强化混凝处理大伙房水库低温高浊水试验研究

宋浩文

（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

大伙房水库于1995、1996、2001、2005、2010、2013等年份夏季突发强降雨，上游大量泥沙卷入水库，引起原水浊度、CODMn等水质指标突发性升高[1-2]。进入秋冬季水温低于5 ℃以下时，浊度仍在50 NTU上下，并在接下来几个月内缓慢降低，水质恢复的漫长过程持续到次年春季，出现了“浊水长期化”的情况[3]。大伙房水库所经历的低水温时间长，全年有100天以上水温在2～5 ℃之间。汛后原水中较多的颗粒物质并没有改善低温水的处理效果，像这样冬季低水温偏高浊度水稳定且难以沉淀，出水水质不好。试验研究大伙房水库这种汛后低温高浊度水质，利用强化混凝处理工艺，以最大限度去除水中浊度、有机物等为目的，确定最适宜的混凝工艺参数。

1 实验部分

1.1 原水水质

总结大伙房水库洪水后11月至次年2月原水指标，使用沈阳建筑大学地下水水源作为配制水基础，添加高岭土、湖泥及腐殖酸等模拟原水中的浊度、CODMn、UV254等指标进行污染物浓度调整，配制浊度50～55NTU、CODMn3.4～3.6 mg·L-1、水温2～3℃、pH值7.5～7.8 的实验水样。

1.2 试验材料及设备

试验材料：PAC、盐酸、氢氧化钠、腐殖酸、阳离子型PAM，均为分析纯；高岭土为工业级产品。

设备：六联搅拌器、pH计、浊度计、电子天平、紫外可见分光光度计。

1.3 试验方法

针对汛后低温偏高浊度水，确定PAC投加量，利用正交试验确定最适宜的搅拌条件。再观察讨论PAM、pH值对混凝的影响趋势，选取各因素中具有代表性的水平进行正交试验，讨论各相关因素间的影响顺序，得到最适宜的混凝参数。

2 结果与讨论

2.1 投药量对混凝效果的影响

PAC投加量对混凝及残留铝质量浓度的影响如图1所示。由图1可知，随着PAC投加量逐渐提高，沉淀后的剩余浊度迅速降低后趋于平稳，在投加30 mg·L-1PAC时去除88.4%的浊度，剩余浊度为5.25 NTU，投入过量则会因胶体保护导致混凝效果不再提高。在试验范围内，投药量与CODMn的去除率大体呈正相关，当投药30 mg·L-1时，去除率增至32.8%，剩余CODMn为2.35 mg·L-1。出水残留铝质量浓度与剩余浊度有相关性，都随混凝剂投加量增加而先减少后上升。混凝剂与水中颗粒物质结合形成络合物，沉降后浊度降低，铝也随之除去。PAC投加25 mg·L-1时，沉淀后残留铝质量浓度最低，为0.068 mg·L-1。若再增投混凝剂则其利用率降低，混凝效果变差，一部分铝残留在水体中和剩余浊度同步增加。结合经济及混凝效果，投加30 mg·L-1PAC较为合适。但单独投加PAC出水水质达不到标准，可见低温妨碍了混凝作用的发挥，冬季大伙房水库原水水温低于5 ℃的时候，应适当加入助凝剂增强混凝效果。

2.2 最佳搅拌条件的确定

混凝时的水力条件对絮体的形成十分关键，影响到混凝和后续工艺对水体浊度及有机物的去除。综合考虑混凝效果及经济性，通过正交试验最终确定最佳的搅拌条件，如表1所示。

表1 混凝试验的搅拌条件

2.3 pH值对混凝效果的影响

大伙房水库库容量大，具备较强稀释能力，正常年份水体pH值起伏不大，受到严重污染时，才会造成较大波动。以大伙房水库2018年统计数据为例，原水的pH值长期稳定在7.5～8.7之间，原水秋冬季的pH值比夏天低0.5左右，一般为7.5～8。投加30 mg·L-1PAC进行混凝试验，结果如图2所示，pH值小于6时，处理后浊度降低不明显，而CODMn去除效果较好；当水样pH值为6.5时，CODMn的去除率上升到最大值，为41.45%。pH值在6～9内变动时，浊度去除率先上升再降低，当pH值在7～7.5范围变化时，最高可以去除89%的浊度，此后逐步降低。可以看出，混凝去除有机物的最佳pH值略低于去除浊度的最佳pH值。

图2 PAC投加量对混凝及残留铝质量浓度的影响

从图2可以看出，pH值≤8.0时，残留铝质量浓度有所下降，pH值为7.0时混凝沉淀后水中铝质量浓度较低，水中铝以Al3+形态存在，当pH值＞7.5时，铝以AlO2-形态存在，造成出水余铝质量浓度升高，若pH值持续升高，聚合铝的水解形态会从胶体铝和中高聚合度铝转化成低聚合度铝[4]，可见出水余铝质量浓度高低与原水pH值有关。对于聚合态的混凝剂，如PAC和PAM，受水体pH的影响较小，大伙房水库原水的pH值处于PAC最佳的作用范围内，所以不考虑通过调节水体pH值来改善去除效果。

图2 pH值对混凝及残留铝质量浓度的影响

2.4 助凝剂对混凝效果的影响

投入适量的助凝剂可以提高颗粒碰撞几率，促进PAC对水中杂质的处理效果，减少投药量。本阶段试验投加30 mg·L-1PAC，2 min后加入PAM在最佳水力条件下进行混凝试验，结果如图3所示。

图3 PAM投加量对混凝效果的影响

由图3可知，PAM投加0.02 mg·L-1时即起到助凝效果，投加0.08 mg·L-1时，沉淀后出水浊度为1.89 NTU左右，出水CODMn为2.05 mg·L-1。低温条件下，单独使用PAC可达到86%的除浊效率，添加PAM后，最高有95%的浊度得到去除。继续加大投加则对混凝效果改善不大，过量的PAM会包裹絮体使其重新携带负电荷难以沉降。

PAM投加时间对混凝效果的影响如图4所示。由图4可知，PAM投加时间同样影响混凝效果，PAM在PAC后投加时的出水水质好于同时投加或先投加。若先加入PAM，其自身吸附并卷曲，导致吸附架桥作用减弱，影响凝聚作用发挥。同时投加两种药剂时，它们会发生吸附及电中和影响混凝。试验表明，在PAC投加1min后即在絮凝搅拌开始时，投加PAM助凝效果最好。投加过早，絮体尚未形成；投加过晚，其助凝效果发挥不充分。当助凝剂投加时间为PAC投加1 min后时，浊度去除达到了97.4%，剩余浊度 1.42 NTU，剩余 CODMn为2.20 mg·L-1，去除率为38.81%。

图4 PAM投加时间对混凝效果的影响

2.5 混凝工艺影响因素探究

进行混凝正交试验，最终确定混凝各影响因素的主次顺序及最佳水平，结果见表2、表3。

表2 强化混凝正交因素水平表

对表3进行显著性检验，综合分析对比浊度、CODMn两个指标，PAC投加量对浊度最佳水平是A3，对CODMn最优水平是A5，对浊度和CODMn的影响都不明显，选择对浊度去除效果最好的28 mg·L-1；PAM投加量对CODMn的影响更明显，选择对CODMn去除效果最好的0.10 mg·L-1为PAM投加量；投加间隔时间对去除浊度、CODMn的影响都非常明显，最佳水平都是C3，故选择助凝剂在混凝启动1.5 min后投加。pH值对浊度最佳水平是D4，对CODMn最佳水平是D2，主要考虑对混凝除浊的影响，pH值选择7.6。

表3 强化混凝正交试验分析表

3 结 论

本文就强化混凝处理大伙房水库汛后秋冬季低温高浊度水进行了试验研究，讨论了各因素对去除浊度和有机物的影响，得到了最佳水力条件为混合阶段转速300 r·min-1持续1 min；一级絮凝搅拌阶段以转速140 r·min-1搅拌6 min；二级絮凝搅拌阶段以转速50 r·min-1搅拌15 min，沉淀30 min。分析混凝正交试验的数据，确定PAC投加量28 mg·L-1，在混凝启动1.5 min后投加0.10 mg·L-1PAM效果较好，最佳pH值为7.4，此时观察到絮体成长迅速密实，沉降较快，泥水分离明显，试验平均出水浊度1.39 NTU，出水CODMn为2.18 mg·L-1，去除率可分别达 97.16%与 39.28%，残留铝质量浓度0.058 mg·L-1，与过滤等工艺结合，可以达到出厂水标准。