低温低浊水处理

低温低浊地表水处理技术的探讨 刘 晖 (深圳市物业工程开发公司 广东 深圳 518000) 摘要：东北地区低温低浊地表水采用常规工艺难以净化处理，往往又因为受到污染而使原 水的色度、耗氧量提高，进一步增加了水质净化的难度。另外，地表水体水质在一年中变 化很大，采用固定的常规净化工艺很难适应。本文对水处理工艺混凝、分离和过滤等环节 进行 7分析，得出了采用浮沉池工艺可以经济合理地处理低温低浊地表水的结论。 关键词：低温低浊；地表水；混凝；分离；过滤；浮沉池 1低温低浊水水质特点 我国东北地工全年有四、五个月的时问处于寒冷季节，水体被冰 层覆盖江河水温 01，水库水下层水温 24。这个时期原水浊度也很低，江河水为 5-30NTU，而水库水也只有 5-10NTU。原水水温低，水的动力粘度系数提高，减弱了水中胶 体的颗粒运动，降低了他们之间相互碰撞的机率；水中胶体的溶剂化作用增强，颗粒周围 的水化膜加厚，妨碍颗粒凝聚；同时，通过混凝所形成的絮体较轻，不易下沉，难以通过 沉淀从水中分离出去。 对于水库水而言由于它的水流状态特点而表现出不同于江河水质的特性。水库水近似于 静止状态，水体中各部位因不易掺混而表现出水质成份分布的不均匀性。水库水中的藻类 大量繁殖不但妨碍水处理构筑物的正常运行。而且藻腥味很重，影响水质；水体中的矿化 度由于水分的强烈蒸发而提高：水中含有大量的植物腐烂所形成的腐植质不仅提高了水库 水的色度，而且会对水中粘土形成的胶体、硅酸溶胶、铝和铁的氢氧化物起到保护作用。 这些都增加了水库水的净化难度。 2水处理技术的改进 随着饮用水水质标准的提高，低温低浊江河水和水库水的处理难度又有所增加，常规的水 处理工艺如果不加以改造很难满足新的水质标准要求，这就是需要采取切实可行的技术对 策来解决新问题。低温的不利因素，影响了水处理的各个处理环节。对于工程设计，应对 投药、混凝、沉淀和过滤等处理环节进行具体分析。水处理工艺主要包括混凝和分离两大 过程。混凝的作用是促使原水中的胶体杂质形成絮体，而分离是将混凝形成的絮体通过沉 淀或者气浮的方式从水中分离出去剩余的少部分微小絮体及其它杂质，再经过过滤而分 离出去的处理过程。微絮凝接触过滤工艺就是将混凝和分离过程都在滤池中完成的综合处 理方式。下面就对水处理工艺的和各环节进行具体的分析。 21 混凝作用混凝是水质净化处理的制药、混合、反应各环节的总称，它包括凝聚和絮凝 两个阶段。 凝聚实质是使胶体胶稳而具有凝聚的性能，胶体颗粒的大小，一般介于 1mu一 01 mu 之 间，凝聚作用的动力只能是布朗运动，水流的搅动并不会加快胶体颗粒的碰撞速度。当颗 粒尺寸增大到 1u 以上时水流的速度梯度才能够起作用。凝聚作用力只是水分子的热运 动。 絮凝是脱稳的胶体结成大棵粒絮状体粒径约(1-2mm)的过程。颗粒碰撞的动力是水流搅动形 成的梯度。絮凝过程存在着絮体的结合和破碎的问题。随着絮体粒径的加大。所受到的剪 切力增加，当絮体粒径增加到一定尺寸时。会由于剪切力的增大而破碎。反应池的设计应 尽量地减少絮体的破碎率，采用合理的速度梯度。 在混凝过程中。分清凝聚和絮凝的不同阶段，针对不同情况，采用相应的对策来提高处理 效果。 1)加强凝聚的措施 低温低浊原水中，胶体颗粒脱稳和混凝剂水解产物相互接触、碰撞的机率大为降低，从而 影响凝聚效果。为加强凝聚反应，要提高原水水温是不现实的。而快速搅动很难影响到微 观的分子热运动，也提高不了胶体微粒碰撞速率。但是，合理的使用混凝剂，使其快速地 均布于水中，有助于原水中胶体颗粒外部双电层的有效压缩，降低 E电位，使颗粒脱稳： 使用助凝剂加强对胶体颗粒的架桥和网捕作用；另外，为使混凝剂水解反应进行的彻底， 应及时散除水解反应产生的 CO2 ，亦可获好的凝聚效果。 使用助凝剂 低温低浊原水处理，只用硫酸铝作混凝剂效果并不好。因为水温 低，形成的强水化氢氧化物比较稳定，而絮凝体产生的速度却很慢，导致了混凝剂的大量 使用。 目前很多水厂除了使用硫酸铝外，还采用助凝剂。助凝剂在混凝剂投加后 1分钟投加。 效果较好。原水水质的色度比较高时，可在混凝剂之前投加助凝剂。投加助凝剂，不但可 以提高凝聚效果，还可以减少约 3O的混凝剂投加量。 快速混合 混凝剂投加到原水中，水解速度很快，药剂的浓度和 pH值在各部位应该瞬间达到均匀的程 度。所以要求快速混合。否则，在原水中会出现药剂不均的问题。浓度高的部位，pH 值低， 胶体扩散层的正离子被异电负离子压缩和包围，出现胶体再稳定的情况，导致药剂的浪费； 浓度低的部位，药量不足，不足以压缩双电层，达不到混凝效果。快速混合常采用水泵和 静态混合器，速度梯度约为 7001000s 一 1。在 12s内完成混合。 散除 CO 东北地区地面水体一年中长时问低温，水中 CO2难以散除。当混 凝剂投加到水中后由于瞬问水解作用又产生一些 CO2 ，如果不能及时散除水中的 CO2 ， 混凝剂的水解化学反应会受到影响。这样，不但浪费混凝剂的用量，而且对原水中胶体的 脱稳也起不了作用。 混凝剂加入水中充分混合后，要立即曝气，如能降低水中 C02 含量 6O。则可节省混凝剂 用量 30以上。低温低浊经曝气混凝后，形成的絮体比较密实，水的透明度高。 （2）提高反应的絮凝效果 为提高反应的絮凝效果，反应池设计除了保证必要的反应时间外，还要研究速度梯度的变 化和活性泥渣的作用。速度梯度除了与外加能量有关外，与反应池的池型也有一定的关系。 另外，反应池设计的指标 GT 值，对于低温低浊度原水处理，反映不出活性泥渣的作用。 关于这个问题拟作如下探讨： 反应池 GTC 值 絮凝主要是在反应池中完成的。脱稳的胶体颗粒具备了相互吸引的能力。在水流速度梯度 产生的微旋涡作用下，碰撞接触结成大颗粒的絮体。随着反应时间的延长，絮体颗粒越来 越大，而颗粒的数量则越来越少。单位体积中，絮体颗粒减少的速率为： 由公式（1)推导反应池的设计指标，可以看出不只是 GT 值，而且絮体的粒径和颗粒数也 对反应的结果起作用，假设颗粒形成为球形，则单位体积水中颗粒体积所占的比例 C值为： C=(6)d3,n。将 d3n=6 C代入公式(1)，得： 由公式(3)可以看出，采 GT 作为反应池的设计指标值是不全面的而应该采用 GTC 值的。因为水中颗粒的体积浓度 C对反应过程也有重要影响。 22 絮体的分离措施 分离处理构筑物有沉淀池、气浮池和滤池。低温低浊水的不利因素也影响了絮体颗粒的分 离效果。根据斯托克斯公式： 式中： Pp；沉降颗粒的比重； Pt：水的比重； u：水的动力粘度系数； g：重力加速度： d：沉降颗粒的粒径。 颗粒的分离速度 U与水的动力粘度系数、絮体颗粒的比重 和颗粒粒径 d有关。原水低温低 浊时，形成的絮体轻而疏松，絮体密度减少，再加上水的动力粘度系数提高的不利影响， 因而颗粒分离速度减低很多。所以，分离构筑的设计，在了解低温的不利影响和水质变化 的同时，要研究构筑物本身对不同季节水质变化的适应性。 斜管或平流沉淀池，处理浊度的范围从几十度到一、二千度都是可行的，但是对于去除藻 类、色度以及低温低浊水，效果却很差。而采用气浮法则可以取得较为满意的效果 。 运用气浮和沉淀的不同功能采用浮沉池来适应水质的变化。当处理低温低浊江河水和藻 类生长期的低浊度水库水时，浮沉池以气浮的方式运行；而在夏季原水浊度提高时，可采 用沉淀的方式运行。这样使浮沉池与滤池有机结合，对原水的水质变化有较大的适应性， 可以收到理想的技术经济效果。 浮沉池设计是在斜管(板)的基础上加以改进的。絮体无论是下沉还是上浮，水流都要经过 斜管( 板)，以改善水力条件。上浮或下沉运行的水力负荷是一致的，均为 729mSm2h，颗粒的分离速度都适用于斯托克斯公式。 一般絮体的密度为 10021O3，而空气的密度只有水的 1775。气浮运行时，絮体粘 附了微气泡，组合粒径增大，从斯托克斯公式可知颗粒的上升速度与组合粒径的平方成正 比，从而使颗粒上升速度加大而易被浮至水面。 浮沉池以气浮方式运行处理低温低浊水或用于除藻的合理性在于：(1)因为水中悬浮杂质量 少，气浮的气固比低，用气量小，可节省加压回流水的能耗：(2)水温低空气在水中的饱 和溶解度提高。使得低温时空气更容易溶解于水中：(3)原水在加压提升的过程中会溶入一 些空气，而且当混凝剂水解时所产生的 CO2 微气泡也容易与絮体接触粘附在一起，强化 絮体的上浮。 浮沉池采用气浮方式运行对于前序混凝反应的要求也并不像沉淀法那样高。因为沉淀法 是依靠颗粒絮凝长成大而重的絮粒而下沉的，而絮粒的成长过程则需要足够的时间(一般为 2030min)。气浮则可借助于微气泡的作用，因此，只需要絮粒成长到足以被上升的微气 泡粘附住就可以了。实践表明将气浮方式运行前的反应时间缩短到 10min可行的 。也就是 说浮沉池按气浮方式设计反应池，可以减少反应池体积的 1312。降低了工程造价； 如果考虑浮沉池增加的气浮设备投资，则总造价与沉淀池相当。至于日常运行费用，虽然 增加了冬季气浮运行的电费，但是可以用节省混凝剂的用量和排泥的水量来予以补偿。这 样。浮沉池能够适应原水水质的变化而灵活运行，并保证出水水质的优越性就显而易见了。 目前东北地区低温低浊水及水库水处理。多数仍然采用传统的混凝、沉淀和过滤的工艺 流程。夏季出现高浊度原水时。混凝、沉淀构筑物是必不可少的，但是，在原水低温低浊 期间，如果采用微絮凝接触过滤工艺运行，则反应池和沉淀池在将近半年的时问内发挥不 了应有的作用。如果采用浮沉池与滤池配合使用，按照气浮的方式运行，则滤前水的浊度 可大为降低，一般可达到 1O度以下。浮沉池就可承担了滤池的大部分负荷，因而也提高了 滤后水质。 为保证滤后水质，滤池不应承担较大的负荷，就是采用接触过滤工艺也要求原水的浊度 和色度均不得大于 25度；而普通快滤池的滤前水浊度更是要求在 1O度以下，滤速不大于 8mh，滤后水才能达到新的饮用水水质标准。水温对于过滤过程的影响可由下式表示： 式中：V 一过滤速度 H一过滤的水头损失； d一砂粒的当量粒径： m一空隙率： L一砂层厚度； a一砂粒的形状系数； u一水的动力粘度系数。 当原水水温从 6降至 0时， 提高了 13 倍，而滤速减低了 077 倍。说明水温降低了 滤池的过滤能力。此外，水温低，滤池中水流的剪应力(T=uG)也相应的提高，滤层中絮 粒破碎的可能性大，易穿透滤层。 由此可见，滤池是水质净化工艺流程中的最后环节，把矛盾都集 中在这一环节进行处理容易加大滤池的负荷，缩短滤池的工作周期，增加滤池的反冲洗水 量和能耗。滤前的预处理构筑物应在任何时候都发挥作用，如果在近半年的时间内都发挥 不了作用的构筑物，在设计上技术经济效益低，是不可取的。而采用浮沉工艺，对这一问 题则可以得到较为满意的解决。 3结论 低温低浊江河水及水库水的处理是较为困难的，一方面由于原水水温低，影响了水处理工 艺的各个处理环节，降低了处理效果；另一方面由于东北地区不同季节原水水质变化大， 给处理构筑物的设计造型和处理工艺的确造成了困难。对于江河水的处理，既要对低温低 浊原水的各个处理环节进行改进又要考虑工艺对雨季高浊度原水的适应性；对于水库水 的处理，还需要考虑除藻、除味和脱色。常规的混凝、沉淀和过滤工艺难以满足上述要求， 而采用浮沉池工艺，兼容了沉淀和气浮两种工艺的优点，在处理东北地区江河水和水库水 时具有明显的优势。 冬季水库水的自来水净化处理试验 柳志刚 毕灿华 姚学俊 ( 广州市荔湾区环境监测站，广州 510380； 广州市花都区自来水公司，广州 510800) 摘要冬季水库水温 920 ，浑浊度在 315 NTU 之间，阳光充足时，藻类较多，投加聚 合氯化铝净化处理由于矾花轻 而小，在沉淀池易出现“反池”现象，水质浑浊度指标难以保证。通过加入黄泥粉和少量 高锰酸钾，使矾花结大加重，可以克服“反池”现象，达到较好的沉淀净化效果。 关键词 低温低浊 水处理 黄泥粉 高锰酸钾 广州市北部某自来水厂以水库水为原水。该水厂的供水设计能力为 40 000 m3d，工艺流 程为：一级泵站(投加聚合氯化铝、高锰酸钾、氯气)一环形反应池一斜管沉淀池一虹吸滤 池一清水池(二次加氯)一二级泵站。冬天该水库水温在 92O 范围，浑浊度在 315 NTU之间，阳光充足时，藻类生长迅速，藻类细胞数达到 85106 个/L，水中泥量较少， 不能有效形成矾花中心；投加净水剂聚合氯化铝后，矾花轻而小，沉淀池容易出现“反池” 现象，大量絮状矾花流入滤池，加重滤池的负担，反冲洗频率由原来的 810 h 调整为 23 h，浪费大量水和加大能耗，日供水量下降到 15 00020 000 m3d。投加黄泥粉处 理低温低浊原水的方法已有人采用，但未见有系统报道。 笔者在实验室试验结果的基础上，通过投加黄泥粉助凝剂高锰酸钾的方法，使钒花结 大加重，提高供水能力，比单一投加黄泥粉效果更为显著。水厂冬季实际生产试运行结果 显示，投加黄泥粉助凝剂高锰酸钾可有效克服“反池”现象，提高供水能力，保证出 厂水浑浊度低于生活饮用水卫生标准(GB 57492006)的限值 10 NTU。 1 实验室试验部分 11 仪器设备 ZR46混凝试验搅拌机、容量瓶、移液管等。 12 试验方法 取 1 L水库水加入净水剂、助凝剂进行混凝试验，沉降后取上清液检测水质。混凝试验搅 拌参数为 8O rmin，运行 2min。 13 试验结果 131 聚合氯化铝投加量对浑浊度的影响 试验原水水温 14、pH 值 70。试验结果表明，随着聚合氯化铝投加量的增加出水浑浊 度显著下降 (见表 1)。然而，单一投加聚合氯化铝所形成的沉淀矾花结体较小而且轻浮， 沉降速度较慢，效果较差。虽然随着聚合氯化铝投加量的增大，矾花结体会相应增大一些， 但大量投加聚合氯化铝会增加出水铝的含量，容易出现新的问题。聚合氯化铝投加量定为 30 mgL。 132 投加聚合氯化铝黄坭粉沉降试验 试验原水水温 14 、浑浊度 121 NTU、pH 值 70。取山上黄坭，除去砂石，干燥后称 重配成一定浓度的泥水。以不同量加入，按混凝试验参数进行试验，结果见表 2。 随着坭粉加入量逐步加大，矾花明显结大，下沉速度加快，当黄泥粉加到 100 mgL 时， 水样有微红 色，使浊度读数反而加大。考虑到黄坭粉如果加入太多会使聚合氯化铝用量加大，而且加 入量太大在生产实际中是不可行的，黄坭粉加入量定为 50 mgL。 133 加入其他助凝剂混凝沉降试验 试验原水水温 225 、浑浊度 562 NTU、pH 值 70，聚合氯化铝投加量为 30 mgL，黄泥粉加入量 50 mgL，高锰酸钾加入量 04 mgL(经验数据)，聚丙烯酰胺加 入量 005 mL L(经验数据)。聚合氯化铝与泥粉合用，混凝效果有所改善，但仍然不够 理想，尝试加入助凝剂高锰酸钾、聚丙烯酰胺试验其混凝效果的改善情况，结果见表 3。 从现象观察，“聚合氯化铝+黄泥粉+聚丙烯酰胺”不及“聚合氯化铝+黄坭粉+高锰酸钾” 沉降快速，但从混凝沉降后的浑浊度看前者却好一些。考虑到聚丙烯酰胺有毒，而且水厂 现有投加高锰酸钾的设备，决定采用“聚合氯化铝+黄泥粉+高锰酸钾”方案。 134 pH 值对混凝效果的影响 试验原水水温 15 、浑浊度 682 NTU、pH 值 70。调节原水不同 pH值，加入 30 mgL 聚合氯化铝，50 mgL 黄泥粉，0-3 mgL 高锰酸钾，沉降试验结果见表 4。 加混凝剂处理后水的 pH值变化不大，在原水 pH值为 70 的情况下，可以不加碱处理。 135 混凝剂、助凝剂、黄泥粉的加人顺序试验 聚合氯化铝加入量 30 mgL，黄泥粉加入量 50 mgL。高锰酸钾加入量 04 mgL，按 先后次序加入，先加入的搅拌 1 min后再加入其他，结果见表5 从现象和数据看，1、4 号效果较好，考虑水厂实际情况，采用高锰酸钾、聚合氯化铝、黄 泥粉一起加入的方案。 136 黄泥粉质量检测 附近地区采到的山泥有偏黄和偏红 2种，经检测都含有铝和铁，其中黄泥含铝、铁较高， 经室内和现场试验都证实黄坭的助凝效果较红坭好，有害金属都没有检出(见表 6)。 14 实验室试验小结 对于原水为低温低浊藻类较多的水库水，为了保证水厂的供水量和水质，试验证明，可以 通过加入约 50 mgL 的黄泥和 0204 mgL 的高锰酸钾作为助凝剂，使矾花增大， 沉降速度加快，藻类也在混凝 中形成矾花沉降下来，达到预期的目的。 试验延续了 1个多月，所以每次试验所用的水样理化性质都有些不同，但原水水质对于水 厂生产的影响是季节性的，室内试验提供了处理的方法，实际生产中要根据当天的水质情 况决定投加量。 2 水厂生产试验 水厂生产现场试验 3 d。试验过程如下： 1)开始以 2000m3h 抽水生产，只加人聚合氯化铝混凝剂，在沉淀池马上出现“反池”现 象，大量矾花不能在沉淀池沉淀下来，直接流到滤池。 2)此时按一定比例定量把溶解好的黄泥浆和高锰酸钾从少到多慢慢加入到混合池，并调节 聚合氯化铝的加入量。随着黄坭浆加人量增加，在环流反应池明显观察到矾花变大，沉淀