凝聚劑投加技術(shù)在農(nóng)村供水工程中的應用研究

楊在華 尹自萍 李繼魁

(云南省施甸縣水務局，云南 施甸 678200)

1 概 述

天然水中含有很多有利于人體生長發(fā)育和生理機能的微量元素，是人體從食物以外獲得營養(yǎng)素的一個重要來源。然而，人類在生產(chǎn)、生活中排放的各種廢棄物會對水體造成污染。在我國農(nóng)村，因飲用被污染的水而導致疾病發(fā)生的情況較為常見。例如，由于傳染病患者的排泄物及嘔吐物污染了飲用水源，并通過水作為媒介而傳播的傳染病；因水中微量元素含量過高或不足引起的地方性非傳染性疾病或中毒現(xiàn)象；因水源受化肥、農(nóng)藥污染而使得一些有害物質(zhì)在水中的含量超過一定范圍所引起的急性或慢性中毒現(xiàn)象。因此，在我國的農(nóng)村供水工程項目運行的過程中，不但要求水量、用水方便程度和供水保證率要達標，同時生活飲用水水質(zhì)還應符合GB 5749—2006衛(wèi)生標準。

2 研究區(qū)水處理現(xiàn)狀

云南省施甸縣總?cè)丝?4.8萬人，在“十三五”期間共建成農(nóng)村供水工程1450件。其中，集中供水工程566件，供水人口達34.4萬人；分散式供水(井水、水窖)工程884件，供水人口0.4萬人。累計投入農(nóng)村飲水工程建設資金2.79億元。通過農(nóng)村飲水工程項目的實施與運行，使得全縣集中供水率達到98.4%，自來水普及率達到95%以上，農(nóng)村供水保障率達到90%以上。目前，在施甸已建成的農(nóng)村供水工程項目中，所采用的水處理方法主要為絮凝沉淀法和生物慢濾兩種。其中，在566件集中供水工程項目中，采用絮凝沉淀法處理的有541件，采用生物慢濾處理的有25件。

3 凝聚劑的選擇與投配

3.1 凝聚劑原理

在農(nóng)村供水工程中，水源渾濁度受季節(jié)性變化影響較大，渾濁的地表水需投入凝聚劑，并經(jīng)過絮凝、沉淀、過濾等凈化過程才能變得清澈。在供水水源中，常含有不同顆粒的懸浮物等物質(zhì)。密度比水大的懸浮物在重力的作用下可以自然沉淀，但懸浮物在靜水中的沉降速度與顆粒大小、密度、水溫等因素有關。隨著水溫的變化，水的黏度、下沉速度也隨之發(fā)生變化。通常水源中含有極細小的黏土、腐殖質(zhì)等帶負電荷膠體，彼此互相排斥，難于形成較大顆粒，更不容易沉淀，因此常借助于凝聚的方法。

凝聚指的是向供水水源中投加帶正電荷的膠體，如氫氧化鋁、氫氧化鐵等，使水中微細膠體顆?；ハ嗄?，形成顆粒較大的絨體，絨體增大后形成礬花，易于沉淀。凝聚不僅能使原水的渾濁度大大降低，還能使水脫色。在我國，常用的水處理方法為絮凝沉淀法。由于凝聚劑的投加配液會直接影響水處理的效果,因此投加配液是水處理技術(shù)的核心。使用凝聚劑具有對出水pH值影響小、用量少、產(chǎn)生污泥少、除濁高的優(yōu)點。目前，我國約60%的水處理廠采用凝聚劑進行混凝處理。

3.2 凝聚劑的選擇

適用于農(nóng)村供水工程水質(zhì)凈化的凝聚劑主要有硫酸鋁和聚合氯化鋁兩種。采用硫酸鋁處理原水的渾濁度時，適用條件為原水的pH值在6.5～7.5之間，且水溫不宜太低。因為水溫太低時，礬花生成很慢且不易沉淀。而聚合氯化鋁是一種無機高分子鋁鹽凝聚劑，在國內(nèi)農(nóng)村供水工程中被廣泛采用。使用聚合氯化鋁優(yōu)點是：能適應供水工程水質(zhì)的變化(pH值5.0～9.0之間)，絮凝時間短、沉淀速度快，同時高濁度水和低溫水處理效果好，成本較低。

聚合氯化鋁的凝聚效果與鹽度關系密切。當水渾濁度較高的時候，使用鹽基度高的聚合氯化鋁，其凝聚沉淀效果會更好。目前，我國對聚合氯化鋁的鹽度控制在60%以上。聚合氯化鋁的外觀狀態(tài)與鹽基度、制造方法、原料、雜質(zhì)成分及含量等有關。聚合氯化鋁與鹽基度的關系見表1，硫酸鋁、聚合氯化鋁的主要優(yōu)缺點見表2、表3。

表1 聚合氯化鋁的外觀

表2 硫酸鋁凝聚劑特性

表3 聚合氯化鋁凝聚劑特性

3.3 凝聚劑的投配分析

凝聚劑的用量與原水的渾濁度、pH值、水溫、堿度、有機物含量等有著密切關系。農(nóng)村供水工程中的水源主要為降水，水源水量的年際、年內(nèi)變化情勢及其空間分布與降雨量基本一致。受降水和下墊面條件影響，渾濁度在一年之間季節(jié)性變化較大?？菁?1月—次年4月水源渾濁度較低，汛期5月—10月水源渾濁度較高。因此，凝聚劑的投加量也需要經(jīng)常改變。凝聚劑用量在制水成本中占有一定比例，若凝聚劑投加量合適得當，不僅可以節(jié)約成本，而且出水水質(zhì)較好。如果任意投加凝聚劑，不但不能保證出廠水水質(zhì)，還會造成藥劑浪費。

凝聚劑投加量通過試驗確定。取1000mL燒杯 5～6只，各盛原水1000mL。然后將準備使用的凝聚劑配成1%溶液，并按不同量分別加至各燒杯。先用玻璃棒劇烈攪拌1min，再沿順時針方向繼續(xù)用玻璃棒緩緩攪動，其目的在于幫助形成礬花。至大片礬花形成且停止攪動后礬花迅速下沉時，靜沉10～15min，放置一瓶礦泉水，將各燒杯中上層清液的透明程度與礦泉水對比。凝聚劑投加量最少，且與礦泉水接近的一杯，即為正確投加量。如各杯均不理想，說明凝聚劑投加量不足或過多，可另取原水，減少或增加1%凝聚劑溶液用量，重新按上述方法試驗。如向1000mL原水中投加1%聚合氯化鋁溶液1.2mL時，凝聚效果最好，則1m3原水需投加聚合氯化鋁12g。目前，施甸已建農(nóng)村供水工程中，采用的凝聚劑投加方法有自動和人工兩種，541件采用絮凝沉淀法處理的工程中，采用自動投加的35件，采用人工投加的有506件，人工投加凝聚劑的比例為93.5%(見圖1、圖2)，施甸縣蔣家寨水庫2017—2021年水源渾濁度與聚合氯化鋁試驗投加量詳表4。

圖1 水廠凝聚劑自動配液室

圖2 水廠凝聚劑人工配液設備罐

表4 水源渾濁度與聚合氯化鋁(PAC)試驗投加量一覽(部分)

3.4 凝聚劑投加量計算

通過對施甸、曲靖、宜良、騰沖4個縣市區(qū)水庫水源的分析，以及2017—2021年間在施甸水廠近5年開展的多次試驗(試驗采集了水廠原水的渾濁度、pH值、有機物含量、色度、臭和味、肉眼可見物等指標)，pH值、有機物、色度、臭和味、肉眼可見物等指標的含量變化，對凝聚劑的配液及投加量的影響較小，而渾濁度的變化與凝聚劑的配液及投加消耗量關聯(lián)性較強。試驗總結(jié)得出以下結(jié)論：如采用水庫水源，則在相同渾濁度的情況下，深層取水凝聚劑投加量約為表層取水的2倍，且最低凝聚劑投加量為1g/m3。通過近5年的試驗，分析得出渾濁度與凝聚劑投加量的關系式如下：

y=a(bx+1)

(1)

式中y——凝聚劑投加量,g/m3;

x——水源渾濁度,NTU；

a——原水系數(shù)，地表水或水庫表層水a(chǎn)一般取1，水庫深層水源a一般取2；

b——修正系數(shù)，該值通過試驗確定，一般取0.4～0.7。

上述渾濁度與凝聚劑投加量公式一般只適用于做試驗的原水，不可互相套用。如為同一河流且又相距不遠，無其他支流匯入，河流水質(zhì)原狀未變，則可根據(jù)實際情況使用。在應用上式前，應首先對原水開展試驗。在確定一定周期范圍內(nèi)的濁度與凝聚劑配液投加修正系數(shù)b后，方可使用上式。依據(jù)上式，在水廠日常運行管理中可以根據(jù)當天原水的渾濁度計算出凝聚劑配液的投加量。

3.5 絮凝

將凝聚劑配液投加到渾濁的原水中，通過快速混合，很快會出現(xiàn)細小的礬花。為使礬花迅速下沉，需要凝聚結(jié)構(gòu)大到一定尺寸，且礬花密集。但在混合階段，由于水流強烈紊動，礬花難以繼續(xù)結(jié)合。因此，需要在水流緩慢、便于礬花凝聚的絮凝池內(nèi)完成。

絮凝池一般按由大逐漸變小的流速進行設計。在供水工程進水管或絮凝池進水前端投加，使絮凝劑與水中膠體顆料發(fā)生碰撞吸附，再在較小的流速下的絮凝池反應，使碰撞吸附后的膠體顆粒結(jié)成較大的礬花，以便進入沉淀池后絕大部分被截留下來。通常絮凝池中的流速不大于0.75m/s。若超過此流速，礬花顆粒易于破碎。當流速小于0.1m/s時，顆粒又會下沉。而絮凝池是不容許有沉淀物積存的，因此絮凝池采用的流速一般為：從進口處的0.5～0.6m/s逐漸降低到出口處的0.15～0.2m/s。

由于礬花顆粒是經(jīng)過多次碰撞和吸附而逐漸結(jié)大的，所以絮凝需要有一定的時間。絮凝時間隨原水水質(zhì)的不同而不同，一般為12～25min。絮凝的效果與顆粒數(shù)目及顆粒密度有關。顆粒越多，碰撞機會越多，絮凝效果就越好。在試驗過程中，當原水的渾濁度過低時，在原水中加入適量的黏土，使這些黏土粒在水中成為載體，以便形成較大的礬花。此外，使用鐵鹽凝聚劑可以增大顆粒比重，大而重的礬花將更易下沉。

4 結(jié) 語

絮凝沉淀法是我國常用的水處理方法，而凝聚劑的配液投加技術(shù)將直接影響水處理效果。凝聚劑用量與原水的渾濁度關聯(lián)性較強，地表水在一年之間季節(jié)性變化非常明顯，尤其是渾濁度。因此，凝聚劑的投加量也需要經(jīng)常改變。本文通過對施甸水廠開展的渾濁度變量關系與凝聚劑投配的試驗，得到了同品種凝聚劑與不同濁度的最優(yōu)投加量，解決了投加凝聚劑頻繁試驗、耗時長、試驗效果受主觀因素影響等技術(shù)難題。