PAC 在黃河高濁水二級混凝沉淀工藝中的應用研究

劉彥汐，金 玫，崔 雯

（1.四川水利職業(yè)技術學院，四川 成都 611231；2.蘭州城市供水（集團）有限公司，甘肅 蘭州 730060）

黃河是我國泥沙最大的河流，砂情季節(jié)變化幅度大，其年際輸沙量變差系數(shù)Cv 值達0.4～0.55。同時黃河流域范圍內(nèi)地質(zhì)構造復雜，呈現(xiàn)出水砂異源的特征。黃河高濁度水是指以渾液面沉降為基本特征的河水，因此其凈化流程和一般水源有較大的差別[1]。在以黃河地表水為原水的自來水處理工藝中，混凝沉淀是水處理技術核心，而混沉效應則主要體現(xiàn)在通過優(yōu)化水處理工藝設計和選擇新型混凝劑以加大渾液面的沉速和泥沙分離濃縮效率[2-3]。

1 高濁水二級混凝沉淀工藝

1.1 二級混凝沉淀工藝

對于黃河高濁水來說，一級混凝沉淀是無法達到水質(zhì)處理要求的，因此在以黃河高濁水為原水的地表水處理工藝中，經(jīng)常采用二級混凝工藝[4]。以某自來水廠為例，其一級混凝沉淀處理工藝采用投加有機高分子混凝劑聚丙烯酰胺（PAM）和聚二甲基二烯丙基氯化銨（HCA），以原水濁度3 000 HTU 分界，大于3 000 HTU 投加聚丙烯酰胺，小于3 000 HTU投加HCA 藥劑[5-6]。一級混凝沉淀處理工藝平均去濁率達70%以上，但余濁水質(zhì)指標仍然不能滿足低于濾池進水最大濁度限值的要求，如果簡單采用加大混凝劑PAM 或HCA 投加量的方法，并不能獲得理想的效果[7]。因此需要在一級混凝之后串接二級混凝工藝，對余濁作進一步的去除。二級混凝工藝原采用投加無機鐵鹽FeCl3，多年的生產(chǎn)實踐表明，對一級混凝工藝后殘濁的去除效果較好，處理水質(zhì)穩(wěn)定。

1.2 研究擬解決的問題

二級混凝工藝采用無機鐵鹽作為混凝劑,雖然處理水質(zhì)穩(wěn)定，但是也暴露一些問題：①無機鐵鹽混凝劑配礬過程產(chǎn)生蒸汽影響健康，工作環(huán)境條件差。②高濃度的無機鐵鹽混凝劑投加過程中腐蝕投藥管道，加大了設備檢修的負擔。③二級混凝工藝無機鐵鹽FeCl3礬基相對較高，混凝耗量較大，增大了水的處理成本[8-9]。聚合氯化鋁（PAC）是一種優(yōu)良的無機高分子絮凝劑，具有絮體形成快、沉淀性能好，水中堿度消耗少，特別是對水溫、pH、濁度和有機物含量變化適應性強等優(yōu)點。但其作為一級混凝工藝的水處理劑對高濁度的水處理效果不佳[10-12]。因此，本研究以PAC 代替FeCl3，通過生產(chǎn)實驗，對PAC作為二級混凝工藝的混凝劑進行效果分析研究。

2 平行生產(chǎn)性實驗

2.1 實驗檢測設備及儀器

主要檢測與儀器見表1。

表1 實驗主要設備表

2.2 生產(chǎn)性實驗工藝單元及水質(zhì)檢測采樣點

平行生產(chǎn)性實驗在兩組平流式沉淀站進行，單組設計計算水量Q=0.95 m3/s。混合段設計采用兩級串聯(lián)機械攪拌混合，水力停留時間HRT=24 s，攪拌梯度G=700～1000 s-1。本次實驗工況采用一級機械攪拌，攪拌梯度G=700 s-1，混合時間T=12 s。反應段全長25 m，沿水流方向分四級串聯(lián)。各級采用上下折流式波形反應器，前后級串之間為漸減流水力形態(tài)，反應時間25 min。沉淀段全長73 m，前段為平流區(qū)，后段為斜板區(qū)，總水力停留時間HRT=1.5 h。本次水質(zhì)采樣點設置在斜板段，1#采樣點位置斜板前端（即斜板入流端），2#采樣點位置斜板后端（即斜板出流端）。研究采用生產(chǎn)性平行對比實驗，一格平流式沉淀站投加原混凝劑FeCl3，另一格平流式沉淀站投加實驗混凝劑PAC。由于本研究為生產(chǎn)性實驗，要求每格平流式沉淀站出水余濁不能高于10 NTU，以滿足濾站進水水質(zhì)最大控制濁度的技術要求。生產(chǎn)性實驗工藝單元示意圖見圖1。

圖1 生產(chǎn)性實驗工藝單元示意圖

3 實驗數(shù)據(jù)整理及結果分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理方法

本次應用性生產(chǎn)實驗周期為期1 年，每日按水廠沉淀站規(guī)定水質(zhì)檢測操作規(guī)程取樣檢測。取樣頻次為每小時1 次，水質(zhì)采樣點為1#、2#采樣點，取樣后立即進行余濁檢測。由于生產(chǎn)性實驗偶然因素較多，干擾因子不易控制及排除，所以實驗數(shù)據(jù)只有大量的統(tǒng)計結果才有研究意義。因此本次實驗余濁數(shù)據(jù)統(tǒng)計根據(jù)時均量統(tǒng)計日均量，再根據(jù)日均量統(tǒng)計旬均量。礬基直接統(tǒng)計旬均量。實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制投加混凝劑沉淀站余濁及礬基逐月變化曲線見圖2，圖4，繪制斜板前后余濁逐月變化曲線見圖3，圖5。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制投加PAC 混凝劑沉淀站出水余濁及礬基逐月變化曲線，繪制斜板前后余濁逐月變化曲線。并根據(jù)繪制的曲線分析原混凝劑FeCl3和實驗混凝劑PAC 的凈水效果，并對采用FeCl3和PAC 混凝劑分別進行成本效益分析。

圖2 投FeCl3 沉淀站礬基及2#采樣點余濁逐月變化曲線

圖3 投FeCl3 沉淀站1#、2#采樣點余濁逐月變化曲線

圖4 投PAC 沉淀站礬基及2#采樣點余濁逐月變化曲線

圖5 投PAC 沉淀站1#、2#采樣點余濁逐月變化曲線

表2 FeCl3 和PAC 礬基及1#、2#采樣點余濁數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2 實驗結果分析討論

根據(jù)圖2 可以看出采用FeCl3無機鹽混凝劑，平流式沉淀站出水濁度較為穩(wěn)定，濁度檢測值介于3～5 NTU，出水水質(zhì)較好，滿足沉淀站出水余濁控制低于10 NTU 的生產(chǎn)技術要求，實驗結果也與水廠輻流式沉淀池多年使用FeCl3混凝劑凈水效果基本是一致的。即FeCl3無機鹽混凝劑在黃河高濁水二級混凝沉淀工藝中凈水效果有較強的穩(wěn)定性。這也是水廠多年來一直采用FeCl3作為二級混凝工藝中主體混凝劑的原因。同時其在平流式沉淀站中的實驗結果也表明，F(xiàn)eCl3作為二級混凝劑對新的水處理工藝具有較強的適應性。由于在一年實驗周期中，11月到次年3 月為冬季運行期，即在該時間區(qū)段內(nèi)，實驗采用水廠超越運行模式，停用一級混凝工藝，原水超越直接進入二級混凝工藝，此時FeCl3實際上作為一級混凝劑發(fā)揮絮凝作用。4 月到10 月為夏季運行模式，即在該時間區(qū)間內(nèi)，實驗采用水廠全運行模式，一二級混凝工藝均不同階發(fā)揮絮凝作用。所以礬基在整個實驗周期內(nèi)具有較為明顯的夏冬兩個區(qū)段，在冬季模式中，礬基值總體較夏季模式低很多。這是由于在冬季枯水期，一方面原水濁度非常低，混凝劑的投量需求降低；另一方面對于低溫低濁水而言，混凝劑的投加量對混凝效果影響不是十分顯著，即當混凝劑投加量超過某一限值時，混凝劑投加量增加并不會顯著改善混凝效果。因此，在冬季模式中礬基值曲線變化較為穩(wěn)定，這更多是基于最低投藥成本考慮的礬基原則。在夏季模式，礬基值總體較冬季模式大，這是由于夏季汛期及雨季來臨，進入二級混凝工藝的原水濁度也升高，導致FeCl3混凝劑需求的投加量增加，如果不及時加以調(diào)整，沉淀站的出水余濁將不能滿足要求。同時，礬基值在夏季模式中也較冬季模式變化幅度大，一方面是由于原水背景濁度變化夏季較冬季大，另一方面是由于以出水濁度控制投藥量的負反饋運行模式造成投藥時間序列遲滯，使得進入二級混凝劑工藝的濁度不是很穩(wěn)定，進而造成礬基在冬夏模式中不同的曲線波動特征。但是需要指出，盡管夏季模式礬基變化較大，但相對于一級混凝工藝礬基來說，仍具有穩(wěn)定性。這時因為有一級混凝工藝作為屏障，PAM和HCA 對原水原始濁度的巨大削減，確保了二級混凝工藝獲得了相對穩(wěn)定的進水水質(zhì)。

根據(jù)圖3 可以看出在采用FeCl3無機鹽混凝劑的平流式沉淀站中，斜板后余濁總體較斜板前低，這說明斜板段在平流式沉淀站中起到了加速沉淀的作用。一方面是由于基于淺池沉淀理論的波形斜板其功能的體現(xiàn)，另一方面是由于FeCl3無機鹽混凝劑形成的膠體顆粒較為緊湊密實，在斜板滑沉過程中發(fā)生破碎從而導致已經(jīng)去除的濁度再次進入到沉淀水中。

根據(jù)圖4 可以看出采用高分子PAC 混凝劑，在整個實驗周期中，平流式沉淀站的出水余濁及礬基相對于采用FeCl3混凝劑均大幅降低，PAC 混凝劑出水水質(zhì)顯著優(yōu)于FeCl3混凝劑，尤其是在夏季模式中，PAC 混凝效果較FeCl3混凝效果要好很多，因此實驗中也出現(xiàn)了極低的出水余濁。但是在冬季模式，PAC 的混凝效果卻未出現(xiàn)夏季般顯著，甚至還不及FeCl3混凝效果。分析認為這是由于在冬季，低溫使得PAC 的水解效果不如預期顯著，其長鏈聚合物對水中膠體顆粒的絮凝優(yōu)勢沒有得到充分體現(xiàn)。對比圖2 和圖4 也可以看出，盡管投加PAC 混凝劑平流式沉淀站出水水質(zhì)更好，但是其水質(zhì)的波動性較投加FeCl3混凝劑平流式沉淀站大，分析認為一方面是由于PAC 混凝劑處于生產(chǎn)性實驗研究階段混凝劑，混凝劑調(diào)制，投加方式等實踐生產(chǎn)運行經(jīng)驗不足；另一方面是由于PAC 水解性能較FeCl3更容易受到水質(zhì)變化因素的制約。

根據(jù)圖5 可以看出采用高分子PAC 混凝劑，平流式沉淀池斜板前端的余濁總體較后端的低，這說明斜板段不僅沒有發(fā)揮加速膠體顆粒沉淀的效果，相反部分逆轉(zhuǎn)了平流段的沉淀效果。分析認為這是由于PAC 混凝劑形成的膠體顆粒結構相對FeCl3膠粒松散，含水率較高，沿斜板滑沉效果不理想。同時由于斜板的存在使得水處理構筑物實際過流斷面縮小，板間流速增加，斜板段側向水流與板面膠粒沉積層剪力影響逐漸顯著，以致隨著生產(chǎn)運行，斜板上集聚的松散膠粒被剪力擾動帶起，部分破碎重新進入沉淀水中，導致經(jīng)過斜板后，余濁不降反升的現(xiàn)象。因此，在斜板沉淀工藝中，需要考慮因混凝劑性能影響的沉泥滑泥效果而制約的泥水分離性能。

3.3 混凝劑PAC 和FeCl3 成本效益分析

在控制滿足平流式沉淀站出水余濁低于10 NTU的條件下，實驗周期內(nèi)使用PAC 混凝劑平均礬基為467.9 mg/L ÷ 36=13.0 mg/L=13 kg/km3，使用FeCl3混凝劑平均礬基為113.6 mg/L÷36=3.2 mg/L=3.2 kg/km3。由于PAC 為5.4 元/km3，F(xiàn)eCl3為3.2 元/km3，因此，采用PAC 作為二級混凝劑具有顯著效益。

4 實驗結論

（1）PAC 混凝劑在黃河高濁水二級混凝工藝中具有良好的混凝效果，相對于FeCl3，采用PAC 作為二級混凝劑，其藥耗指標礬基減少75%左右，沉淀站出水殘濁降低8%左右。

（2）PAC 混凝劑混凝效果容易受到水質(zhì)條件變化的影響，余濁水質(zhì)指標穩(wěn)定性波動較大。

（3）PAC 混凝劑在夏季運行模式中混凝效果較冬季運行模式顯著。

（4）采用PAC 混凝劑在平流式沉淀站斜板段并未出現(xiàn)明顯的水質(zhì)改善，這為沉淀站斜板段技術改造積累理論基礎。