第 2 期李德生等 : 强化水旋澄清池技术处理黄河高浊度水的试验研究 215 求 [7~12] 目前兰州一些水厂处理工艺未设初沉池, 而是将黄河水先经过斗槽预沉, 然后直接进入水旋澄清池沉淀 [13] 这种处理工艺只能满足浊度在 1000NTU 左右的处理要求, 但对高于 2000NTU 以上浊度

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桐利宫
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1 第 2 卷第 2 期环境工程学报 Vol.2,No 年 2 月 ChineseJournalofEnvironmentalEngineering Feb.2008 强化水旋澄清池技术处理黄河高浊度水的试验研究 1,2 李德生 1 程国栋 (1 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室, 兰州 ; 2 中国科学院研究生院, 北京 ) 摘要由于兰州段夏季黄河水的浊度较高, 直接影响了自来水厂的正常运行, 而目前水厂所用工艺无法满足高浊度水的处理要求, 因此, 采用自主研究开发的具有特殊结构的水旋澄清池对黄河高浊度水进行了强化处理的试验研究研究结果表明 : 在多点投药混合方式下, 强化水旋澄清池可提高浊度的处理效果 ; 若在投加无机絮凝剂 PAC 后, 再投加有机絮凝剂 PAM 进行复配作用, 不仅可降低无机絮凝剂的用量, 节约制水成本, 而且提高了自来水厂的出水水质 ; 结果也表明该水旋澄清池技术能够推广应用于黄河高浊度水的强化处理工艺中关键词黄河高浊度水强化水旋澄清池试验研究处理效果中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 (2008) Experimentalstudyontreatmentofhighturbiditywaterfrom Yelow Riverbythetechnologyofenhancedswirlingclarifier LiDesheng 1,2 ChengGuodong 1 (1 StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,ColdandAridRegionsEnvironmentandEngineeringResearchInstitute, ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000; 2 GraduateSchool,ChineseAcademyofSciences,Beijing100039) Abstract Highturbiditywaterfrom Yelow Riverinsummerhasanadverseefectonwaterplantsin Lanzhou.Fortheturbidityofwatertreatedbythepresenttechniquesatwaterplantscannotmeetthestandards, anexperimentalstudyisperformedonremovaleficiencyandmechanism ofturbidityinthewaterfrom Yelow Riverthroughenhancedswirlingclarifierwithspecialstructures.Theresultshowsthattheremovaleficiencyof turbidityincreasebymixingreagentatmanythrowingspotsthroughtheswirlingclarifier.notonlythereagent andproductcostsdecrease,butalsotheremovaleficiencyofefluentturbidityinwaterplantscreasesaftermix ingpolyaluminiumchloride(pac)andpolyacrylamide(pam)accordingtothesequenceoffirstthrowingpac. Italsoshowsthatthetechniqueofswirlingclarifiercanbewidelyusedintheenhancedtreatmenttechniquesto treathighturbiditywaterinyelowriver. Keywords highturbiditywaterfrom YelowRiver;enhancedswirlingclarifier;experimentalstudy;re movaleficiency 黄河是世界上著名的多泥沙河流, 平均每年输沙量多达 16 亿 t; 平均含沙量为 35kg/m 3 黄河泥沙主要来自中上游黄土高原地区黄河水作为两岸城市饮用水水源, 其泥沙的去除是保证饮水安全的重要因素黄河兰州段泥沙含量高, 且泥沙粒径小于 0 05 mm 的占 80% 以上, 给水源处理带来了较大困难黄河兰州段水源水中泥沙以浊度计, 其浊度分布不均匀 [1], 高浊度主要集中在夏季 6~9 月份,NTU 在 5000 左右, 最高可达 10000NTU 以上解决好高浊度期的泥沙问题对自来水厂的正常运行具有重要意义随着城市用水量的逐渐增加, 一些水厂只能通 [2,3] 过增加处理构筑物才能确保出水水质和用水水量而对高浊度水的处理一般还需要较高的技术手段 [4~6], 一般澄清池无法直接满足水处理要基金项目 : 甘肃省攻关课题 (02B17 13) 收稿日期 : ; 修订日期 : 作者简介 : 李德生 (1965~), 男, 博士研究生, 教授, 研究方向 : 水处理理论与技术 E mail:lidesheng@mail.lzjtu.cn

2 第 2 期李德生等 : 强化水旋澄清池技术处理黄河高浊度水的试验研究 215 求 [7~12] 目前兰州一些水厂处理工艺未设初沉池, 而是将黄河水先经过斗槽预沉, 然后直接进入水旋澄清池沉淀 [13] 这种处理工艺只能满足浊度在 1000NTU 左右的处理要求, 但对高于 2000NTU 以上浊度水的处理效果较差为此自来水厂为了保证高浊度期出水水质的要求, 只能降低产水量根据这一问题, 笔者针对兰州某水厂现有工艺中水旋澄清池的运行特点, 通过技术改造和结构优化, 并调整混凝投药方式等措施使水旋澄清池的处理效果大大提高, 其出水水质完全达到要求此技术为高浊度水处理技术的改造提供了依据, 为黄河流域高浊度水直接处理提供了新途径提高流体的速度梯度, 增强同向絮凝的效果, 从而可提高混凝效果 1.2 水旋澄清池投药方式的改变在水旋澄清池进水管处增设加药器, 实现多点投药, 可大大提高混凝沉淀的效果本试验从 3 个不同的投药点进行投药对比试验 3 个投药点分别设在加药器前 ( 投药点 1 # ) 加药器后 ( 投药点 2 # ) 和水旋澄清器第一反应室 ( 投药点 3 # ), 见图 2 现场试验所用水旋澄清器装置如图 1 所示试验装置按水厂现有水旋澄清池 1 10 的比例缩小加工而成 1 水旋澄清池的优化 1.1 水旋澄清池进水方式的设计水旋澄清池不同于一般水力澄清池 [13,14] 水旋澄清池不需要大量泥沙回流, 进水无需设置进水器, 只是通过水旋使投入的混凝剂在反应区中与水充分混合, 再通过两次分离, 使大颗粒絮体及泥沙沉于反应区池底部, 小颗粒絮体通过导流区在沉淀区内进一步絮凝沉淀兰州某水厂水旋澄清池直接从中部反应室进水, 水旋提升作用小, 药剂与水不能够充分混合为了使混凝剂能在水旋澄清池中充分混合, 实验室采取将水旋澄清池进水头部设计为变径管, 并沿池壁螺旋布置, 从而提高了流体的速度梯度, 增强了水力搅拌和同向絮凝的效果, 使絮凝反应得以充分进行根据颗粒碰撞原理 [15] : 受到搅拌的颗粒每秒钟内相碰次数与搅拌所产生的速度梯度成正比 J ij = 4 3 n in j (Z ij ) 3 du dz (1) J ij 颗粒每秒钟内相碰次数 ;Z ij 为两相撞颗粒的半径之和 ; du dz 为速度梯度, 单位为 s -1 ;n i n j 为两相撞颗粒在水中的浓度, 单位 : 个 /cm 3 速度梯度又与水力搅拌能量成正比 : ( ) 1 2 du dz = P L (2) Vμ 式中 :P L 为水力搅拌功率,W/m 3 ;μ 为流体的粘度, Pa s;v 为水旋澄清池有效容积,m 3 P L = Q H (3) 式中 :Q 为流量,m 3 /s;h 为水头损失,m 因此通过将水旋澄清池进水方式的改变, 可以图 1 水旋澄清池实验装置 Fig.1 Instalationoftheenhancedswirlingclarifier 2 试验系统 2.1 水质指标与测定仪器本试验研究的主要水质指标为水温和浊度浊度采用 YZD 1A 浊度仪进行测定 2.2 试验系统本研究利用新型水旋澄清池, 通过 3 种投药方式进行对比试验试验系统如图 2 所示, 处理水量为 100m 3 /d 3 试验结果与分析 3.1 黄河源水水质情况统计 2001~2006 年水厂 1~12 月份黄河原水浊度

3 216 环境工程学报第 2 卷 3.2 改变絮凝剂的投加方式提高絮凝效果单独投加聚合铝的处理效果在水旋澄清池第一反应室中单独投加聚合铝 (PAC), 其处理效率见图 5 图 5 表明增加投药量可以提高浊度的去除率, 但投加量越大, 运行费用越高, 产泥量就越大图 2 试验系统图 Fig.2 Schematicdiagram ofexperimentalequipment 变化曲线见图 3, 图 4 为 2002 年 8 月份原水浊度随日期而变化曲线图 5 聚合铝投加量不同时处理效果 Fig.5 Treatmentefectwithdiferent dosagesofpac 图 ~2006 年浊度随月份变化曲线 Fig.3 Variationgraphofturbiditywithmonths from2001to2006 图年 8 月浊度随日期变化曲线 Fig.4 VariationgraphofturbiditywithdaysinAug.2002 从图 3 可以看出, 每年黄河原水的浊度变化基本一致, 每年的 5~9 月份黄河原水浊度较高, 而高浊度期 1 个月内每天还有不同的水质变化如图 4 所示, 其主要原因与上游雨水和防洪有关聚合铝 (PAC) 与聚丙烯酰胺 (PAM) 复配投加的处理效果对比采用聚合铝 (PAC) 与聚丙烯酰胺 (PAM) 复配投加进行试验对比取 1000mL 黄河原水在烧杯中先加入 PAC 快速搅拌 0 5min, 然后加入 PAM 快速搅拌 1min, 再慢速搅拌 14min, 最后静止沉淀, 其试验结果见表 1 现场试验及表 1 结果显示, 在 PAC 投加量一定时,PAM 投加量小于 0 03mg/L 或不投加, 所形成的絮体颗粒细小且不易沉淀 ; 而 PAM 投加量在 0 03~0 3mg/L 时, 絮体颗粒大密实易沉淀, 且上清液透明考虑到运行成本, 一般 PAC 投加量可取 5mg/L,PAM 投加量可取 0 05mg/L 水旋澄清池中复配投药的试验结果首先通过投药器投加 PAC, 然后再在反应池内投加 PAM, 二者进行复配作用后的试验结果见表 2 从表 2 的复配投药试验结果及现场实验现象可以看出 :1 复配使用混凝剂所产生的絮体比单独投加无机絮凝剂产生的絮体结实紧密, 絮体形成速度和沉降速度快 ;2 试验数据表明, 混凝剂的复配投加可大大减少投药量, 且浊度去除率明显提高

4 第 2 期李德生等 : 强化水旋澄清池技术处理黄河高浊度水的试验研究 217 表 1 絮凝剂复配投加的处理效果对比 Table1 Comparisonoftreatmentefectsofdiferent dosagesofpac andpam 序号 PAC 投加量 PAM 投加量原水浊度上清液浊度 (mg/l) (mg/l) (NTU) (NTU) 表 3 不同投药方式的试验效果对比 Table3 Comparisonofremovalefectsof diferentchemicalfeedingways 先投加 PAM 0 05mg/L, 后投加 PAC4mg/L 进水浊度 (NTU) 出水浊度 (NTU) 浊度去除率 (%) 先投加 PAC4mg/L, 后投加 PAM 0 05mg/L 进水浊度 (NTU) 出水浊度 (NTU) 浊度去除率 (%) 复配投药时 PAM 的投加时间对处理效果的影响 PAM 投加时间对处理效果有一定的影响先投加 PAC 进行搅拌, 然后再投加 PAM, 考查 PAM 的最佳投加时间, 试验结果见图 6 原水浊度为 1390 NTU, 原水 ph 值 7.6, 原水温度 25,PAC 投加量为 4mg/L,PAM 投加量为 0 05mg/L 表 2 水旋澄清池中复配投药的试验结果 Table2 ExperimentalresultofdiferentdosagesofPAC andpam intheswirlingclarifier PAC5mg/L+PAM 0 05mg/L PAC4mg/L +PAM 0 05mg/L 原水浊度出水浊度浊度去除原水浊度出水浊度浊度去除 (NTU) (NTU) 率 (%) (NTU) (NTU) 率 (%) PAC 与 PAM 投加顺序对浊度处理效果的影响 PAC 与 PAM 投加顺序对浊度的去除效果有一定的影响, 其试验结果见表 3 表 3 结果显示, 先投加 PAC 或先加 PAM, 其处理效果有较大差别复配投药选择先投加 PAC, 然后再投加 PAM 其混凝效果最佳其原因是先投加的 PAM 可抢占空间, 且絮凝作用时间长, 对后加入的 PAC 本体具有网捕作用, 使 PAC 不能充分发挥絮凝作用图 6 PAM 投加时间对处理效果的影响 Fig.6 InfluenceoftimeintervalofPACand PAM onturbidityremovalefects 图 6 结果表明,PAC 投加后 PAM 的最佳投加时间间隔为 0 5~1 0min, 此时所形成的絮体颗粒大重而密实, 混液界面沉降速度最快 3.3 在水旋澄清池不同投药点进行投药对比试验取最佳投药量和最佳投药时间的条件下, 对 3 个不同的投药点进行对比试验 :1 在加药器前投药 ( 投药点 1 # ) 先加 PAC, 在水旋澄清池第一反应室 ( 投药点 3 # ) 投加 PAM;2 在加药器后 ( 投药点 2 # ) 先加 PAC, 然后在水旋澄清器第一反应室 ( 投药点 3 # ) 投加 PAM;3 在投药点 3# 同时投加 PAC PAM 试验对比结果见表 4

5 218 环境工程学报第 2 卷表 4 不同投药点投药试验结果 Table4 Experimentalresultsofreagentfeedingatdiferentspots 指标取样日期 7 月 21 日 7 月 22 日 7 月 23 日 7 月 24 日 7 月 25 日 7 月 26 日 7 月 27 日进水浊度 (NTU) 投药点 1 # 3 # 配合出水浊度 (NTU) 浊度去除率 (%) 投药点 2 # 3 # 配合出水浊度 (NTU) 浊度去除率 (%) 投药点 3 # 同时投药出水浊度 (NTU) 浊度去除率 (%) 注 : 表内数据为多次测量平均值从表 4 可以看出, 投药点 1 # 与投药点 3 # 复配投药效果最好这说明增加投药器对絮凝剂和原水有加强混合絮凝作用, 强化了絮凝效果, 提高了出水水质 3.4 PAC 与 PAM 复配作用的机理分析一般认为絮凝过程是絮凝剂水解产物对水中胶体进行电中和使其脱稳, 并通过吸附架桥或网捕作用使脱稳的胶体生成粒度较大的絮凝体, 再通过沉淀与过滤进行分离去除但是絮凝过程中的电中和吸附架桥或网捕 3 种作用很难同时达到优化状态 [16] 因此, 为实现絮凝优化, 通过两种混凝剂的复配投加来强化吸附架桥和网捕作用, 这对高浊度水处理尤为重要在絮凝反应池中, 无机混凝剂 PAC 是一种 Al 3+ 盐到 Al(OH) 3 ( 固 ) 之间的一系列准稳态物质 [17], 一般表示为 [Al 2 (OH) n Cl 6-n ] m 以 Al 13 聚合形态为主的聚合氯化铝絮凝剂, 其 Al 13 (O) 4 (OH) 聚合形态对负电荷表面颗粒有强烈的吸附 / 电中和及絮凝粘结架桥作用, 是导致聚合铝高效凝聚絮凝作用的最佳凝聚形态黄河泥沙多带负电荷, 有利于 Al1 3 (O) 4 (OH) 聚合态的吸附 / 电中和在水旋澄清池的处理系统中, 通过投药器的折板使先投入的 PAC 和进水充分混合, 使泥沙胶体颗粒表面迅速发生电中和 / 吸附作用, 然后在水旋澄清池的反应室中形成脱稳胶粒, 此时在反应室内再投加高分子助凝剂 PAM [18], 经水旋混合, 聚丙烯酰胺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其作用机理模型见图 7 图 7 PAM 吸附架桥作用机理示意图 Fig.7 Schematicdiagram ofadsorption bridging mechanism ofpam 通过水旋澄清池的反应区和沉淀区的两次分离, 高效絮凝剂 PAC 与高效助凝剂 PAM 的电中和吸附架桥网捕作用较同步地达到优化状态, 形成了大而密实的絮凝体, 絮体沉淀速度快, 能明显提高固液分离效率因此采用 PAC 与 PAM 复配投加并优化其絮凝反应条件的强化水旋澄清池技术对于黄河高浊度水的处理是切实可行的通过现场实验验证了 PAC 和 PAM 在絮凝反应中作用机理的不同若先加入 PAM, 因部分 PAM 离子自身吸附并卷曲, 导致吸附架桥作用减弱, 不利于脱稳胶粒进一步凝聚试验结果表 4 充分验证了这一结论 3.5 水旋澄清池试验模型与水厂水旋澄清池对比试验研究在相同进水条件下, 水旋澄清池试验模型采用

6 第 2 期李德生等 : 强化水旋澄清池技术处理黄河高浊度水的试验研究 219 先在加药器中投加 PAC5mg/L, 然后再在水旋澄清池第一反应室中投加 PAM 0 05mg/L; 水厂水旋澄清池是在水旋澄清池中同时加入 PAC20mg/L 和 PAM 1mg/L, 二者运行结果对比见图 8 图年 8~9 月强化水旋澄清池浊度去除效果图 Fig.8 Efectofremovingturbiditybyenhanced swirlingclarifierfrom Aug.2002toSep.2002 由图 8 可以看出, 水旋澄清池试验模型对浊度的去除效率高于水厂现有水旋池, 且大大节约了药剂的投加量, 减少了运行成本此项技术的研究对水厂水旋澄清池的技术改造具有指导作用 4 结论 (1) 改变水旋澄清池的进水方式和投药系统, 可提高水旋澄清池的混凝反应效率 (2) 在水旋澄清池的絮凝沉淀中, 采用单独投加无机絮凝剂聚合铝时, 增加投药量可以使浊度的去除率明显提高, 但投加量越大, 运行费用越高, 产泥量就越大采用 PAC 与 PAM 复配投加的投药方式, 可降低药耗, 节约成本, 提高处理率 (3) 在絮凝沉淀过程中,PAC 和 PAM 的投加顺序对处理效果有较大影响采用先投加 PAC 后投加 PAM 的处理效果优于先投加 PAM 后投加 PAC 的处理效果 PAM 的最佳投加时间为 PAC 投加后间隔 0 5~1 0min (4) 不同投药点的试验结果表明, 投药器对加强絮凝剂和原水的混合起到了促进作用, 强化了絮凝效果 (5) 优化后的水旋澄清池更适合于高浊度水的处理, 与水厂现有水旋池相比效果更明显该项技术的研究对水厂水旋澄清池的技术改造具有指导作用, 能够推广应用于黄河高浊度水的强化处理工艺中参考文献 [1] 蒋难先, 姚昕. 兰州高浊度水预沉处理运行要点. 净水技术,2001,20(1):24~27 [2] 张新喜, 左爱华, 钟梅英. 脉冲澄清池的改进设计与运行. 中国给水排水,2003,19(7):77~78 [3] 王鹤立, 肖树宏, 赫俊国, 等. 常规混凝沉淀给水处理工艺的强化. 给水排水,1999,25(6):1~4 [4] Thompson M.A. Membrane filtration ofhigh turbidity sources.watersupply,2001,1(5~6):325~330 [5]GurusamyAnnadurai,SungS.S.Duu JongLee.Simulta neousremovalofturbidityandhumicacidfromhighturbid ity stormwater. Advances in Environmental Research, 2004,8(3~4):713~725 [6]LeeS.,KweonJ.H.,ChoiY.H.,etal.Efectsoffloccu lentaggregatesonmicrofiltrationwithcoagulationpretreat mentofhighturbiditywaters.waterscience& Technolo gy,2006,53(7):191~197 [7] 傅文德, 许保玖. 高浊度给水工程. 北京 : 中国建筑工业出版社, ~153 [8] 王刚, 邱文慧. 新型澄清池工艺与常规水处理工艺技术经济比较. 甘肃科技,2004,20(7):84~86 [9] 温德飞, 陈雷, 曲红, 等. 高效混凝沉淀技术在澄清池改造中的应用. 辽宁化工,2007,36(3):181~183 [10] 傅金镒, 司乃强. 加速澄清地排泥设备的改造与应用. 甘肃能源,2001,(1):16~18 [11]AmirtharajahA.Sometheoreticalandconceptualviewsof filtration.jawwa,1988,80(12):36~46 [12]ChichuanKan,ChihpinHuang,JilRuhsingPan.Coagu lationofhighturbiditywater:theefectsofrapidmixing. JournalofWaterSupply,2002,51(2):77~86 [13] 刘秉钧. 水旋澄清池设计中的几个问题. 铁道标准设计,1993,(8):25~27 [14] 茅玉林. 改进型水力循环澄清池的效果. 华东电力, 2002,(2):61~62 [15] 许保玖. 当代给水与废水处理原理. 北京 : 中国建筑工业出版社,1991 [16]LicskoI.Realisticcoagulationmechanismsintheuseof aluminum andiron( I)salts.WaterSci.Tech.,1997, 36(4):103~110 [17] 何成达. 二次凝聚法去除原水 TOC 的特征研究. 给水排水,2002,28(5):18~20 [18] 岳舜琳. 聚丙烯酰胺处理高浑浊水. 中国给水排水, 1988,4(2):27~32

第卷从混凝机理分析, 在一定的有机高分子药剂投加剂量下, 药液的浓度越低, 均匀混合效果越有利 [ ] 对于泥沙浓度高的高浊度水, 较高的药液浓度更会给絮凝造成一定影响, 使药液在水中快速混合效果较差为增强混凝效果, 增加投药器改造水旋澄清池的进水方式传统水旋澄清池的进水管, 直接进

第卷从混凝机理分析, 在一定的有机高分子药剂投加剂量下, 药液的浓度越低, 均匀混合效果越有利 [ ] 对于泥沙浓度高的高浊度水, 较高的药液浓度更会给絮凝造成一定影响, 使药液在水中快速混合效果较差为增强混凝效果, 增加投药器改造水旋澄清池的进水方式传统水旋澄清池的进水管, 直接进第卷第期年月 ( ) 文章编号 : - ( )- - 强化水旋澄清池技术处理高浊度黄河水的研究 * 董志龙, 李德生, 班云霄, 于连群, 王宝山 ( 兰州交通大学环境与市政工程学院, 甘肃兰州 ) 摘要 : 分析了常规水旋澄清池处理工艺提出了增加投药器改变投药方式和改造水旋澄清池进水方式的强化措施实验结果表明, 水旋澄清池经强化技术改造后, 黄河水中浊度有机物氨氮的去除率均有了较大提高