目前, 国内大多数低温低浊水气浮处理研究还处于小试和中试阶段 ,缺少水厂实际应用实例,且与不同常规工艺联用后处理效果的讨论相对较少。 本文针对上述研究空白 ,利用萧山某水厂冬季低温低浊原水,在水厂配水井、反应池末端、沉淀池中段、沉淀池末段以及砂滤池后端串联中试气浮单元,比较分析混凝、沉淀、过滤等传统处理工艺与气浮单元联用后对低温低浊原水的处理效果, 讨论气浮工艺完全替代水厂常规工艺,甚至实现全物理不加药饮用水处理工艺的可能性。

1 研究背景与方法

1.1 研究背景

萧山南部某水厂原水取自钱塘江富春江段,供水规模为15万m 3 /d,水厂采用深度处理工艺,工艺流程如图1所示。原水在冬季有低温低浊的特点,水厂运行中容易出现絮凝体细、少、难以沉淀的“跑矾”现象,细小矾花穿透滤池,影响出水水质。

图1 工艺流程图

试验期间水温为10～14 ℃,原水浑浊度在4～6 NTU,属于全年浑浊度和温度最低的时期。原水藻类计数为1×10 5 ～1×10 6 个/L,检出藻类为硅藻和裸藻,水厂配水井预臭氧投加量在0.45 mg/L,反应池PAC投加量为10～12 mg/L。具体原水水质指标如表1所示。

表1 原水水质指标

1.2 试验装置

气浮工艺:本试验采用多相混溶(溶气泵)气浮装置,由高速离子气浮反应区、溶气系统、气浮池体以及浮渣收集系统组成,原水或过程水与溶气系统产生正电荷集成微气泡(气泡量与回流比正相关),在气浮反应区充分反应、吸附,均匀分配进入气浮池体,进行固液分离,固液分离的浮渣通过浮渣收集装置收集排放。

气浮参数:设计处理量为100～200 m 3 /h,气浮分离区面积为4.04 m 2 ,微气泡粒径<7 μm,溶气泵回流比为5%～15%,连续刮渣;本次试验固定处理量为128 m 3 /h,回流比为7%。

1.3 研究方法

在水厂配水井、反应池末端、沉淀池中段、沉淀池末段以及砂滤池后端串联中试气浮单元(具体位置如图2所示),分别对气浮单元进水、出水以及同期常规工艺段出水的浑浊度、COD Mn 、氨氮、藻类、pH等指标进行检测,比较分析混凝、沉淀、过滤等传统处理工艺与气浮单元联用后对低温低浊原水的处理效果。各检测数据均3次取样取平均值,检测依据如表2所示。

图2 气浮单元位置

表2 检测方法及依据

2 结果与分析

2.1 预臭氧+气浮

气浮进水取自配水井末端经预臭氧处理后原水,各水质指标如表3所示。气浮单元不加PAC,直接处理预氧化后的原水,浑浊度平均去除率约为76.9%。随着大部分浑浊度物质被去除,气浮处理对铁、锰和藻类也有较好的去除效率,这说明低温低浊原水黏度大,绝大部分污染物在水中稳定存在,传统的混凝沉淀工艺需要通过加大投药量使污染物脱稳沉淀。对于气浮工艺,这些稳定存在的污染物通过微气泡黏附,更易于被上浮去除。虽然浑浊度等指标达到了砂滤池对进水水质指标的要求,但气浮直接处理原水的效果与原混凝沉淀工艺出水相比还有差距。能否替代混凝沉淀工艺,需对出水污染物构成、颗粒粒径等物理特性作进一步试验研究。

表3 串联配水井末端试验结果

2.2 混凝+气浮

气浮进水取自反应池末端混凝后的原水(水厂PAC投加量为10～12 mg/L),各水质指标如表4所示。气浮平均出水浑浊度为0.87 NTU,平均去除率约为84.8%,COD Mn 去除率约为21.3%、TOC去除率约为5.8%,铁、锰、藻类均已低于检出限,串联工艺段沉后水指标中,除浑浊度较气浮出水进一步降低,其余指标基本一致。相较于直接处理原水,气浮单元与混凝工艺联用后,对浑浊度等指标具有更进一步的去除效率。这说明低温低浊原水中污染物在水厂反应池中与PAC混凝后,形成的大部分絮体比重较轻,进入气浮单元后,设备产生的大量微气泡吸附于絮体周围,易上浮形成浮渣。

表4 串联反应池末端试验结果

为进一步验证混凝气浮效果,该试验进水取自配水井末端经预臭氧处理后原水,在气浮单元的反应区内梯度投加(5～15 mg/L)混凝剂PAC,各水质指标如表5所示。在气浮单元反应区内投加PAC后,气浮出水浑浊度显著降低,出水藻类均<1×10 5 个/L。相较于混凝后再进行气浮处理,混凝与气浮同时作用对浑浊度、藻类等污染物具有更出色的处理效果,同时出水水质也明显优于同期沉后水。这可能是因为混凝初期,气浮装置产生的微气泡大量溶解于水中,水中污染物架桥、吸附、网捕等同时作用,更易形成密度较低的絮体。

表5 串联配水井末端试验结果

图3是投加不同浓度PAC对浑浊度去除效果的比较。由图3可知,投加量为5 mg/L时,浑浊度去除率上升到96.0%左右,之后随着投加量的上升,浑浊度去除率基本保持稳定。对于有机物指标,以COD Mn 为例,投加量同样在5 mg/L时最佳,随着PAC投加量的上升,气浮出水中各指标去除率反而降低,这说明相较于充分混凝后的紧实絮体,团聚松散、比重更轻的“未成熟”絮体更容易被上浮除去。

图3 不同PAC投加量浑浊度去除效果

2.3 沉淀+气浮

气浮进水分别取自沉淀池中段和后段的过程水(其中,气浮出水1为中段与气浮处理后出水,气浮出水2为后段气浮处理后出水),沉淀池中段与后段试验期间原水平均浑浊度分别为4.82 NTU和5.12 NTU,各水质指标如表6所示。结果表明,气浮工艺对沉淀池中段和后段过程水均有进一步的处理效果,平均出水浑浊度分别为0.48 NTU和0.36 NTU,均低于同期沉后水浑浊度,沉淀与气浮联用的平均去除率分别约达90.0%和93.0%,同时,对铁、锰等指标均有微弱的去除效果。这说明低温低浊下,受黏度增大、混凝效果减弱等因素影响,相当数量的污染物以及絮体很难通过沉淀去除。本试验从侧面说明在水厂面临极低浑浊度原水时,可使用气浮装置可替代沉淀池。

表6 串联沉淀池试验结果

2.4 过滤+气浮

气浮进水取自砂滤池末端的滤后水,各水质指标如表7所示。从滤后水浑浊度可以看出,低温低浊时期,未沉淀去除的污染物穿透砂滤池的现象十分明显,此时砂滤池对沉后水浑浊度的去除率仅约为78.9%,远低于砂滤池正常情况下的过滤效率。并且滤后水经过气浮处理后浑浊度进一步降低,气浮工艺对滤后水中的一部分污染物仍有去除效果,这说明该工艺对絮体的尺寸要求不高,对那些不易沉淀且低于砂滤池过滤精度的细小颗粒具有更好的去除效果。从COD Mn 及TOC数据来看,气浮工艺对COD Mn 去除率约为8.0%,对TOC去除率为-4.8%,可见气浮装置对于有机物指标去除效率较为一般。

表7 串联砂滤池末端试验结果

3 结论

(1) 气浮单元直接处理预氧化后的原水 ,浑浊度平均去除率高达约76.9%,相较于传统的混凝沉淀工艺, 具有无需加药、物理处理等优势 ,但能否完全替代,需对出水污染物构成、颗粒粒径等物理特性作进一步试验研究。

(2)相较于先混凝后气浮, 混凝气浮同时作用具有更出色的处理效果 ,且较低的PAC投加量也有很高的浑浊度去除率(5～10 mg/L时,去除率均在95.0%以上)。这可能是因为混凝初期,气浮工艺的微气泡与混凝工艺的架桥、吸附、网捕同时作用,更易形成密度较低的絮体,进而上浮除去。

(3)气浮工艺对沉淀中段、后段过程水也有更进一步的去除作用,浑浊度平均去除率在90.0%以上,同时对铁、锰等指标均有微弱的去除效果。这说明低温低浊下,受黏度增大、混凝效果减弱等因素影响,相当数量的污染物以及絮体很难通过沉淀去除。相较于加长构筑物长度获得更长的沉淀时间, 气浮工艺具有更出色的去除效率。

(4) 气浮工艺 对砂滤滤后水中的污染物仍有进一步去除效果,这说明该工艺对絮体的尺寸要求不高, 对那些不易沉淀且低于砂滤池过滤精度的细小颗粒具有更好的去除效果 ,但对于TOC、总磷、总氮等有机物指标去除效率较为一般。

综上,气浮单元的微气泡工艺对于黏度大、颗粒物稳定的低温低浊原水或常规工艺过程水处理有独特的优势,特别对浑浊度、铁锰等金属指标均有较好的处理效果,但对有机物指标的去除效率较低。

从本次中试效果看, 可根据原水特点,将气浮装置设置于不同位置 :对于原水水质稳定的水厂,可将气浮装置设置于配水井后端,通过少量投加PAC,混凝、气浮同时作用,提升出水水质;对于水质波动较大的原水,应将气浮装置设置于沉淀池中段,常规工艺与气浮联用,保证对高浊原水处理效果的同时,提升低温低浊时期沉淀池出水水质。