知，當(dāng)PAC的投加量為20 mg/L時(shí)，總磷去除率隨PAM投加量增加而小幅提高，由55.6%提高至59.3%；當(dāng)PAC投加量為40 mg/L、PAM投加量為1.0 mg/L時(shí)的總磷去除率最高，達(dá)76.5%，而PAM投加量為0.5和1.5 mg/L時(shí)，總磷去除率分別為71.2%和72.4%；當(dāng)PAC投加量為60 mg/L時(shí)，總磷去除率隨PAM投加量增加而降低，由70.5%降為61.3%。

圖2 硅藻土+PAC組合(a)和PAM+PAC組合(b)對(duì)總磷的去除率Fig.2 Removal rate of TP by diatomite +PAC combination(a) and PAM+PAC combination(b)

2.3硅藻土+PAM+PAC組合對(duì)總磷去除效果為了有效控制無(wú)機(jī)混凝劑PAC和硅藻土的用量，研究助凝劑PAM對(duì)PAC與硅藻土組合混凝沉淀除磷效果的影響。采用總磷濃度為0.59 mg/L原水為試驗(yàn)對(duì)象，分2組進(jìn)行。一組分別投加PAC+硅藻土組合絮凝劑(比例為1∶1)20、40、60、80 mg/L，再各添加1 mg/L PAM；另一組不添加PAM僅投加PAC+硅藻土組合絮凝劑。研究發(fā)現(xiàn)(圖3)，不加PAM時(shí)，需要40 mg/L PAC+硅藻土組合絮凝劑才能達(dá)到85%以上總磷去除率，而添加1 mg/L PAM時(shí)，只需要20 mg/L組合絮凝劑就可以達(dá)到85%以上總磷去除率，PAM助凝效果明顯。

圖3 PAM+PAC+硅藻土組合對(duì)總磷的去除率Fig.3 Removal rate of TP by PAM+PAC+ diatomite combination

2.4助凝劑最佳投加量研究為進(jìn)一步研究不同總磷初始濃度條件下PAM助凝劑適宜的投加量，針對(duì)0.34、0.59、0.97 mg/L 3種不同總磷濃度的原水，PAC+硅藻土(1∶1)無(wú)機(jī)復(fù)合混凝劑的投加量分別對(duì)應(yīng)為20、40、60 mg/L，PAM投加量為0.25～2.00 mg/L，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖4可看出，對(duì)于總磷濃度為0.34和0.59 mg/L的原水，PAM投加量為0.50 mg/L時(shí)，總磷去除率即接近85%，隨后隨著PAM投加量增加，總磷去除率提升幅度較小，當(dāng)PAM投加量超過(guò)1.00 mg/L時(shí)，總磷去除率反而有所下降；對(duì)于總磷濃度為0.97 mg/L的原水，當(dāng)PAM投加量為0.50 mg/L時(shí)，總磷去除率約75%，PAM投加量為0.75 mg/L時(shí)，總磷去除率約86%，隨后隨著PAM投加量增加，總磷去除率小幅度提升，PAM投加量為1.25 mg/L時(shí)，總磷去除率為90.3%。

圖4 PAM+PAC+硅藻土對(duì)不同初始濃度進(jìn)水總磷去除率Fig.4 Removal rate of TP by PAM+PAC+ diatomite at different initial concentrations

2.5工程實(shí)踐塘西河生態(tài)補(bǔ)水工程選址于原合肥市供水集團(tuán)巢湖水源廠內(nèi)，利用已廢棄泵房取水管道提供進(jìn)水水源，在已廢棄的泵房取水井位置建設(shè)藻水分離腮式過(guò)濾設(shè)施和混凝沉淀水處理設(shè)施。巢湖藍(lán)藻暴發(fā)月份，巢湖原水先經(jīng)過(guò)藻水分離腮式過(guò)濾器去除大部分藍(lán)藻后再進(jìn)入混凝沉淀段，其余月份巢湖原水則直接進(jìn)入混凝沉淀段進(jìn)行除磷處理。工程出水經(jīng)廠外長(zhǎng)約14 km的輸水管道送至塘西河上游。工程實(shí)施目的是為塘西河補(bǔ)充清潔水源、改善水體流動(dòng)性、修復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)和自凈能力，既消除塘西河劣Ⅴ類入湖水質(zhì)，同時(shí)又去除巢湖水體污染物。工程設(shè)計(jì)規(guī)模為5萬(wàn)m3/d，設(shè)計(jì)出水TP≤0.05 mg/L。

圖5 2017—2018年2月工程混凝沉淀開始段進(jìn)出水總磷濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamic change of TP concentration of influent and effluent water in the coagulation and sedimentation section of the project in February from 2017 to 2018

通過(guò)對(duì)塘西河生態(tài)補(bǔ)水工程每天進(jìn)、出水總磷濃度進(jìn)行檢測(cè)，分析總磷月均值動(dòng)態(tài)變化(圖5)得出，塘西河生態(tài)補(bǔ)水工程混凝沉淀段進(jìn)水總磷濃度為0.18～0.45 mg/L，水質(zhì)類別為Ⅴ類～劣Ⅴ類。經(jīng)過(guò)混凝沉淀處理后，工程出水總磷濃度為0.019～0.031 mg/L，穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)湖、庫(kù)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，大部分月份工程出水總磷濃度甚至達(dá)到湖、庫(kù) Ⅱ 類水標(biāo)準(zhǔn)，處理效果非常顯著。該工程以巢湖水為水源，湖水凈化后補(bǔ)給城市景觀河道，既從巢湖中移出了污染物，又有助于解決城市景觀河道水量短缺、水質(zhì)惡化的難題；既有利于巢湖水質(zhì)改善，又促進(jìn)了城市河道水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

3 結(jié)論

(1)硅藻土和PAC均對(duì)巢湖湖水總磷具有很好的去除效果，而單獨(dú)投加PAM對(duì)總磷去除率較低。當(dāng)采用硅藻土+PAC組合混凝劑處理巢湖湖水時(shí)，大大提高了凈化效率。綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和凈化效果，硅藻土與PAC最佳投加比例為1∶1，具體投加量應(yīng)根據(jù)進(jìn)水性質(zhì)和總磷濃度確定。

(2)助凝劑PAM具有很好的助凝效果，投加少量的PAM可有效降低硅藻土和PAC用量。當(dāng)進(jìn)水總磷濃度為0.59 mg/L時(shí)，投加40 mg/L硅藻土+PAC(1∶1)復(fù)合無(wú)機(jī)混凝劑及0.75 mg/L高分子助凝劑PAM，即可達(dá)86%的總磷去除率。

(3)塘西河生態(tài)補(bǔ)水工程以巢湖水為水源，經(jīng)硅藻土、PAC和PAM復(fù)合混凝劑快速、高效去除巢湖原水中的總磷后補(bǔ)入河道上游，在有效防范了巢湖原水補(bǔ)入城市景觀河道后帶來(lái)水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)的前提下，解決了城市河道水量短缺、水質(zhì)惡化的難題。