凝聚剂投加技术在农村供水工程中的应用研究

杨在华 尹自萍 李继魁

(云南省施甸县水务局，云南 施甸 678200)

1 概 述

天然水中含有很多有利于人体生长发育和生理机能的微量元素，是人体从食物以外获得营养素的一个重要来源。然而，人类在生产、生活中排放的各种废弃物会对水体造成污染。在我国农村，因饮用被污染的水而导致疾病发生的情况较为常见。例如，由于传染病患者的排泄物及呕吐物污染了饮用水源，并通过水作为媒介而传播的传染病；因水中微量元素含量过高或不足引起的地方性非传染性疾病或中毒现象；因水源受化肥、农药污染而使得一些有害物质在水中的含量超过一定范围所引起的急性或慢性中毒现象。因此，在我国的农村供水工程项目运行的过程中，不但要求水量、用水方便程度和供水保证率要达标，同时生活饮用水水质还应符合GB 5749—2006卫生标准。

2 研究区水处理现状

云南省施甸县总人口34.8万人，在“十三五”期间共建成农村供水工程1450件。其中，集中供水工程566件，供水人口达34.4万人；分散式供水(井水、水窖)工程884件，供水人口0.4万人。累计投入农村饮水工程建设资金2.79亿元。通过农村饮水工程项目的实施与运行，使得全县集中供水率达到98.4%，自来水普及率达到95%以上，农村供水保障率达到90%以上。目前，在施甸已建成的农村供水工程项目中，所采用的水处理方法主要为絮凝沉淀法和生物慢滤两种。其中，在566件集中供水工程项目中，采用絮凝沉淀法处理的有541件，采用生物慢滤处理的有25件。

3 凝聚剂的选择与投配

3.1 凝聚剂原理

在农村供水工程中，水源浑浊度受季节性变化影响较大，浑浊的地表水需投入凝聚剂，并经过絮凝、沉淀、过滤等净化过程才能变得清澈。在供水水源中，常含有不同颗粒的悬浮物等物质。密度比水大的悬浮物在重力的作用下可以自然沉淀，但悬浮物在静水中的沉降速度与颗粒大小、密度、水温等因素有关。随着水温的变化，水的黏度、下沉速度也随之发生变化。通常水源中含有极细小的黏土、腐殖质等带负电荷胶体，彼此互相排斥，难于形成较大颗粒，更不容易沉淀，因此常借助于凝聚的方法。

凝聚指的是向供水水源中投加带正电荷的胶体，如氢氧化铝、氢氧化铁等，使水中微细胶体颗粒互相凝聚，形成颗粒较大的绒体，绒体增大后形成矾花，易于沉淀。凝聚不仅能使原水的浑浊度大大降低，还能使水脱色。在我国，常用的水处理方法为絮凝沉淀法。由于凝聚剂的投加配液会直接影响水处理的效果,因此投加配液是水处理技术的核心。使用凝聚剂具有对出水pH值影响小、用量少、产生污泥少、除浊高的优点。目前，我国约60%的水处理厂采用凝聚剂进行混凝处理。

3.2 凝聚剂的选择

适用于农村供水工程水质净化的凝聚剂主要有硫酸铝和聚合氯化铝两种。采用硫酸铝处理原水的浑浊度时，适用条件为原水的pH值在6.5～7.5之间，且水温不宜太低。因为水温太低时，矾花生成很慢且不易沉淀。而聚合氯化铝是一种无机高分子铝盐凝聚剂，在国内农村供水工程中被广泛采用。使用聚合氯化铝优点是：能适应供水工程水质的变化(pH值5.0～9.0之间)，絮凝时间短、沉淀速度快，同时高浊度水和低温水处理效果好，成本较低。

聚合氯化铝的凝聚效果与盐度关系密切。当水浑浊度较高的时候，使用盐基度高的聚合氯化铝，其凝聚沉淀效果会更好。目前，我国对聚合氯化铝的盐度控制在60%以上。聚合氯化铝的外观状态与盐基度、制造方法、原料、杂质成分及含量等有关。聚合氯化铝与盐基度的关系见表1，硫酸铝、聚合氯化铝的主要优缺点见表2、表3。

表1 聚合氯化铝的外观

表2 硫酸铝凝聚剂特性

表3 聚合氯化铝凝聚剂特性

3.3 凝聚剂的投配分析

凝聚剂的用量与原水的浑浊度、pH值、水温、碱度、有机物含量等有着密切关系。农村供水工程中的水源主要为降水，水源水量的年际、年内变化情势及其空间分布与降雨量基本一致。受降水和下垫面条件影响，浑浊度在一年之间季节性变化较大。枯季11月—次年4月水源浑浊度较低，汛期5月—10月水源浑浊度较高。因此，凝聚剂的投加量也需要经常改变。凝聚剂用量在制水成本中占有一定比例，若凝聚剂投加量合适得当，不仅可以节约成本，而且出水水质较好。如果任意投加凝聚剂，不但不能保证出厂水水质，还会造成药剂浪费。

凝聚剂投加量通过试验确定。取1000mL烧杯 5～6只，各盛原水1000mL。然后将准备使用的凝聚剂配成1%溶液，并按不同量分别加至各烧杯。先用玻璃棒剧烈搅拌1min，再沿顺时针方向继续用玻璃棒缓缓搅动，其目的在于帮助形成矾花。至大片矾花形成且停止搅动后矾花迅速下沉时，静沉10～15min，放置一瓶矿泉水，将各烧杯中上层清液的透明程度与矿泉水对比。凝聚剂投加量最少，且与矿泉水接近的一杯，即为正确投加量。如各杯均不理想，说明凝聚剂投加量不足或过多，可另取原水，减少或增加1%凝聚剂溶液用量，重新按上述方法试验。如向1000mL原水中投加1%聚合氯化铝溶液1.2mL时，凝聚效果最好，则1m3原水需投加聚合氯化铝12g。目前，施甸已建农村供水工程中，采用的凝聚剂投加方法有自动和人工两种，541件采用絮凝沉淀法处理的工程中，采用自动投加的35件，采用人工投加的有506件，人工投加凝聚剂的比例为93.5%(见图1、图2)，施甸县蒋家寨水库2017—2021年水源浑浊度与聚合氯化铝试验投加量详表4。

图1 水厂凝聚剂自动配液室

图2 水厂凝聚剂人工配液设备罐

表4 水源浑浊度与聚合氯化铝(PAC)试验投加量一览(部分)

3.4 凝聚剂投加量计算

通过对施甸、曲靖、宜良、腾冲4个县市区水库水源的分析，以及2017—2021年间在施甸水厂近5年开展的多次试验(试验采集了水厂原水的浑浊度、pH值、有机物含量、色度、臭和味、肉眼可见物等指标)，pH值、有机物、色度、臭和味、肉眼可见物等指标的含量变化，对凝聚剂的配液及投加量的影响较小，而浑浊度的变化与凝聚剂的配液及投加消耗量关联性较强。试验总结得出以下结论：如采用水库水源，则在相同浑浊度的情况下，深层取水凝聚剂投加量约为表层取水的2倍，且最低凝聚剂投加量为1g/m3。通过近5年的试验，分析得出浑浊度与凝聚剂投加量的关系式如下：

y=a(bx+1)

(1)

式中y——凝聚剂投加量,g/m3;

x——水源浑浊度,NTU；

a——原水系数，地表水或水库表层水a一般取1，水库深层水源a一般取2；

b——修正系数，该值通过试验确定，一般取0.4～0.7。

上述浑浊度与凝聚剂投加量公式一般只适用于做试验的原水，不可互相套用。如为同一河流且又相距不远，无其他支流汇入，河流水质原状未变，则可根据实际情况使用。在应用上式前，应首先对原水开展试验。在确定一定周期范围内的浊度与凝聚剂配液投加修正系数b后，方可使用上式。依据上式，在水厂日常运行管理中可以根据当天原水的浑浊度计算出凝聚剂配液的投加量。

3.5 絮凝

将凝聚剂配液投加到浑浊的原水中，通过快速混合，很快会出现细小的矾花。为使矾花迅速下沉，需要凝聚结构大到一定尺寸，且矾花密集。但在混合阶段，由于水流强烈紊动，矾花难以继续结合。因此，需要在水流缓慢、便于矾花凝聚的絮凝池内完成。

絮凝池一般按由大逐渐变小的流速进行设计。在供水工程进水管或絮凝池进水前端投加，使絮凝剂与水中胶体颗料发生碰撞吸附，再在较小的流速下的絮凝池反应，使碰撞吸附后的胶体颗粒结成较大的矾花，以便进入沉淀池后绝大部分被截留下来。通常絮凝池中的流速不大于0.75m/s。若超过此流速，矾花颗粒易于破碎。当流速小于0.1m/s时，颗粒又会下沉。而絮凝池是不容许有沉淀物积存的，因此絮凝池采用的流速一般为：从进口处的0.5～0.6m/s逐渐降低到出口处的0.15～0.2m/s。

由于矾花颗粒是经过多次碰撞和吸附而逐渐结大的，所以絮凝需要有一定的时间。絮凝时间随原水水质的不同而不同，一般为12～25min。絮凝的效果与颗粒数目及颗粒密度有关。颗粒越多，碰撞机会越多，絮凝效果就越好。在试验过程中，当原水的浑浊度过低时，在原水中加入适量的黏土，使这些黏土粒在水中成为载体，以便形成较大的矾花。此外，使用铁盐凝聚剂可以增大颗粒比重，大而重的矾花将更易下沉。

4 结 语

絮凝沉淀法是我国常用的水处理方法，而凝聚剂的配液投加技术将直接影响水处理效果。凝聚剂用量与原水的浑浊度关联性较强，地表水在一年之间季节性变化非常明显，尤其是浑浊度。因此，凝聚剂的投加量也需要经常改变。本文通过对施甸水厂开展的浑浊度变量关系与凝聚剂投配的试验，得到了同品种凝聚剂与不同浊度的最优投加量，解决了投加凝聚剂频繁试验、耗时长、试验效果受主观因素影响等技术难题。