預(yù)氧化-混合-澄清-超濾中試工藝優(yōu)化運行研究

閆慧敏， 韓正雙， 李榮光， 陳靜梅， 白雪娟

(1.天津市公用事業(yè)設(shè)計研究所， 天津 300100； 2.天津水務(wù)集團濱海水務(wù)有限公司， 天津 300300)

天津市自2014年底完成南水北調(diào)中線水源切換后，各水廠水源以引江水為主，部分水廠存在引江、引灤雙水源摻混供水情況。引江水屬于準II類水體，水中的濁度和有機物含量較低，增加了常規(guī)工藝對有機物高效去除的難度；同時南水北調(diào)中線水源在長距離輸送過程中存在一定的污染風(fēng)險；另外多水源供水格局下存在水源切換的可能性，這對水處理工藝的適應(yīng)性和穩(wěn)定性提出了更高的需求。

為有效應(yīng)對以上問題，天津市某水廠經(jīng)過技術(shù)比選確定了預(yù)氧化-混合-澄清-超濾的擴建工程，該工藝已于2020年投入生產(chǎn)。為高效穩(wěn)定運行該組合工藝，筆者利用相應(yīng)的中試裝置對組合工藝的關(guān)鍵性運行參數(shù)進行優(yōu)化，以期為水廠生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置和方法

試驗裝置設(shè)在天津某水廠內(nèi)，設(shè)計規(guī)模為3 m3/h。試驗階段進水取自水廠預(yù)沉池，為南水北調(diào)引江水，工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程示意Fig.1 Schematic drawing of process flow

在設(shè)計規(guī)模運行條件下，臭氧柱接觸時間為3 min。一級和二級混合池停留時間均為1 min。上向流脈沖澄清池是污泥層式絮凝澄清池，并配備斜管以強化澄清效果，該池集絮凝、沉淀、澄清、吸附功能于一體，可以作為普通澄清池運行，在投加粉末活性炭時也可以作為上向流炭吸附澄清池運行。超濾膜系統(tǒng)采用死端過濾，膜面積為80 m2，設(shè)計通量為40L/(m2·h)，運行周期為60 min，其中過濾57 min，空氣沖洗40 s，氣水同時沖洗50 s，反沖洗水放空50 s，進水時間40 s，每周進行一次維護性清洗，持續(xù)時間為30 ～60 min，6～12個月進行一次恢復(fù)性清洗，PLC控制系統(tǒng)每20 min自動采集一次膜組件的進水壓力和出水壓力。

試驗中混凝劑包括三氯化鐵 (FeCl3) 、聚合氯化鋁 (PAC) ，助凝劑包括泡花堿，均為水廠生產(chǎn)用藥劑。當(dāng)僅投加一種混凝劑(包括FeCl3+泡花堿)時，混凝劑通過計量泵投加至一級混合池之前；投加FeCl3和PAC兩種混凝劑時，PAC投加在一級混合池之前，F(xiàn)eCl3投加在二級混合池之前。臭氧通過臭氧發(fā)生器投加至預(yù)臭氧接觸柱底部，投加量主要依靠調(diào)節(jié)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的氣體臭氧濃度進行調(diào)節(jié)。粉末炭取自水廠應(yīng)急用粉末炭，將其在加藥罐中配制成一定濃度的混合液，并采用攪拌槳不停攪拌，利用計量泵將粉末炭懸濁液投加至二級混合池中。

試驗中每種運行模式下運行2～3 d，取樣次數(shù)不少于3次，記錄原水溫度和pH，分別取各個處理單元的出水測定水樣濁度、TOC、CODMn和UV254。

1.2 分析項目與方法

pH：在線檢測儀，HACH SC200測定；濁度：HACH 2100Q便攜式濁度儀測定；CODMn：酸性高錳酸鉀法測定；UV254：普析通用T6紫外可見光分光光度計；TOC：Shimadzu TOC-L CPH型分析儀測定；氣態(tài)臭氧： IDEAL-2000型臭氧在線檢測儀；跨膜壓差：壓力表在線檢測膜組件進出水壓力。

1.3 原水水質(zhì)

試驗時間為2017年3—6月，其中3—5月開展混合單元和預(yù)臭氧單元優(yōu)化試驗，6月開展澄清池單元優(yōu)化試驗，原水水質(zhì)如表1所示。

表1 原水水質(zhì)Tab.1 Quality of raw water

2 結(jié)果與討論

2.1 混合單元運行優(yōu)化

混合單元運行優(yōu)化主要包括兩級機械混合池的攪拌強度優(yōu)化和混凝劑種類及投加量的選擇。

根據(jù)機械混合池攪拌速度設(shè)計參考值70～150 r/min，選擇3組不同的混合池攪拌速度，分別為70～80、98、140～150 r/min，其對應(yīng)的攪拌強度分別為200～250、350、600～670 s-1。從圖2可以看出，不同攪拌速度下對濁度的去除效果存在差異，攪拌速度為98 r/min時濁度去除效果最佳，澄清出水濁度去除率達到90.6%。140～150和70 ～80 r/min攪拌速度下，濁度去除率分別為87.5%和85.6%。攪拌速度并非越大越好，該機械混合池選用98 r/min的攪拌速度可以取得較好的混合效果，更利于后續(xù)工藝對濁度的去除。

圖2 混合攪拌速度對濁度去除的影響Fig.2 Effect of mixing speed on turbidity removal

結(jié)合水廠生產(chǎn)實際，試驗中采用FeCl3、FeCl3+泡花堿(混合液中SiO2與FeCl3質(zhì)量比約為10)、PAC、PAC+FeCl3這4種混凝劑組合，每種類型選擇不同的投加量共形成11種投加方式進行混凝劑優(yōu)化試驗：1#，4 mg/L FeCl3；2#，6 mg/L FeCl3；3#，8 mg/L FeCl3；4#，10 mg/L FeCl3；5#，6 mg/L(以三氯化鐵計) FeCl3+泡花堿混合液；6#，8 mg/L(以三氯化鐵計) FeCl3+泡花堿混合液；7#，2 mg/L PAC；8#，4 mg/L PAC；9#，6 mg/L PAC；10#，2 mg/L PAC+4 mg/L FeCl3；11#，3 mg/L PAC+3 mg/L FeCl3。投加混凝劑的原水從混合池進入真空室并以脈沖形式進入澄清池，在脈沖進水的同時完成了絮凝過程，水中的絮體顆粒凝聚集結(jié)并形成污泥層，水流穿過污泥層時會發(fā)生碰撞、接觸、吸附，達到凈化水質(zhì)的目的。通過考察澄清池出水濁度比較混凝劑的處理效果，結(jié)果如圖3所示。

圖3 混凝劑種類及投加量對濁度去除的影響Fig.3 The influence of coagulant type and dosage on the removal of turbidity

從圖3可以看出，單獨采用FeCl3作為混凝劑時對濁度的去除率較低，F(xiàn)eCl3從4 mg/L增加至10 mg/L，濁度去除率從27.8%升高至34.6%，出水濁度由0.80 NTU降低為0.56 NTU。采用FeCl3和泡花堿的組合方式，對濁度的去除效果要顯著高于相同投加量下的FeCl3，濁度去除率提高為53.1%～53.6%，且6與8 mg/L鐵堿投加量下的處理效果差別不大。單獨采用PAC作為混凝劑，對濁度的去除效果受投加量影響顯著，2 mg/L PAC反而造成澄清池出水濁度升高，4和6 mg/L的PAC可以使澄清出水濁度降低至0.30 NTU左右，去除率為76.9%和79.2%。采用PAC和FeCl3的組合方式可以獲得較好的去除效果，2 mg/L PAC+4 mg/L FeCl3對濁度的去除率為85.6%，3 mg/L PAC+3 mg/L FeCl3對濁度的去除率為86.9%。考慮到PAC的單價明顯高于FeCl3，后續(xù)混凝劑投加量選擇2 mg/L PAC+4 mg/L FeCl3。

2.2 澄清單元運行優(yōu)化

澄清池單元的優(yōu)化主要考察進水液面負荷和粉末炭投加量。根據(jù)設(shè)計規(guī)模和實際運行條件，澄清池進水流量分別選用2.5，3.5和3.8 m3/h，即設(shè)計規(guī)模的83%、117%和127%，其相應(yīng)的液面負荷分別為2.67，3.74 和4.06 m3/(m2·h)。不同進水流量對澄清池出水和超濾膜出水水質(zhì)的影響如圖4所示。

從圖4可以看出，進水流量由2.5 m3/h增加為3.5 m3/h，澄清池對濁度、UV254、TOC、CODMn的去除率分別由86.5%、18.5%、31.4%和31.1%降低為83.8%、18.0%、21.2%和28.5%，繼續(xù)增大進水流量到3.8 m3/h，濁度、UV254、TOC、CODMn去除率進一步降低為77.9%、16.7%、18.4%和19.7%，說明進水負荷增加不利于澄清池出水水質(zhì)的控制。當(dāng)要求提高澄清池出水水質(zhì)時，可以考慮通過降低進水負荷的方式，但要結(jié)合經(jīng)濟性和產(chǎn)水量的需求。對于組合工藝而言，超濾膜出水濁度可以穩(wěn)定在0.1 NTU以下，去除率均在98%左右，基本不受澄清出水濁度的影響，這是由于水中濁度物質(zhì)的去除主要依靠超濾膜本身[1]。超濾膜主要憑借其微小孔徑對水中顆粒性物質(zhì)進行篩濾分離，可以截留水中絕大部分的懸浮物、膠體、細菌甚至是病毒，使超濾出水水質(zhì)優(yōu)異且穩(wěn)定[2]；當(dāng)進水流量達到3.8 m3/h時，超濾出水中UV254、TOC、CODMn的去除率均出現(xiàn)明顯下降。綜上可知，選用3.5 m3/h的澄清池進水流量既可以保障出水水質(zhì)又可以充分利用該組合工藝的處理能力，不建議采用3.8 m3/h長期運行。

圖4 澄清池進水流量對組合工藝處理效果的影響Fig.4 The influence of inlet flow of pulse clarifier on the effect of combined process

對于水源切換或者原水水質(zhì)存在有機污染的情況下，可以在脈沖澄清池前端投加粉末炭，使其成為炭吸附澄清池。粉末炭在泥渣層停留過程中可以與水中的有機物接觸吸附，提高對有機物的去除[3]，但是粉末炭投加量過低時吸附效果不顯著，如果過高會出現(xiàn)泥渣層截留能力有限使粉末炭隨出水大量流出的情況。為此，考察對比了不同粉末炭投加量對澄清池出水和超濾膜出水水質(zhì)以及超濾膜污染的影響，結(jié)果見圖5。

從圖5可以看出，與不投加粉末炭相比，投加5和10 mg/L粉末炭時組合工藝的澄清出水和超濾出水對濁度的去除率相差不大，澄清出水濁度去除率在80%～91%，超濾出水濁度去除率均在98%左右。提高粉末炭投加量至20 mg/L時，澄清出水濁度出現(xiàn)明顯升高的情況，甚至超出原水濁度，但經(jīng)過超濾處理后出水濁度仍低于0.1 NTU，去除率在97%以上，這主要是由于澄清池泥渣懸浮層可以有效截留10 mg/L及以下的粉末炭，而20 mg/L粉末炭投加量超出了澄清池懸浮泥渣層的截留能力，出水中殘留較多粉末炭，經(jīng)過超濾過濾后又可以將這些未被澄清池截留的炭粉有效分離。對于水中有機物的去除，澄清出水和超濾出水中的UV254去除率均隨著粉末活性炭投加量的增加而逐漸升高，這表明粉末活性炭能夠有效吸附水中可以產(chǎn)生紫外吸收的這部分有機物；超濾工藝對TOC的去除隨著粉末活性炭投加量的增加逐漸增強，這主要是由于粉末活性炭可以吸附部分有機物，而超濾的高效截留作用又可以對這部分粉末活性炭進行有效截留，進而使吸附在粉末活性炭上的有機物也隨之被去除；投加粉末炭并沒有明顯提升對CODMn的去除效果，當(dāng)粉末炭投加量達到20 mg/L時，澄清出水耗氧量測定值反而出現(xiàn)明顯升高，這主要是由于20 mg/L粉末炭投加量超出了澄清池的截留能力，出水中含有較多炭粉所致。

圖5 粉末炭投加量對組合工藝處理效果的影響Fig.5 The influence of powder carbon dosage on the effect of combined process

有研究表明，投加粉末炭能有效降低膜過濾阻力[4]，也有研究認為粉末炭會粘附在膜表面造成膜過濾總阻力增加。從圖6可以看出：不投加粉末炭條件下，超濾膜跨膜壓差(TMP)在18.57～19.90 kPa，在1 000 min(約17個運行周期內(nèi))內(nèi)出現(xiàn)一定程度的升高。投加5 mg/L粉末炭后TMP在19.60～20.91 kPa，相比無炭條件下有一定程度的升高。投加10 mg/L粉末炭后，TMP在19.27～20.69 kPa，雖略高于無炭條件下，但低于5 mg/L粉末炭投加量時。投加20 mg/L粉末炭后其跨膜壓差在18.68～19.97 kPa，隨著運行時間增加略微降低。試驗中投加少量的粉末炭在一定程度上提高了跨膜壓差，繼續(xù)增大粉末炭投加量反而減小了跨膜壓差的增加幅度，且水力反洗可以將跨膜壓差維持在相對穩(wěn)定狀態(tài)，說明投加粉末炭可以控制超濾膜的不可逆污染，這很可能是由于疏水性有機物是造成超濾膜不可逆污染的主要因素[5]，而粉末炭可以吸附疏水性有機物。

圖6 粉末炭投加量對跨膜壓差的影響Fig.6 The influence of powder carbon dosage on TMP

綜上可知，澄清單元投加10 mg/L及以下濃度的粉末活性炭對水中UV254和TOC的去除有利，可以保持濁度和CODMn的穩(wěn)定去除，且不會顯著增加超濾膜的膜污染。投加20 mg/L粉末活性炭會超出澄清池懸浮泥渣層對顆粒物的截留能力，但是經(jīng)后續(xù)超濾膜過濾后仍可以保障對濁度和有機物的有效去除，且不會增加膜污染。因此，澄清單元的日常運行可投加不超過10 mg/L粉末活性炭，當(dāng)水源出現(xiàn)突發(fā)有機污染情況時改為投加20 mg/L粉末活性炭，提高組合工藝對水中有機物的去除能力。

2.3 預(yù)氧化單元運行優(yōu)化

當(dāng)原水水質(zhì)變化或者存在有機物污染時，除了在澄清池前投加粉末炭外，采用臭氧預(yù)氧化也是常用的處理方法?？疾觳煌粞跬都恿繉M合工藝處理效果和超濾膜跨膜壓差的影響，結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 臭氧投加量對組合工藝處理效果的影響Fig.7 The influence of ozone dosage on the treatment effect of combined process

從圖7可以看出，預(yù)臭氧對濁度的去除影響不大，且超濾出水濁度可以保持在較低水平。隨著臭氧投加量的增大，UV254去除率逐漸升高，這主要是由于UV254表征的是水中含不飽和鍵的有機物[6]，而臭氧預(yù)氧化具有較強的選擇性，對含有不飽和基團的有機物具有更強的破壞能力，從而使UV254去除率提高，因此臭氧預(yù)氧化有利于控制出水氯化消毒風(fēng)險[7]。TOC反映了水中有機物濃度的總體水平，澄清池出水中TOC的去除率隨著臭氧投加量增大而有所降低，這是因為臭氧可以將水中部分顆粒態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為TOC，經(jīng)過超濾處理后水中TOC可以得到進一步去除，其總?cè)コ逝c無臭氧條件下差別不大。臭氧投加量的增大并沒有提高澄清池出水中CODMn的去除率，這很可能是由于隨著臭氧投加量的增大，水中有機物的形態(tài)和性質(zhì)發(fā)生變化，影響澄清池懸浮層對其截留粘附效果，造成澄清出水中CODMn去除率反而降低。經(jīng)過超濾處理后，CODMn去除率有一定程度的提高，仍略低于無臭氧條件時，這很可能是由于臭氧增加了親水性有機物含量，而超濾膜對其截留效果有所降低。綜上可知，為去除水中UV254類污染物及其他類似有機污染物，采用臭氧預(yù)氧化將是有效的方法。

從圖8可以看出，運行初期有預(yù)臭氧時的超濾膜跨膜壓差略高于無預(yù)臭氧時。隨著運行時間的增加，無臭氧條件下跨膜壓差逐漸升高，在1 200 min左右時基本與投加臭氧時一樣；不同臭氧投加量對跨膜壓差的變化影響不大，且能使跨膜壓差基本保持穩(wěn)定，說明在1.8 mg/L以內(nèi)的臭氧投加量不會對超濾膜產(chǎn)生顯著的不利影響。

圖8 臭氧投加量對跨膜壓差的影響Fig.8 The influence of ozone dosage on TMP

3 結(jié)論

針對預(yù)氧化-混合-澄清-超濾組合工藝進行參數(shù)優(yōu)化，以獲取工藝運行最佳參數(shù)，以期指導(dǎo)生產(chǎn)實際，主要得到以下結(jié)論。

① 對于混合單元，過低或過高的攪拌速度均不利于水中濁度的去除，當(dāng)一級和二級混合攪拌均采用98 r/min(G=350 s-1)的攪拌速度時，澄清工藝對濁度的去除效果最好；對于引江水，采用PAC和FeCl3組合方式對澄清池出水濁度的去除效果較好，在保障去除效果的基礎(chǔ)上綜合考慮經(jīng)濟性，選擇2 mg/L PAC+4 mg/L FeCl3作為工藝運行中的混凝劑。

② 對于澄清池單元，選用3.5 m3/h的進水流量既可以保障出水水質(zhì)又可以充分利用該組合工藝的處理能力，不建議采用3.8 m3/h長期運行，在有特殊水質(zhì)要求情況時可以考慮降低進水負荷。投加10 mg/L及以下濃度的粉末活性炭有利于去除UV254和TOC，可以保持對濁度和CODMn的穩(wěn)定去除，且不會顯著增加超濾膜的膜污染。投加20 mg/L粉末活性炭會超出澄清池懸浮泥渣層對顆粒物的截留能力，但是經(jīng)后續(xù)超濾膜過濾后仍可以保障對濁度和有機物的有效去除，且不會增加膜污染。日常運行可考慮投加10 mg/L及以下濃度的粉末活性炭，當(dāng)水源出現(xiàn)突發(fā)有機污染情況時，可考慮投加20 mg/L粉末活性炭，提高組合工藝對水中有機物的去除能力。

③ 對于預(yù)臭氧單元，投加臭氧可以顯著提高水中特定類型有機物(如在254 nm下具有吸收峰的含有不飽和鍵的有機物)的去除效果，且能保持其他水質(zhì)指標和超濾膜運行的相對穩(wěn)定。因此，對于預(yù)臭氧單元來講，建議日常運行的臭氧投加量為0.5～1 mg/L；當(dāng)水源受到特定污染物污染時，可提高臭氧應(yīng)急投加量至2 mg/L。