无过滤强化混凝技术在农村分散供水中的应用

2010-04-25孙长贵孙晓云鄂学礼

中国水利 2010年19期

孙长贵，孙晓云，鄂学礼

（1.北京太阳河环境技术有限公司，100096，北京；2.中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所，100050，北京）

混凝技术是水处理中广泛使用的一项技术，原水普适性强，能去除水中的绝大多数颗粒。以混凝为基础形成的常规水处理技术为混凝—沉淀—过滤—杀菌，其典型的水处理设备是涡流絮凝池。这种混凝方式和高负荷的过滤，使得净水设备体积大，重量大，动力高，成本高，维护困难，并且对原水有一定的局限性。

无过滤强化混凝技术对传统的混凝技术作了较大的改进和提高，不仅较大地改善了出水水质，而且较大地拓展了原水的适应性和针对性，为以天然水为原水的净水设备的广谱化、小型化、可控化、低成本化开辟了途径。

一、混凝技术介绍

1.循环混凝技术

混凝过程一般包括加药—混合—絮凝3个阶段。循环混凝技术是将絮凝再分为初絮凝和终絮凝两个阶段。在初絮凝阶段，一部分大的颗粒在絮凝剂的作用下会迅速长大而沉淀；但大部分絮核经过短时间的絮凝长大，还没有达到可以沉淀的程度。循环混凝技术是将达到初絮凝阶段的水再次加药—混合—初絮凝，并循环多次（见图1）。根据絮花成长规律，絮花在初始阶段成长很慢，但到了一定时期则会快速成长。根据分形理论和絮体的破碎试验，只要将混合时间和强度控制在一定条件下，多次短时间（10秒左右）的高速混合并不会显著增加初絮凝体的分形维数，破碎重组后的絮体尺寸也能恢复到初次絮凝尺寸的80%以上。因此，将初絮凝阶段控制在絮花快速成长以前，多次混凝的絮花尺寸虽然会有一定程度的降低，但强度和密度会增加，仍可以沉淀。与传统的一次混凝相比，循环混凝有以下明显的优点：

图1 循环混凝技术示意图

①循环混凝相当于使水流中的大小粒子混合后经过了多级涡流池，避免了一级长时间涡流混合时大小粒子分离，为大小粒子提供了更多的离心碰撞机会。②再次进入混合管中的是经过初絮凝的絮体，比第一次的大。根据混凝理论，粒子剪切碰撞的概率与粒子粒径的3次方成正比，离心碰撞机会与粒子粒径的3/2次方成正比，因此，可大大提高与微型颗粒的碰撞概率。③在每次重复混合前加药，相当于增加了混合的累计时间，促使更多的胶体粒子脱稳和凝聚。④与涡流搅拌池的整体搅拌相比，分段搅拌方式提高了混合的强度，降低了动力需求，有利于设备的小型化。

总之，循环混凝较大地提高了混合的质量，特别是对微小粒子的混合效果明显，有利于降低出水浊度和袪除各种微生物甚至病毒。当然，循环混凝会使絮花多次破碎重组，最后的絮花相对较小，分形维数较高，再长大成为更大絮花的速度要慢一些。因此，循环混凝提高了混合的质量，但却在一定程度上降低了絮凝的质量，使絮凝后的沉淀需要更长的时间。

2.微型加药/气技术

微型加药/气技术又称“滴加药技术”。它可以在一边加药的同时，另一边同时加入空气，典型结构是双加入口的十字形射水器。其加药量以滴/s计量，可以方便人工计量和调整（一般药速在0.5～4滴/s之间时，肉眼可以清楚计量），结构简单，生产成本非常低。同时，因其加药量很低，可以在不增加水阻情况下，加药同时大量加入空气，有利于置换出水中的异味，降低化学需氧量（COD），特别是可以促进水中铁锰的氧化，为处理高含量的铁锰地下水创造了条件。

3.表面重复混凝技术

化肥的大量使用使得农村水质富营养化，产生大量的藻类和微生物；有的地方，地下水中还存在大量的油类物质。对这些水，采用传统的混凝技术会产生不稳定的中清液。常用的办法是在处理前先进行特别的处理，如加药袪除藻类等。

表面重复混凝技术是将经过混合的水不停地布洒在絮凝水体的表面，对上浮到表面的絮体进行重复扰动和混凝。循环混凝使得表面混凝可以重复进行，从而达到更好的效果。实践证明，采用表面重复混凝，处理较差水质也可以直接得到稳定的上清液。

二、无过滤强化混凝技术

无过滤强化混凝技术是在循环混凝技术、微型加药/气技术和表面重复混凝技术基础上综合形成的一种强化混凝技术。由于传统混凝一般分为加药—混合—絮凝3个阶段，而混合与絮凝一般可以理解为两级涡旋（Rotation）的方式，因此，传统混凝可以称为1A/2R混凝技术。无过滤强化混凝技术是在加入药剂的同时加入空气,并在传统两级旋转的基础上，增加循环混凝（Re-circleTreatment）和表面重复混凝（Surface Re-flocculation）。因此，无过滤强化混凝技术又可称之为2A/4R强化混凝技术。

与传统的混凝技术比较，无过滤强化混凝技术有以下优点：

①出水水质有了明显的提高。在不用过滤的情况下，就可以使出水水质达到2NTU左右，袪菌率达90%以上，为无过滤的水处理奠定了基础。②较大地拓展了适用原水的范围。增加表面重复絮凝技术和滴加药/气技术后，混凝也可以直接处理高铁锰地下水、藻类水、高微生物水以及部分微污染水。③增加了控制可调参数。与传统涡旋混凝池相比，2A/4R强化混凝技术增加了循环次数、各次循环时间、加药速度等可控参数，为不同的水种和水质有针对性地进行设计和选择处理工艺提供了可能。④降低了对处理动力的需求，为设备小型化和低成本化创造了条件。⑤延长了设备的使用寿命。由于不用过滤，设备的使用寿命可以大大延长。

当然，无过滤强化混凝技术需要较复杂的控制技术，其混凝和后续沉淀都需要更长的时间，因此，更适合于间歇式的水处理方式。

三、无过滤强化混凝技术在农村分散供水中的应用

无过滤强化混凝技术为天然水处理设备的原水广谱化、小型化、低成本化、处理工艺方便可调创造了条件。这些技术优势，使其可以广泛应用到农村分散供水的水处理设备中。北京太阳河公司以此技术为基础，采用无过滤强化混凝—沉淀—紫外线杀菌的水处理流程，研发生产的杀菌净水设备和小型救灾应急水处理设备已经开始推向市场，其处理各种复杂天然地表水和地下高铁锰水的能力已经得到多个地方卫生疾控部门的检验证实。

一般肉眼可观察到的加药速度为0.5～4滴/s。因此，根据滴加药/气技术，无过滤强化混凝技术适用于产水量在10t/d以下的自来水处理设备，特别是1t/d以下的家用自来水处理设备。

1.在浊度水处理中的应用

对含大颗粒物质的高浊度水，传统混凝技术都有很好的效果。但对低浊度水，传统混凝一般要求先加入高硅藻土等提高浊度，再进行混凝。无过滤强化混凝的前一轮混凝对后面混凝起到了浊化的作用，因此，也可以直接处理低浊度原水。对含微小颗粒较多的浊度水，无过滤强化混凝可以借助其多轮循环混凝，增加各种粒子的碰撞概率，因此出水效果更优。

2.在地下铁锰水处理中的应用

传统的混凝可以处理1.5mg/L以下低含量的铁锰地下水，但对高铁锰地下水则难以处理。无过滤强化混凝技术在加药时自动加入了大量的空气，将空气与水进行了充分搅拌，并且可以采用分段强化的混凝工艺。如对一些地方出现的含H2S的地下水，可以采用先曝气再加药的方式。检测结果表明，无过滤强化混凝技术可以将含量为11.9 mg/L的地下铁水处理成0.11mg/L。