PAC 在黄河高浊水二级混凝沉淀工艺中的应用研究

刘彦汐，金 玫，崔 雯

（1.四川水利职业技术学院，四川 成都 611231；2.兰州城市供水（集团）有限公司，甘肃 兰州 730060）

黄河是我国泥沙最大的河流，砂情季节变化幅度大，其年际输沙量变差系数Cv 值达0.4～0.55。同时黄河流域范围内地质构造复杂，呈现出水砂异源的特征。黄河高浊度水是指以浑液面沉降为基本特征的河水，因此其净化流程和一般水源有较大的差别[1]。在以黄河地表水为原水的自来水处理工艺中，混凝沉淀是水处理技术核心，而混沉效应则主要体现在通过优化水处理工艺设计和选择新型混凝剂以加大浑液面的沉速和泥沙分离浓缩效率[2-3]。

1 高浊水二级混凝沉淀工艺

1.1 二级混凝沉淀工艺

对于黄河高浊水来说，一级混凝沉淀是无法达到水质处理要求的，因此在以黄河高浊水为原水的地表水处理工艺中，经常采用二级混凝工艺[4]。以某自来水厂为例，其一级混凝沉淀处理工艺采用投加有机高分子混凝剂聚丙烯酰胺（PAM）和聚二甲基二烯丙基氯化铵（HCA），以原水浊度3 000 HTU 分界，大于3 000 HTU 投加聚丙烯酰胺，小于3 000 HTU投加HCA 药剂[5-6]。一级混凝沉淀处理工艺平均去浊率达70%以上，但余浊水质指标仍然不能满足低于滤池进水最大浊度限值的要求，如果简单采用加大混凝剂PAM 或HCA 投加量的方法，并不能获得理想的效果[7]。因此需要在一级混凝之后串接二级混凝工艺，对余浊作进一步的去除。二级混凝工艺原采用投加无机铁盐FeCl3，多年的生产实践表明，对一级混凝工艺后残浊的去除效果较好，处理水质稳定。

1.2 研究拟解决的问题

二级混凝工艺采用无机铁盐作为混凝剂,虽然处理水质稳定，但是也暴露一些问题：①无机铁盐混凝剂配矾过程产生蒸汽影响健康，工作环境条件差。②高浓度的无机铁盐混凝剂投加过程中腐蚀投药管道，加大了设备检修的负担。③二级混凝工艺无机铁盐FeCl3矾基相对较高，混凝耗量较大，增大了水的处理成本[8-9]。聚合氯化铝（PAC）是一种优良的无机高分子絮凝剂，具有絮体形成快、沉淀性能好，水中碱度消耗少，特别是对水温、pH、浊度和有机物含量变化适应性强等优点。但其作为一级混凝工艺的水处理剂对高浊度的水处理效果不佳[10-12]。因此，本研究以PAC 代替FeCl3，通过生产实验，对PAC作为二级混凝工艺的混凝剂进行效果分析研究。

2 平行生产性实验

2.1 实验检测设备及仪器

主要检测与仪器见表1。

表1 实验主要设备表

2.2 生产性实验工艺单元及水质检测采样点

平行生产性实验在两组平流式沉淀站进行，单组设计计算水量Q=0.95 m3/s。混合段设计采用两级串联机械搅拌混合，水力停留时间HRT=24 s，搅拌梯度G=700～1000 s-1。本次实验工况采用一级机械搅拌，搅拌梯度G=700 s-1，混合时间T=12 s。反应段全长25 m，沿水流方向分四级串联。各级采用上下折流式波形反应器，前后级串之间为渐减流水力形态，反应时间25 min。沉淀段全长73 m，前段为平流区，后段为斜板区，总水力停留时间HRT=1.5 h。本次水质采样点设置在斜板段，1#采样点位置斜板前端（即斜板入流端），2#采样点位置斜板后端（即斜板出流端）。研究采用生产性平行对比实验，一格平流式沉淀站投加原混凝剂FeCl3，另一格平流式沉淀站投加实验混凝剂PAC。由于本研究为生产性实验，要求每格平流式沉淀站出水余浊不能高于10 NTU，以满足滤站进水水质最大控制浊度的技术要求。生产性实验工艺单元示意图见图1。

图1 生产性实验工艺单元示意图

3 实验数据整理及结果分析

3.1 实验数据采集及数据处理方法

本次应用性生产实验周期为期1 年，每日按水厂沉淀站规定水质检测操作规程取样检测。取样频次为每小时1 次，水质采样点为1#、2#采样点，取样后立即进行余浊检测。由于生产性实验偶然因素较多，干扰因子不易控制及排除，所以实验数据只有大量的统计结果才有研究意义。因此本次实验余浊数据统计根据时均量统计日均量，再根据日均量统计旬均量。矾基直接统计旬均量。实验统计数据见表2。根据实验数据绘制投加混凝剂沉淀站余浊及矾基逐月变化曲线见图2，图4，绘制斜板前后余浊逐月变化曲线见图3，图5。根据实验数据绘制投加PAC 混凝剂沉淀站出水余浊及矾基逐月变化曲线，绘制斜板前后余浊逐月变化曲线。并根据绘制的曲线分析原混凝剂FeCl3和实验混凝剂PAC 的净水效果，并对采用FeCl3和PAC 混凝剂分别进行成本效益分析。

图2 投FeCl3 沉淀站矾基及2#采样点余浊逐月变化曲线

图3 投FeCl3 沉淀站1#、2#采样点余浊逐月变化曲线

图4 投PAC 沉淀站矾基及2#采样点余浊逐月变化曲线

图5 投PAC 沉淀站1#、2#采样点余浊逐月变化曲线

表2 FeCl3 和PAC 矾基及1#、2#采样点余浊数据统计

3.2 实验结果分析讨论

根据图2 可以看出采用FeCl3无机盐混凝剂，平流式沉淀站出水浊度较为稳定，浊度检测值介于3～5 NTU，出水水质较好，满足沉淀站出水余浊控制低于10 NTU 的生产技术要求，实验结果也与水厂辐流式沉淀池多年使用FeCl3混凝剂净水效果基本是一致的。即FeCl3无机盐混凝剂在黄河高浊水二级混凝沉淀工艺中净水效果有较强的稳定性。这也是水厂多年来一直采用FeCl3作为二级混凝工艺中主体混凝剂的原因。同时其在平流式沉淀站中的实验结果也表明，FeCl3作为二级混凝剂对新的水处理工艺具有较强的适应性。由于在一年实验周期中，11月到次年3 月为冬季运行期，即在该时间区段内，实验采用水厂超越运行模式，停用一级混凝工艺，原水超越直接进入二级混凝工艺，此时FeCl3实际上作为一级混凝剂发挥絮凝作用。4 月到10 月为夏季运行模式，即在该时间区间内，实验采用水厂全运行模式，一二级混凝工艺均不同阶发挥絮凝作用。所以矾基在整个实验周期内具有较为明显的夏冬两个区段，在冬季模式中，矾基值总体较夏季模式低很多。这是由于在冬季枯水期，一方面原水浊度非常低，混凝剂的投量需求降低；另一方面对于低温低浊水而言，混凝剂的投加量对混凝效果影响不是十分显著，即当混凝剂投加量超过某一限值时，混凝剂投加量增加并不会显著改善混凝效果。因此，在冬季模式中矾基值曲线变化较为稳定，这更多是基于最低投药成本考虑的矾基原则。在夏季模式，矾基值总体较冬季模式大，这是由于夏季汛期及雨季来临，进入二级混凝工艺的原水浊度也升高，导致FeCl3混凝剂需求的投加量增加，如果不及时加以调整，沉淀站的出水余浊将不能满足要求。同时，矾基值在夏季模式中也较冬季模式变化幅度大，一方面是由于原水背景浊度变化夏季较冬季大，另一方面是由于以出水浊度控制投药量的负反馈运行模式造成投药时间序列迟滞，使得进入二级混凝剂工艺的浊度不是很稳定，进而造成矾基在冬夏模式中不同的曲线波动特征。但是需要指出，尽管夏季模式矾基变化较大，但相对于一级混凝工艺矾基来说，仍具有稳定性。这时因为有一级混凝工艺作为屏障，PAM和HCA 对原水原始浊度的巨大削减，确保了二级混凝工艺获得了相对稳定的进水水质。

根据图3 可以看出在采用FeCl3无机盐混凝剂的平流式沉淀站中，斜板后余浊总体较斜板前低，这说明斜板段在平流式沉淀站中起到了加速沉淀的作用。一方面是由于基于浅池沉淀理论的波形斜板其功能的体现，另一方面是由于FeCl3无机盐混凝剂形成的胶体颗粒较为紧凑密实，在斜板滑沉过程中发生破碎从而导致已经去除的浊度再次进入到沉淀水中。

根据图4 可以看出采用高分子PAC 混凝剂，在整个实验周期中，平流式沉淀站的出水余浊及矾基相对于采用FeCl3混凝剂均大幅降低，PAC 混凝剂出水水质显著优于FeCl3混凝剂，尤其是在夏季模式中，PAC 混凝效果较FeCl3混凝效果要好很多，因此实验中也出现了极低的出水余浊。但是在冬季模式，PAC 的混凝效果却未出现夏季般显著，甚至还不及FeCl3混凝效果。分析认为这是由于在冬季，低温使得PAC 的水解效果不如预期显著，其长链聚合物对水中胶体颗粒的絮凝优势没有得到充分体现。对比图2 和图4 也可以看出，尽管投加PAC 混凝剂平流式沉淀站出水水质更好，但是其水质的波动性较投加FeCl3混凝剂平流式沉淀站大，分析认为一方面是由于PAC 混凝剂处于生产性实验研究阶段混凝剂，混凝剂调制，投加方式等实践生产运行经验不足；另一方面是由于PAC 水解性能较FeCl3更容易受到水质变化因素的制约。

根据图5 可以看出采用高分子PAC 混凝剂，平流式沉淀池斜板前端的余浊总体较后端的低，这说明斜板段不仅没有发挥加速胶体颗粒沉淀的效果，相反部分逆转了平流段的沉淀效果。分析认为这是由于PAC 混凝剂形成的胶体颗粒结构相对FeCl3胶粒松散，含水率较高，沿斜板滑沉效果不理想。同时由于斜板的存在使得水处理构筑物实际过流断面缩小，板间流速增加，斜板段侧向水流与板面胶粒沉积层剪力影响逐渐显著，以致随着生产运行，斜板上集聚的松散胶粒被剪力扰动带起，部分破碎重新进入沉淀水中，导致经过斜板后，余浊不降反升的现象。因此，在斜板沉淀工艺中，需要考虑因混凝剂性能影响的沉泥滑泥效果而制约的泥水分离性能。

3.3 混凝剂PAC 和FeCl3 成本效益分析

在控制满足平流式沉淀站出水余浊低于10 NTU的条件下，实验周期内使用PAC 混凝剂平均矾基为467.9 mg/L ÷ 36=13.0 mg/L=13 kg/km3，使用FeCl3混凝剂平均矾基为113.6 mg/L÷36=3.2 mg/L=3.2 kg/km3。由于PAC 为5.4 元/km3，FeCl3为3.2 元/km3，因此，采用PAC 作为二级混凝剂具有显著效益。

4 实验结论

（1）PAC 混凝剂在黄河高浊水二级混凝工艺中具有良好的混凝效果，相对于FeCl3，采用PAC 作为二级混凝剂，其药耗指标矾基减少75%左右，沉淀站出水残浊降低8%左右。

（2）PAC 混凝剂混凝效果容易受到水质条件变化的影响，余浊水质指标稳定性波动较大。

（3）PAC 混凝剂在夏季运行模式中混凝效果较冬季运行模式显著。

（4）采用PAC 混凝剂在平流式沉淀站斜板段并未出现明显的水质改善，这为沉淀站斜板段技术改造积累理论基础。