呼延水厂混凝沉淀强化工艺技术的中试研究

马永强 徐明德

(1.太原理工大学，山西 太原 030024;2.太原市自来水公司，山西 太原 030009)

1 概述

呼延水厂原水取自万家寨黄河水，经由汾河一库，因停留时间过长，水中大部分杂质下沉到库底，浊度也显著降低，在冬季形成较难处理的低温低浊水。汾河一库水中藻类含量低，原水水质全年变化不大，温度、浊度夏季比冬季略有升高。

水厂采用常规给水处理工艺，通过对混合、反应、沉淀、过滤工艺的参数进行校核，并从理论上分析流速、剪切强度、反应时间、水头损失的合理性，在前期实验室小试与药剂质量分析的基础上确定强化絮凝的中试方案。

2 中试方案概要

2.1 原水水质

试验原水为呼延水厂滤池反冲洗水回流与水厂原水的混合水。水质指标见表1。

表1 原水水质指标

2.2 工艺流程

工艺流程见图1。

2.3 设计参数

设计参数见表2。

图1 水处理工艺流程

表2 设计参数

2.4 试验药剂

混凝剂选用市售PAC、水厂自制PAC原液(以下简称水厂原液)及其稀释液(以下简称水厂稀释液)，助凝剂选用PAM和活化硅酸。

3 结果与讨论

3.1 混凝剂的优选

由图2明显可以看出，市售PAC效率最高，投加量3 mg/L左右时便能使沉后水浊度降低到1 NTU以下。但是，由于制造原材料和制造工艺的原因，市售PAC药剂质量不稳定，含有杂质多，有害物质含量相对高。而水厂稀释液在最佳投药量下沉后水浊度为0.94，略高于市售PAC的0.71 NTU 和水厂原液的0.74 NTU，但是从经济、运行方面考虑，水厂稀释液效率高，而且配制方便，况且和市售PAC相比，水厂稀释液能使沉后水余铝得到有效控制，供水水质更为安全。目前投药量为1.80 mg/L(Al2O3计)，浊度在1.4 NTU上下浮动。

图2 三种混凝剂混凝效果对比图

经过比选，水厂稀释液的单独使用效果在三种混凝剂中表现最佳。

3.2 助凝剂的优选

如图3所示，混凝剂投加量在1.59 mg/L(Al2O3计，相当于水厂目前实际投加量)时，我们分别投加了4种不同类或浓度的助凝剂，在其作用下，出水浊度没有明显变化，而且，以PAM为例，进行投加量的试验时，降低其投加量，反而使出水浊度降低。

图3 水厂稀释液为混凝剂时不同助凝剂不同投加量的助凝效果对比

由此可见，助凝剂的投加量对沉后水浊度在一定范围内不会产生影响。根据助凝剂自身的作用机理，助凝剂投加点的选择对出水影响却有明显不同。

3.3 混凝剂、助凝剂与出水水质关系的讨论

1)混凝剂对出水水质起决定性作用，助凝剂起辅助作用。须强调的是，助凝剂的作用机理主要通过吸附架桥作用使水中已形成的细小矾花聚集而利于沉降，它并不能取代混凝剂，使水中胶体脱稳凝聚。

2)混凝剂投加量与余铝。出水残余铝来源:a.天然水体中的溶解铝;b.给水处理中的铝盐混凝剂。投加铝盐混凝剂在经过一系列地表水常规工艺后，一方面药剂自身所含的铝元素会留在水体中;另一方面在絮凝作用下，水体中铝元素会随其他杂质一起从水中分离。两方面作用各自影响出水残余铝最终含量，哪个作用更强，哪个影响就是主导因素，出水残余铝就由它决定。

3)出水浊度与余铝。天然水中含有一定量的铝，然而饮用水中的铝主要来自混凝剂，投药量对沉后水浊度和残余铝的影响都很大，而且两者所对应的最佳投药量基本上保持一致，所以控制好投药量显得尤为重要。

3.4 试验工艺的能耗变化讨论

试验中对各池反应段的水头损失变化情况进行了测定。结果表明，在确保出水水质情况下，中试设备与水厂原有混凝工艺能耗相比水头损失下降了75%左右。也就是说，保持水头损失不变，中试设备提供了更大的过水能力。而且，处理效果也优于水厂现行工艺，能耗低，效率高，发展潜力大。

3.5 试验工艺与实际工艺的剪切对比说明

中试设备采用的絮凝网格技术，主要是通过调整网格孔眼的尺寸大小来控制絮凝速度和弗劳德数Fr(Fr=v2/Rg)，来提供良好的水力条件，使絮体颗粒合理有效碰撞。有利于形成密实而且粗大的矾花，从而实现良好的沉降。

通过对水厂絮凝工艺进行沿程布点，监测其Fr，结果发现水流剪切强度波动大且分布不均匀，变化无规律，导致已形成的矾花再次破碎(剪切力过大)，细小矾花难以聚合(剪切力过小)，出水效果很不理想。

4 结论与建议

1)试验设备完全依照水厂实际工艺设计，可为工程实施提供模拟条件。

2)最佳工况点:水厂稀释液(0.24 mL/L)+PAM(0.5 mg/L)，其中，0.24 mL/L 水厂稀释液相当于 5.77 mg/L(Al2O3计)，此投加量约为水厂当前投加量的3倍，在最佳工况点运行时，出水浊度不大于1.0 NTU。

3)能耗方面，絮凝池水头损失仅23 cm，水厂絮凝池水头损失平均为100 cm左右，可见，中试设备高效低耗，节能达75%以上。

4)中试设备形成矾花颗粒大而密实。水厂絮凝池池末端矾花直径为0.32 mm～0.41 mm，而中试设备絮凝池池末端矾花直径达1.72 mm，是水厂的4倍～5倍。且设备各竖井内矾花分形维数变化平稳，絮凝池末端分形维数为1.66，矾花密实。

5)利用动力学条件控制，中试设备在低温低浊期正常情况下，可使沉后水浊度小于1.0 NTU。

6)建议从调整水厂工艺参数入手，着重改造混合、絮凝、沉淀及其相关工艺。

7)在工程改造设计中，充分利用水厂原有工艺构筑物，尽量采用工艺先进，建设投资少，占地面积小，维护管理简单，运行可靠，处理成本低的处理技术及适合本工程的先进设备。

中试试验结果表明，用中试设备所采用的强化混凝工艺来处理低温低浊的黄河水是行之有效的，使用该工艺不仅可以降低药剂单耗、提高出水水质，还可以保证出水水质的稳定，保障供水安全，降低运行成本，降低运行管理难度，实现良好的经济效益和社会效益。