复合混凝沉淀用于生态补水水体除磷

安宗胜，张 浏，袁步先，方春霞，刘 乐

(安徽省环境科学研究院，安徽合肥 230071)

近年来，随着我国经济快速发展和城市规模急剧扩大，城市景观河道呈现出水体污染严重、生态基流缺乏、生态功能退化等特征[1]。城市景观河道水污染防治过程中，在截污控源、水质净化等基本措施基础上，生态补水措施对于河道生态基流的维持和生态系统的改善尤为重要[2-3]。相比于污水厂再生水和水库清洁水源，利用净化后的湖水作为城市景观河道补水水源，具有水质好、水量充足等优势[4]。为有效避免湖水富营养化问题随补水过程进入河道，快速去除湖水中的磷营养元素成为生态补水成功之关键[5]。

混凝沉淀法除磷工艺广泛应用于生活污水和工业废水，相比于生物法具有水力停留时间短、操作控制简便、运行稳定等优点。混凝沉淀法中常用的混凝剂有聚合氯化铝(PAC)、硅藻土等无机混凝剂及聚丙烯酰胺(PAM)等有机高分子絮凝剂。研究发现，硅藻土和PAC均对污水中的总磷具有很好的去除效果[6-7]。然而有关以PAM和硅藻土作为助凝剂协同PAC混凝沉淀，用于生态补水除磷控藻的研究鲜有报道。笔者在研究PAC和硅藻土对湖泊原水除磷控藻效率的基础上，进一步研究PAM作为助凝剂在混凝沉淀过程中的强化作用，考察这3种混凝剂协同混凝沉淀法除磷效率，探索不同总磷浓度进水条件下混凝剂的最佳组合比例及投加量，为相关生态补水水体除磷工程实践提供参考。

1 材料与方法

1.1混凝剂该试验所用硅藻土是由云南庆中科技有限公司生产，以92%以上的硅藻精土与常规铝盐、铁盐复配所得的改性硅藻土污水处理剂，其化学成分主要为SiO287%、Al2O36%、Fe2O31%，其余为CaO、MgO及一些有机物等。PAM、PAC均为天津市鼎盛鑫化工有限公司生产的分析纯级试剂。

1.2试验用水该试验采用巢湖原水。巢湖水COD、氨氮浓度较低，总磷含量相对较高，西半湖污染较东半湖严重。2017年6—10月总体污染状况为中度污染，主要污染因子为总磷，水质如下：CODmn4.2～8.6 mg/L(Ⅲ～Ⅳ类)、氨氮0.16～0.42 mg/L(Ⅱ类)、总磷0.19～0.97 mg/L(劣Ⅴ类)。

1.3试验方法将湖水加入六联搅拌机容量为1 L 的烧杯中，加入混凝剂PAC，快搅 (500 r/min) 1 min后，加入助凝剂硅藻土和(或)PAM，然后慢搅(60 r/min) 15 min进行絮凝反应，沉淀60 min后从烧杯中部取上清液分析。其中，PAM采取预先配成0.1%溶液方式投加。上清液总磷测定采用钼酸铵分光光度法(GB 11893—1989)。

2 结果与分析

2.1硅藻土、PAC、PAM单独投加时总磷的去除效果采用总磷浓度为0.59 mg/L原水为试验对象，单因子试验表明，硅藻土和PAC均对总磷具有较好的去除效果，如图1所示。硅藻土对总磷的去除率为43.2%～48.7%，而PAC对总磷的去除率为31.5%～38.3%。同等投加量条件下，硅藻土对总磷的去除率比PAC高约10%。而PAM对总磷去除率较低，为11.2%～17.6%，且随着投加量增加去除率反而有所下降，单独投加PAM混凝沉淀效果不佳。研究分析，高分子絮凝剂常作为助凝剂使用，通过其长链结构的吸附架桥作用去除悬浮颗粒。水中颗粒浓度过低或高分子絮凝剂投加过量，都不利于混凝沉淀发生[8]。

图1 硅藻土/PAC/PAM对总磷的去除率Fig.1 Removal rate of TP by diatomite /PAC/PAM

2.2PAC+硅藻土(或PAM)组合投加时总磷的去除效果试验发现，当PAC投加量较大时，混凝反应后絮体的沉降性较差，在反应器底部有较厚的泥渣层。为了加快沉降速度，提高泥渣密实度，需在混凝过程中投加一定量的助凝剂。

采用总磷浓度为0.59 mg/L原水为试验对象，分别进行PAC+硅藻土和PAC+PAM正交试验，结果如图2所示。由图2a可知，当硅藻土投加量一定时，增加PAC的投加量，总磷去除率均有不同程度提高；而当PAC投加量一定时，随着硅藻土投加量的增加，总磷去除率亦有所提高。在硅藻土投加量为40 mg/L、PAC投加量为40 mg/L时，总磷去除率达89.6%。

由图2b可知，当PAC的投加量为20 mg/L时，总磷去除率随PAM投加量增加而小幅提高，由55.6%提高至59.3%；当PAC投加量为40 mg/L、PAM投加量为1.0 mg/L时的总磷去除率最高，达76.5%，而PAM投加量为0.5和1.5 mg/L时，总磷去除率分别为71.2%和72.4%；当PAC投加量为60 mg/L时，总磷去除率随PAM投加量增加而降低，由70.5%降为61.3%。

图2 硅藻土+PAC组合(a)和PAM+PAC组合(b)对总磷的去除率Fig.2 Removal rate of TP by diatomite +PAC combination(a) and PAM+PAC combination(b)

2.3硅藻土+PAM+PAC组合对总磷去除效果为了有效控制无机混凝剂PAC和硅藻土的用量，研究助凝剂PAM对PAC与硅藻土组合混凝沉淀除磷效果的影响。采用总磷浓度为0.59 mg/L原水为试验对象，分2组进行。一组分别投加PAC+硅藻土组合絮凝剂(比例为1∶1)20、40、60、80 mg/L，再各添加1 mg/L PAM；另一组不添加PAM仅投加PAC+硅藻土组合絮凝剂。研究发现(图3)，不加PAM时，需要40 mg/L PAC+硅藻土组合絮凝剂才能达到85%以上总磷去除率，而添加1 mg/L PAM时，只需要20 mg/L组合絮凝剂就可以达到85%以上总磷去除率，PAM助凝效果明显。

图3 PAM+PAC+硅藻土组合对总磷的去除率Fig.3 Removal rate of TP by PAM+PAC+ diatomite combination

2.4助凝剂最佳投加量研究为进一步研究不同总磷初始浓度条件下PAM助凝剂适宜的投加量，针对0.34、0.59、0.97 mg/L 3种不同总磷浓度的原水，PAC+硅藻土(1∶1)无机复合混凝剂的投加量分别对应为20、40、60 mg/L，PAM投加量为0.25～2.00 mg/L，试验结果如图4所示。

从图4可看出，对于总磷浓度为0.34和0.59 mg/L的原水，PAM投加量为0.50 mg/L时，总磷去除率即接近85%，随后随着PAM投加量增加，总磷去除率提升幅度较小，当PAM投加量超过1.00 mg/L时，总磷去除率反而有所下降；对于总磷浓度为0.97 mg/L的原水，当PAM投加量为0.50 mg/L时，总磷去除率约75%，PAM投加量为0.75 mg/L时，总磷去除率约86%，随后随着PAM投加量增加，总磷去除率小幅度提升，PAM投加量为1.25 mg/L时，总磷去除率为90.3%。

图4 PAM+PAC+硅藻土对不同初始浓度进水总磷去除率Fig.4 Removal rate of TP by PAM+PAC+ diatomite at different initial concentrations

2.5工程实践塘西河生态补水工程选址于原合肥市供水集团巢湖水源厂内，利用已废弃泵房取水管道提供进水水源，在已废弃的泵房取水井位置建设藻水分离腮式过滤设施和混凝沉淀水处理设施。巢湖蓝藻暴发月份，巢湖原水先经过藻水分离腮式过滤器去除大部分蓝藻后再进入混凝沉淀段，其余月份巢湖原水则直接进入混凝沉淀段进行除磷处理。工程出水经厂外长约14 km的输水管道送至塘西河上游。工程实施目的是为塘西河补充清洁水源、改善水体流动性、修复河道生态系统和自净能力，既消除塘西河劣Ⅴ类入湖水质，同时又去除巢湖水体污染物。工程设计规模为5万m3/d，设计出水TP≤0.05 mg/L。

图5 2017—2018年2月工程混凝沉淀开始段进出水总磷浓度动态变化Fig.5 Dynamic change of TP concentration of influent and effluent water in the coagulation and sedimentation section of the project in February from 2017 to 2018

通过对塘西河生态补水工程每天进、出水总磷浓度进行检测，分析总磷月均值动态变化(图5)得出，塘西河生态补水工程混凝沉淀段进水总磷浓度为0.18～0.45 mg/L，水质类别为Ⅴ类～劣Ⅴ类。经过混凝沉淀处理后，工程出水总磷浓度为0.019～0.031 mg/L，稳定达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)湖、库Ⅲ类水标准。进一步分析发现，大部分月份工程出水总磷浓度甚至达到湖、库 Ⅱ 类水标准，处理效果非常显著。该工程以巢湖水为水源，湖水净化后补给城市景观河道，既从巢湖中移出了污染物，又有助于解决城市景观河道水量短缺、水质恶化的难题；既有利于巢湖水质改善，又促进了城市河道水质稳定达标。

3 结论

(1)硅藻土和PAC均对巢湖湖水总磷具有很好的去除效果，而单独投加PAM对总磷去除率较低。当采用硅藻土+PAC组合混凝剂处理巢湖湖水时，大大提高了净化效率。综合考虑经济成本和净化效果，硅藻土与PAC最佳投加比例为1∶1，具体投加量应根据进水性质和总磷浓度确定。

(2)助凝剂PAM具有很好的助凝效果，投加少量的PAM可有效降低硅藻土和PAC用量。当进水总磷浓度为0.59 mg/L时，投加40 mg/L硅藻土+PAC(1∶1)复合无机混凝剂及0.75 mg/L高分子助凝剂PAM，即可达86%的总磷去除率。

(3)塘西河生态补水工程以巢湖水为水源，经硅藻土、PAC和PAM复合混凝剂快速、高效去除巢湖原水中的总磷后补入河道上游，在有效防范了巢湖原水补入城市景观河道后带来水体富营养化风险的前提下，解决了城市河道水量短缺、水质恶化的难题。