原水高温高藻期强化集成工艺优化运行对比研究

2020-10-13张怡然张剑锋

供水技术 2020年3期

张怡然，张剑锋，赵宇

(1. 天津泰达水业有限公司，天津300457；2.天津泰达津联自来水有限公司，天津300457)

天津市饮用水原水可分为高温高藻、低温低浊和常温常浊3个水质期[1]。高温高藻期原水中的藻类数量剧增，有机物浓度增大，处理难度大大增加[2-3]。目前，常规水处理工艺已不能满足日益严格的饮用水水质标准，增加预氧化工艺和强化混凝等是保证出厂水水质达标的有效手段。

预氧化工艺是指在常规给水处理工艺前端投加氯等化学氧化剂，氧化分解原水中的部分有机物，强化常规处理效果[4-6]。给水处理的混凝过程主要涉及电中和、吸附架桥和网捕作用，这3种作用很难同时达到优化状态[7]。因此，通过混凝剂和助凝剂的复配投加来增强混凝效果，能够对浊度的去除有较大帮助。另外，混凝一般只能去除大分子量的有机物，而对小分子量有机物去除效果不佳。对分子量在500～3000 Da 的有机物，粉末活性炭有比较明显的吸附效果，与混凝组合强化处理能充分利用两者的互补性，在理论上是可行的。

笔者以高温高藻期原水为处理对象，在天津某水厂进行中试，比较脉冲澄清池系列的强化集成工艺与常规工艺的处理效果，以及斜管沉淀池系列强化集成工艺与脉冲澄清池系列强化集成工艺处理效果的差别，以期为北方地区水厂处理高温高藻水提供参考依据。

1 试验部分

1.1 原水水质

试验期间所采用的原水属于高温高藻期，其具体水质见表1。

表1 试验原水水质Tab.1 Quality of raw water

1.2 中试处理工艺及取样点

中试水厂的设计规模为3 m3/h ，其工艺流程如图1所示。

图1 中试水厂工艺流程Tab.1 Process flow of pilot test waterworks

中试前首先结合实际生产进行混凝小试，确定三氯化铁(FeCl3)、聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)等药剂的投加量，对比研究各中试工艺的处理效果。

工艺a：原水—FeCl3+PAC混凝—脉冲澄清—过滤。

工艺b：原水—预加氯—FeCl3+PAC混凝—PAM助凝—脉冲澄清—过滤。

工艺c：原水—预加氯—粉末活性炭强化—FeCl3+PAC混凝—脉冲澄清—过滤。

工艺d：原水—预加氯—粉末活性炭强化—FeCl3+PAC混凝—PAM助凝—脉冲澄清—过滤。

工艺e：原水—预加氯—粉末活性炭强化—FeCl3+PAC混凝—PAM助凝—斜管沉淀—过滤。

各工艺条件下的药剂投加量见表2。

表2 药剂投加量Tab.2 Dosages of chemical mg·L-1

每种工艺运行稳定后，取试验原水、滤前(脉冲澄清池或斜管沉淀池)出水及滤后出水检测其pH、色度、浊度、CODMn等水质指标，取样频次为每天2～3次。

1.3 分析项目与方法

浊度：HACH 2100N 浊度仪；pH：Mettler Toledo 320 型 pH 计；色度：铂-钴标准比色法(GB/T 5750.4—2006)；CODMn：酸性高锰酸钾滴定法(GB/T 5750.7—2006)。

2 结果与讨论

2.1 脉冲澄清池系列各工艺的处理效果

采用工艺a～d进行脉冲澄清池系列中试，测定原水、各工艺滤前(澄清池)出水和滤后出水的浊度和CODMn，结果见图2和图3。

由图2.b和图3.b可见，原水经过预加氯处理，并加入0.05 mg/L PAM阴离子作为助凝剂(工艺b)后，滤前出水和滤后出水的浊度比脉冲常规工艺有小幅度降低，平均去除率分别为92.4%和96.1%。但CODMn的去除效果有了显著提高，滤前出水和滤后出水的去除率分别为46.8%和51.7%。这说明，预加氯和投加PAM助凝剂相结合能有效提高对CODMn的去除效果。也有研究发现，先投入的混凝剂与进水充分混合后，水中胶体颗粒表面会迅速发生电中和/吸附作用，形成脱稳胶粒。此时再投加高分子助凝剂PAM，经低速搅拌混合，PAM分子链上暴露的活性基团酰胺基充分与脱稳的胶粒表面间的氢键结合，或通过静电引力、离子键及配位键结合，通过“架桥”方式将多个胶体颗粒随意地束缚在聚合物分子的活性链节、尾端活性基团上，从而形成桥联状的粗大絮体颗粒[10]。试验表明，PAM对于该高温高藻期原水有较为明显的助凝作用，能够优化混凝剂的电中和、吸附架桥、网捕作用，形成大而密实的絮凝体且絮体沉淀速度快，明显提高固液分离效率。

由图2.c和图3.c可知，当原水经过预加氯处理，并在混凝前加入粉末活性炭强化(工艺c)，对浊度和CODMn的去除效果也好于脉冲常规工艺。当粉末活性炭投加量为20 mg/L时，滤前出水和滤后出水的浊度平均去除率分别为94.5%和96.7%；CODMn去除率分别高达61.8%和66.7%。当粉末活性炭投加量降低到10 mg/L时，滤前出水和滤后出水的浊度平均去除率也可达到91.8%和95.6%；CODMn去除率为54.3%和55.3%，比脉冲常规工艺分别提高了约33和26个百分点(见表3)。其他研究表明，预氯化能够将原水中部分大分子有机物氧化为小分子有机物，而粉末活性炭对于小分子有机物有较好的去除效果，笔者所开展的试验结果也证明了预氧化和粉末活性炭相结合强化混凝的可行性。根据工艺c的试验结果并考虑经济性，工艺d选择10 mg/L的粉末活性炭投加量进行试验。

由图2.d和3.d可知，当同时进行预加氯并投加PAM和粉末活性炭进行强化混凝时，滤前出水和滤后出水的浊度平均去除率达到了92.9%和96.7%，比脉冲常规工艺均略有提高；CODMn去除率达到55.7%和58.3%。

表3 各工艺对浊度和CODMn的去除率Tab.3 Removal rate of turbidity and CODMn by each process

2.2 斜管沉淀池强化集成工艺的处理效果

采用工艺e进行斜管沉淀池系列集成强化工艺中试，测定原水、滤前(沉淀池)出水和滤后出水的浊度和CODMn。由图4、图5可知，原水经斜管沉淀池系列强化集成工艺处理后，滤前出水和滤后出水的浊度平均去除率分别达到了90.6%和97.4%，与相同条件下的脉冲澄清池系列强化集成工艺几乎相同(图2.d)；CODMn去除率分别为47.9%和57.1%，比脉冲澄清池系列强化集成工艺仅略有降低。这表明，在合理确定药剂投加量后，传统的斜管沉淀池工艺也能对浊度和CODMn取得较为理想的去除效果。