引江水源混凝絮體上浮原因分析與改善方案

于紅玲， 張旭東， 孫麗晶， 譚浩強,2， 劉志濱， 王 霖， 徐廣志

(1.天津水務集團有限公司，天津300042；2.臺州學院建筑工程學院，浙江臺州318000)

長江水源的水質(zhì)特點為低濁度、低有機物，處理過程中存在絮凝效果不佳、絮體凝結不實等問題，并出現(xiàn)絮體上浮現(xiàn)象，既提高了生產(chǎn)成本，又給凈水工藝的安全穩(wěn)定運行造成影響。筆者針對沉淀池絮體上浮問題，分析查找了原因并通過試驗研究了適合長江水源的混凝劑投加方式與工藝流程。

1 沉淀池絮體上浮原因

1.1 水中溶解性氣體對絮體的影響

1.1.1 溶解氧對絮體的作用

水中的溶解氧通常有2個來源：一是溶解氧未飽和時，大氣中的氧氣向水體滲入；二是水中植物通過光合作用釋放。引江水源中，夏季的藻類以硅藻門和綠藻門為主。從圖1可以看出，夏季藻類數(shù)量比其他季節(jié)大，光合作用產(chǎn)生的氧氣也相應更多。

水中溶解氧的飽和含量與空氣中氧的分壓、水的溫度也有密切關系。在常壓下，飽和溶解氧受水溫影響較大，水溫越低溶解氧含量越高。在高溫下，水中飽和溶解氧濃度降低，光合作用產(chǎn)生的氧氣在溶解氧達到飽和后從水體溢出，遇到絮體后會進入其空隙，產(chǎn)生氣泡，增大了絮體的浮力，導致絮體上浮現(xiàn)象發(fā)生。

圖1 引江水源藻類的計數(shù)分布Fig.1 Distribution of algae count in water source from Yangtze River

1.1.2 CO2對絮體的影響

1.2 溫差變化對絮體的影響

夏天，室外的沉淀池中水溫會升高，水中的溶解氧及其它氣體會從水中溢出，托起絮體使其上浮。開展燒杯試驗模擬水廠混凝工藝，加入混凝劑并完成絮凝后，絮體有少量上浮。將燒杯置于日光下，發(fā)現(xiàn)處于中間層和底層的絮體緩慢上升，最后漂浮于液面。觀察上浮的絮體發(fā)現(xiàn)，絮體中包裹著許多小氣泡，部分氣泡為水中的氣體由于溫差變化溶出形成。

圖2 引江水源pH的變化Fig.2 Change of pH of water source from Yangtze River

1.3 沉淀量與密實程度對絮體的影響

對比引江水源和灤河水源發(fā)現(xiàn)，引江水源的濁度和有機物含量均比灤河水源低。在相同的混凝劑投加條件下，引江水源生成的絮體量明顯少于灤河水源，絮體不實，空隙較多、較大，氣泡易被包裹在其中，導致絮體上浮現(xiàn)象嚴重。采用灤河水源時，形成的絮體大而實，空隙較少，氣泡較少，絮體上浮不明顯。

2 引江水源混凝工藝的改善試驗

分析絮體上浮原因并結合實際表明，可以通過改善混凝過程中形成的絮體狀態(tài)，增強絮體的密實程度，使絮體下沉速度加快，從而既降低沉后水濁度，又減少絮體上浮量。

2.1 混凝劑投加量試驗

2.1.1 PAC投加量的影響

從圖3可以看出，單獨投加PAC，投加量(以Al2O3計)從0.5 mg/L上升到1.5 mg/L，濁度呈升高趨勢，但觀察到形成的絮體小而不實，無明顯下沉。繼續(xù)提高投加量，絮體開始下沉。PAC投加量為3.0 mg/L時，開始形成較多的絮體并沉淀，濁度得到進一步改善。但單獨投加PAC形成的絮體疏松不實，上浮較多，沉淀量少。

圖3 PAC投加量對沉后水濁度的影響Fig.3 Effect of PAC dosage on turbidity of water after sedimentation

2.1.2 FeCl3投加量

如圖4所示，單獨采用FeCl3混凝劑，投加量從1 mg/L上升到8 mg/L，濁度呈上升趨勢，但絮體小而不實，無明顯的下沉。提高投加量到10 mg/L，開始形成絮體并沉淀，但由于加入的FeCl3過多，水體呈現(xiàn)明顯的顏色，感官狀態(tài)較差。

圖4 FeCl3投加量對沉后水濁度的影響Fig.4 Effect of FeCl3 dosage on turbidity of water after sedimentation

2.2 混合投加FeCl3與PAC

2.2.1 投加順序的影響

FeCl3和PAC的混凝機理不同，投加順序會對混凝結果產(chǎn)生影響?；旌贤都臃绞较?，2種混凝劑的投加量如表1所示。

表1 混凝劑投加量Tab.1 Dosage of coagulant mg·L-1

改變投加順序進行混凝試驗，先投加3 mg/L PAC后，當FeCl3投加量為6 mg/L時開始出現(xiàn)沉淀，但絮體松散不實，伴隨有上浮現(xiàn)象。先投加4 mg/L FeCl3，PAC投加量為2 mg/L便已出現(xiàn)較多沉淀，絮體密實下沉快，絮體沒有明顯上浮。先投加4 mg/L FeCl3再投加2 mg/L PAC，沉后水濁度已經(jīng)明顯低于先投加5 mg/L PAC，再投加10 mg/L FeCl3，如圖5所示。因此先投加FeCl3再投加PAC的混凝效果，明顯優(yōu)于先投加PAC再投加FeCl3。

分析認為可能與FeCl3和PAC的作用機理及pH有關。采用FeCl3作為混凝劑時，在所研究的投加范圍內(nèi)其主要作用機理為卷掃網(wǎng)捕。而在1～10 mg/L投加量范圍內(nèi)，PAC的主要作用機理為電中和作用，pH值為7～8時效果最佳。長江水源的pH值通常為8～8.5，先投加FeCl3可以降低其pH值，有利于PAC作用。同時，投加FeCl3可增加水體的粒子數(shù)量，增大碰撞幾率，有效發(fā)揮電中和和卷掃網(wǎng)捕雙重作用，形成更多、更密實的絮體。

圖5 混凝劑投加順序?qū)Τ梁笏疂岫鹊挠绊慒ig.5 Effect of coagulant dosing order on turbidity of water after sedimentation

2.2.2 絮凝時間與沉淀時間的影響

絮體需要一定的時間才能凝結成可以下沉的大絮凝體。試驗研究了通過改變絮凝時間和沉淀時間，來增多絮體數(shù)量，增大絮體的下沉量并減少上浮的可行性。

混合投加FeCl3和PAC的條件下，采用如表2所示的2種混凝程序，觀察試驗現(xiàn)象并檢測沉后水濁度。2種投加方式均從投加4 mg/L FeCl3，再投加2 mg/L PAC開始出現(xiàn)絮體沉淀。但程序2形成的絮體更密實，沉淀量更多，絮體下沉更快。

表2 混凝程序Tab.2 Coagulation procedure

從圖6可以看出，投加量為4 mg/L FeCl3+2 mg/L PAC，采用程序2的沉后水濁度明顯低于程序1，甚至高于后者投加10 mg/L FeCl3+5 mg/L PAC。因此，延長絮凝時間和沉淀時間，能顯著提高對濁度的去除效果。

圖6 不同混凝程序下的沉后水濁度Fig.6 Turbidity of water after sedimentation under different coagulation procedures

3 結論

① 在混凝過程中，引江水源中的溶解性氣體會進入絮體空隙，增大絮體的浮力并導致其上浮。溫差變化會導致溶解性氣體溢出增加，提高了絮體上浮幾率。

② 引江水源中的溶解性氣體主要為溶解氧和二氧化碳。溶解氧主要來自大氣和藻類光合作用，二氧化碳主要來源于原水pH值降低后重碳酸鹽的轉(zhuǎn)化。

③ 單獨投加PAC形成的絮體量少而質(zhì)輕，且松散易上浮。單獨使用FeCl3混凝劑，投加量大時水體顏色會變深，感官性能下降。

④ 混合投加FeCl3和PAC時，投加順序、絮凝時間和沉淀時間均會影響混凝效果。先投加FeCl3再投加PAC，同時延長絮凝和沉淀時間，有利于形成量大且密實的絮體，絮體下沉快，上浮少，出水濁度低。