低温低浊水的微絮凝直接过滤处理综述

□刘道静（商丘市水利局）

□刘 阳（上海市水利工程设计研究院有限公司）

低温低浊水为水温在4℃左右，浊度为20NTU上下的水。我国北方以江河水为水源的水厂，每年的10月至次年3、4月份有长达5至6个月的冰封期，期间水源水质存在水温低、浊度低、有机污染加剧的问题。

1.低温低浊水的特性

低温低浊水中杂质颗粒以胶体形式均匀分散于水中，其中带负电胶体颗粒数量较少，并且其动力稳定性和凝聚稳定性较强。这些特点决定了水体电中和所需混凝剂较少，因此形成的絮体存在细、少、轻，难于沉淀的特点。

低水温时，由于胶体颗粒Zeta电位较高、胶体颗粒间排斥势能较大、胶体溶剂化作用增强、水体粘度变大使沉速降低以及气体溶解度大吸附在絮凝周围使絮体密度降低等原因,造成胶体颗粒脱稳困难，絮凝效果不佳。

低浊水中还存在溶解性天然有机物腐植酸、富里酸等，其浓度和特性决定了水中无极胶体颗粒的凝聚动力学过程。因此絮凝时只有加大投药量在混凝剂中和了溶液中颗粒表面的天然有机物点和后才表现出架桥作用，而加大投药量又会产生铝残余浓度过高的问题。研究表明,摄铝过多会引发老年痴症，因而不能仅靠提高混凝剂投加量的方法来满足低温低浊水的处理要求。

近年来，采用微絮凝工艺处理低温、低浊、有色水体已成为发达国家水厂主要工艺选择。

2.微絮凝—直接过滤

微絮凝—直接过滤技术是省去沉淀过程，将混凝与过滤过程有机结合在一起在滤池内同步完成的一种新型混凝过滤工艺技术。微絮凝是指在含有悬浮颗粒的浑浊水中加入絮凝剂使形成微小的聚集体的絮凝过程。直接过滤是指加入絮凝剂后，在滤前设置适当的絮凝反应池，将絮凝反应一部分在反应器内进行，另一部分移至滤池中进行过滤的过程，以增大初级絮体颗粒粒径达到减少滤池水头损失的目的。

2.1 机理

直接过滤过程中胶体颗粒的去除最基本的决定因素是悬浮颗粒大小，由于待去除颗粒物尺寸远小于滤料孔隙尺寸，两者之间的物理化学相互作用是颗粒物去除的主要影响因素。同时滤料孔隙中的水流剪切力、化学处理等都会影响到颗粒物的粘附与截留。研究表明过滤中的化学条件及颗粒物脱稳与絮凝最佳条件一致，而且絮凝中有效的化学影响在过滤中也有效。直接过滤是当絮凝体zeta电位达到最高值时进入滤层的，zeta电位降低，颗粒间的吸力就开始发挥作用，当zeta电位接近0时，吸引力达到最大值，脱稳微粒相互吸附絮凝而不断被滤料截留去除。

2.2 适合的源水类型

Culp报告中对直接过滤对源水浊度和色度适用性做出总结：第一种是浊度和色度均<25单位的水体；第二种是低浊度、色度≤100色度单位；第三种为低色度、浊度≤200NTU。而Wiesnereta1.14J得出直接过滤对源水颗粒浓度和大小的适用性：第一种为出水颗粒浓度<10mg/L，悬浮颗粒直径<1μm；第二种为出水颗粒浓度2～15mg/L，悬浮颗粒直径2～4μm。而在实际应用中，针对不同水源需要通过试验来确定最佳的处理药剂和处理工艺。

2.3 絮凝剂的使用

20世纪80年代有研究报告指出，阳离子聚合物絮凝剂在絮凝时不形成氢氧化物絮状沉淀就可以完成电中和，从而延长过滤周期并使水头损失增长速度减慢。

栾兆坤、李桂平等研究表明，微絮凝—直接过滤工艺中聚合铁比聚合铝形成絮体更快、更密实、抗剪力更好，滤池运行周期更长，所需投药量也较少。

除了用聚合铁代替聚合铝作为絮凝剂以外，节省絮凝剂的方法还有：采用微絮凝变孔隙深层过滤代替均孔隙系统，在达到相同效果的情况下，变孔隙系统PAC只需1-2mg/L，而均孔隙系统PAC需要6-9mg/L；选用新型聚铝硅作絮凝剂，形成絮体快、过滤周期长、投药量少、出水水质好,同时可降低滤床深度。经统计,微絮凝工艺一般可以比传统工艺节约5%-10%的絮凝剂；在达到相同处理水平时，进行二次微絮凝比不进行二次微絮凝节省絮凝剂。

2.4 滤料

微絮凝直接过滤滤池滤料一般采用无烟煤、石英砂双层滤料或者单层石英砂滤料，这有利于接触絮凝作用。炭砂双层滤料滤池相对于单层砂滤池出水浊度更稳定，水头损失增长速度更慢，单位时间产水量更大。同时，研究表明炭砂双层滤料滤池对CODMn、氨氮和亚硝酸盐氮和腐殖质等的去除效果更好。

3.几种微絮凝工艺简介

3.1 微絮凝—超滤工艺

超滤是一种膜分离法，指在压力作用下，利用特定膜的透过性能，实现分离水中胶体、分子或离子等的目的。超滤具有出水水质稳定、去浊率高、能有效去除水中病原体生物的显著优点，并且超滤工艺还具有占地面积小、基建费用低、建设周期短的特点。但是原水直接进行超滤处理有机物去除率较低，而超滤膜受到有机物污染后直接影响超滤工艺的产水效率和运行成本。针对此种情况可进行微絮凝预处理，能够有效去除水体中有机物，研究表明当进水CODMn为3.6～4.5mg/L时，出水CODMn<3.0mg/L，所以微絮凝是比较合适的预处理方法。

在基建和设备投资方面，微絮凝—超滤工艺与常规工艺相差不大，考虑到征地费用的话微絮凝—超滤工艺相对常规处理工艺要节省一些，研究表明微絮凝—超滤工艺的运行成本为0.233元/m3，(不含人工费及取水泵房和送水泵房的能耗费用)，而常规工艺只需要药剂费用和一些日常的维护费用，约为0.05元/m3左右。相对来说，常规工艺的运行费用要便宜很多。

3.2 微絮凝变孔隙深层过滤技术

变孔隙过滤采用的滤床是一种比普通滤料粒径更大的滤料和一种细滤料按一定比例混合而成，这两种粒径滤料所占的比例相差较大，其中细滤料所占比例约为3%～4%。这种滤床可使出水水质得到改善，采用大粒径滤料实现滤层整体过滤，小粒径滤料保证出水水质。

微絮凝变孔隙深层过滤技术与均孔隙滤料相比，可以显著降低絮凝剂投药量，在达到同样处理效率情况下，变孔隙深层过滤可采用较大粒径滤料，进水负荷较高，产水量较大，过滤周期较长。微絮凝变孔隙深层过滤能够充分利用滤床进行过滤，提高过滤效率。

4.微絮凝—直接过滤技术的优缺点及前景

微絮凝—直接过滤工艺技术和经济效果显著。该工艺处理流程简单，不需要建造沉淀池和絮凝反应池从而占地面积小，基建费用较低；由于直接过滤中絮体不需要生成很大，因此可以显著降低絮凝剂投加量；该工艺还具有延长过滤周期、提高产水量和出水水质的优点。

由于受截污量的限制，微絮凝—直接过滤对处理高浊度、高色度的水质有一定的局限性；同时由于原水经混凝后直接进入滤池过滤，滤床停留时间短，熟化慢，因此对絮凝过程选择合适的药剂及投加量需要通过大量试验来优化确定。

我国对直接过滤工艺的应用研究大部分建立在传统滤池结构基础上，局限在常规滤料和较浅床身的研究上，相关实际应用也较少。

微絮凝—直接过滤中颗粒的去除主要取决于颗粒的传输和粘附过程，因此可以进一步研究微絮凝—直接过滤微观理论，研究颗粒传输粘附的微观过程。通过实际试验来优化这些设计参数以及滤料粒径和滤料滤层等也是进一步研究的问题。

絮凝剂的选择直接影响微絮凝—直接过滤工艺的实际运行效果和运行费用，所以应进行新型高效絮凝剂在微絮凝—直接过滤工艺中的应用研究。

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