变速沉淀对水中浊度和微颗粒的控制

任鹏飞 南 军 郑 凯

(哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090)



水·暖·电

变速沉淀对水中浊度和微颗粒的控制

任鹏飞 南 军 郑 凯

(哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090)

根据干扰沉降原理，研究了变速沉淀控制水中浊度和微颗粒的效能，并对变速沉淀的运行机制进行了分析，试验结果表明，变速沉淀可以有效降低水中浊度并控制微颗粒数量，具有广阔的工程应用前景。

变速沉淀，悬浮层，微颗粒，浊度

0 引言

絮凝和沉淀是给水处理中的重要工艺过程，用于去除水中的悬浮物和颗粒物质。水中的颗粒包括砂粒、泥土、有机和无机污染物、胶体、微生物等，按照粒径大小分为三类[1]：可见颗粒，粒径大于10 μm；微颗粒，粒径为0.25 μm～10 μm；超显微颗粒，粒径小于0.25 μm。前期研究表明，粒径为2 μm～10 μm的微颗粒很难通过絮凝沉淀工艺去除，并且，微颗粒无法被通过浊度反应[2,3]。戴捷等提出2 μm～3 μm的颗粒数量变动可以作为滤池反冲洗的标志[4]。李浩宇的研究中也发现，2 μm～10 μm的微颗粒对过滤工艺的反冲洗时间有明显的影响，且2 μm～5 μm的颗粒与浊度相关性较差，需要单独控制[5]。另外，沉淀主要用于去除水中的悬浮物，但对微颗粒的去除效果有一定的局限性[6,7]。为了提高沉淀工艺对微颗粒的去除效能，本文根据干扰沉降原理，设计一种新型的变速沉淀工艺，以实现对微颗粒和浊度的双重控制。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

试验原水为高岭土(分析纯)和腐殖酸(分析纯)的混合水样，高岭土浓度为76.8 mg/L，腐殖酸浓度为2.0 mg/L。原水浊度为(100±5)NTU，pH为7.3～7.8，水温为15 ℃。絮凝剂为聚合氯化铝(PAC，分析纯)。

本试验采用连续流絮凝—沉淀反应器，如图1所示。絮凝阶段包括4个相同的絮凝单元，每个单元的长×宽×高为200 mm×200 mm×300 mm，有效容积为10 L。其中，絮凝单元A区为快搅混合池，速度梯度为548 s-1。絮凝单元B区、C区和D区为絮凝过程，搅拌速度依次降低，速度梯度分别为69 s-1,32 s-1,15 s-1。絮凝池的设计流量为2 L/min，设计停留时间为20 min。沉淀池的长×宽×高为450 mm×600 mm×350 mm，有效容积为80 L，设计停留时间为40 min。沉降池分为布水区E区，沉淀区F区和清水区G区。

变速沉淀(如图2a)所示)设置在沉淀池F区中，分为三层：下层斜板，中层颗粒悬浮单元和上层斜板。每层高度均为40 mm。下层斜板和上层斜板的斜板垂直间距均为5 mm，高度均为40 mm。中层颗粒悬浮单元的结构如图2b)所示。悬浮单元的侧壁倾角为60°，悬浮单元最宽处横截面是最窄处的3倍。当水流从下方进入单元内时，流速为v1。随着水流向上流动，最宽处时水流速度降低至v1/3。经过最宽处后，流速逐渐加快，到达出口时，流速恢复至v1，从而起到改变流速的效果。

本研究将变速沉淀和传统斜板沉淀进行效能对比，斜板沉淀试验中在反应器F区安装垂直高度为120 mm的斜板，斜板倾角为60°，斜板垂直间距为5 mm。

1.2 分析方法

本试验采用MICROTOL散射光型浊度仪(测量范围0.01 NTU～1 000 NTU)和为PCX2200光阻型颗粒计数仪(检测粒径范围2 μm～600 μm，工作流速100 mL/min，工作温度范围0 ℃～50 ℃)对沉淀池内各区域的浊度和颗粒进行监测。

2 结果与讨论

2.1 变速沉淀对水中浊度和微颗粒的控制效果

图3为沉淀池E区(布水区)中的微颗粒分布。试验数据表明，PAC投加量为1 mg/L～5 mg/L时，随着PAC浓度的增加，布水区的微颗粒(2 μm～10 μm)数量先降低后增加，<5 μm的微颗粒占主要成分。

图4为三种典型投药量下变速沉淀与斜板沉淀对微颗粒的去除效果对比。由试验数据可知，变速沉淀对水中<10 μm的颗粒去除效果显著高于斜板沉淀。投药量为1 mg/L,3 mg/L和5 mg/L时，变速沉淀对微颗粒的去除效能比斜板沉淀分别增加了41.73%,26%和77.93%。根据图3数据所示，3 mg/L投药量下沉淀池布水区的颗粒数量低，在颗粒悬浮单元内的微颗粒数量相应较低，低颗粒浓度使这些微颗粒有足够的空隙从颗粒悬浮单元内逃逸。而投药量为1 mg/L和5 mg/L时，进入悬浮单元的颗粒浓度较高，颗粒发生碰撞的几率也高，因而被大颗粒吸附而停留在颗粒悬浮单元内的几率也有所升高。因此，沉淀清水区中的微颗粒数量下降明显。

图5为变速沉淀和斜板沉淀处理后出水的浊度。随投药量的升高，变速沉淀与斜板沉淀的沉后水的浊度均逐渐降低。当PAC投加量低于3 mg/L时，变速沉淀出水浊度低于斜板沉淀，当PAC投加量大于3 mg/L时，两种沉淀工艺的出水浊度基本保持一致。说明在低投药量条件下，变速沉淀池在浊度的去除方面有一定的优势。

2.2 变速沉淀的运行表征

图6为絮凝剂投加量为1 mg/L条件下，颗粒悬浮单元与沉后水中的浊度与颗粒变化。图6a)中，连续流反应器运行60 min～120 min时水中浊度增速较快，由37.55 NTU增加至52.91 NTU，这一阶段是悬浮单元的累积阶段。120 min后颗粒悬浮单元内的浊度稳定在53 NTU～54 NTU之间，反应器运行至稳定阶段。沉后水浊度从60 min的13.10 NTU逐渐降低至120 min的7.06 NTU。后续30 min的浊度稳定在7.0 NTU～7.1 NTU之间。图6b)中，颗粒悬浮单元的颗粒总数随着反应器的运行而逐渐升高，当悬浮层达到稳定状态时，颗粒总数约为8 500个/mL，说明颗粒悬浮单元内存在颗粒的累积过程。此时清水区的颗粒总数则逐渐减少，当颗粒悬浮单元内有颗粒的停留时，进入清水区的颗粒数量逐渐减少。同时，悬浮层中和清水区中<5 μm的微颗粒数量随着颗粒悬浮单元内的颗粒累积而逐渐减少，说明当颗粒悬浮单元内有颗粒的累积时，对微颗粒起到了一定的截留作用。

图7为絮凝剂投加量为5 mg/L时颗粒悬浮单元与沉后水中的浊度和颗粒变化。图7a)中颗粒悬浮单元内的浊度为30.95 NTU，高于投药量为1 mg/L条件下的同期水平。而沉后水的浊度则低于1.5 NTU。图7b)中，反应器中颗粒悬浮单元内的颗粒总数由第60分钟时的5 000个/mL快速累积至第120分钟时的8 000个/mL，说明在这一过程内，颗粒的累积效果比较好。随着悬浮单元内的颗粒累积，清水区的颗粒总数急剧降低，由60 min的3 000个/mL减少至600个/mL。悬浮层中<5 μm的微颗粒数量在60 min～120 min这一阶段也明显减少，说明悬浮单元中颗粒之间的碰撞粘附的几率高。清水区中<5 μm的颗粒个数控制在了500个/mL以下，说明当稳定的悬浮层出现时，对微颗粒的吸附截留效果较为明显。

3 结语

本文研究了变速沉淀控制水中浊度和微颗粒的效能，并对变速沉淀的运行机制进行了分析。当PAC投加量<3 mg/L时变速沉淀的浊度去除效能好于斜板沉淀，去除率提高20%以上。在PAC投加量>3 mg/L时，两种沉淀方式的浊度几乎相同。在微颗粒控制方面，变速沉淀显著好于斜板沉淀，当PAC为5 mg/L时，变速沉淀的微颗粒去除率较斜板沉淀提高了77.93%。当PAC投加量为5 mg/L时，稳定态悬浮单元内浊度可达31 NTU，颗粒累积量超过8 000个/mL，悬浮层形成效果较好。

[1] 郭晓敏.基于显微图像的颗粒计数方法研究[D].杭州：浙江大学,2014.

[2] McTigue N E. National assessment of particle removal by filtration[M].American Water Works Association,1998.

[3] Hargesheimer E E，McTigue N E，Mielke J L, et al.Tracking filter performance with particle counting[J].American Water Works Association.Journal,1998,90(12):32.

[4] 戴 婕，伍海辉，窦 茵,等.颗粒计数仪器在给水处理工艺中的应用探索[J].给水排水,2007,33(9):27-30.

[5] 李浩宇.给水处理工艺初级絮凝阶段表征及强化控制机制研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2014.

[6] Rubey W W. Settling velocity of gravel, sand, and silt particles[J]. American Journal of Science,1933(148):325-338.

[7] Mancell-Egala W A，Kinnear D J，Jones K L, et al. Limit of stokesian settling concentration characterizes sludge settling velocity[J]. Water research,2016(90):100-110.

The control of turbidity and micro-particle number by variable speed precipitation

Ren Pengfei Nan Jun Zheng Kai

(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)

According to hindered settling principles, the paper studies the efficiency of variable speed precipitation controlling water turbidity and micro-particle, and analyzes the operation mechanism of variable speed precipitation. The experimental results show that: variable speed precipitation can effectively reduce water turbidity and control micro-particle amount, which has wide engineering application prospect.

variable speed precipitation, suspension layer, micro-particle, turbidity

1009-6825(2016)27-0118-03

2016-07-15

任鹏飞(1984- )，男，在读博士

X703

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