高浊度水的结团凝聚处理方法

出　　自： 《中国给水排水》 1987年第4期第4页
发表时间： ：1987-4

丹保宪仁　　　 于泮池；王晓昌
( 日本北海道大学工学部　　　 西安冶金建筑学院　)

摘要：本文介绍了结团凝聚法处理高浊度水的工艺，指出在处理装置中形成致密化结团絮凝体是该工艺在净化效率、泥渣脱水性能等方面优于其它工艺的根本原因，合理地控制投药条件并依靠高体积浓度悬浮层中颗粒间的摩擦、挤压作用改变絮凝体的构造形态，是结团絮凝体形成的主要机理。试验研究结果表明该工艺具有推广运用价值，可成为开发利用高浊度水源的一种新方法。

一、前言

　　中国是高浊度河流比较多的国家，其中黄河则是世界上罕见的高含沙量河流之一。在水资源日趋短缺的今天，合理地开发利用高浊度水系就成为水处理技术研究的重要课题。常规的快滤流程对于处理高浊度水是不合理的。在黄河上游和中游地区，如兰州、郑州等地，人们已采用了一些行之有效的处理方法，如修建庞大的蓄水池，使原水预沉十天以上再进行通常的沉淀过滤处理，或在原水中投加有机高分子絮凝剂，经数小时沉淀去除大量泥沙之后再进行处理。但是，这些方法不可避免地存在两方面的问题:一是占地面积很大，二是沉泥的处置比较困难，因而限制了它在整个黄河流域和其它高浊度水系的运用。事实上，这些流域的不少地方，尤其是一些中、小型厂矿非常需要一种小型、简易、效率高、上马快、能直接净化高浊度水的处理装置。为此，笔者近一两年开始探索利用结团凝聚(PelletCoagulation)法处理高浊度水的工艺。北海道大学工学部丹保研究室和西安冶金建筑学院给水排水教研室合作进行了试验研究，取得了初步的成果 〔1〕 。
结团凝聚是近年来在污泥处理方法的研究中出现的技术，是一种利用有机高分子絮凝剂在高浓度污泥中制造密实团粒(Pellet)的方法。在日本，游佐 〔2〕 ，铃木 〔3〕 ，角田 〔4〕 等发表了这一方面研究的文章。结团凝聚法制造的团粒可称为结团絮凝体(PelletFloc)，它比普通絮凝体密实，沉速快，极易脱水。试验研究结果表明，运用结团凝聚法处理高浊度水，处理效率和泥渣脱水性能均是其它处理方法所不能及的，本文将对此做全面介绍。另一方面，结团凝聚是有别于一般凝聚絮凝的新概念，结合高浊度水处理实践对结团凝聚机理进行深入研究对于丰富和发展水处理凝聚理论也具有深刻的意义。

二、试验研究

　　1. 工艺流程
　　运用于高浊度水处理的结团凝聚工艺分为初始粒子形成阶段和结团絮凝体形成和沉淀分离阶段，相应的处理装置主要为管式微絮凝器和上向流结团凝聚柱两部分(见图1)。试验操作时，将配制好的高浊度原水用泵提升到高架恒位水箱，使原水从水箱底部以恒定流速出流，进入管式微絮凝器的漏斗型入口，同时通过定量药泵注入铝盐凝聚剂。管式微絮凝器内径1cm左右，长度10m左右，可根据需要调整。管内水力停留时间为1～2min，原水中的粘土胶粒在铝盐作用下脱稳，生成微小的初始粒子。管式微絮凝器末端接到上向流结团凝聚柱底部，高分子絮凝剂也通过定量药泵从此处注入。试验用的上向流结团凝聚柱内径5 cm，总高度103cm，沿柱子一定高度设泥渣排出口，控制柱内的悬浮层厚度。悬浮层上部是清水区，上清液从柱顶出水堰排出。根据需要在悬浮层内装设一定数量的搅拌叶片，由无级变速电机驱动，进行缓慢搅拌使悬浮层保持均匀。

　　2. 现象观察
　　装置开始运转时，上向流结团凝聚柱内尚无颗粒悬浮层，出水混浊，但柱底逐渐有颗粒积累。随着底部粒状物增加，悬浮泥渣层逐渐形成，出水逐渐由浊变清。当悬浮层增长到20～30cm厚时，柱内呈清晰的泥水界面，上清液浊度已在20mg/L左右，以后悬浮层不断增厚，出水浊度继续降低。装置稳定工作时，出水浊度一般在10mg/L以下。柱中的悬浮层除去底部7～8 cm厚度比较混乱以外，以上部分的悬浮颗粒大小均匀且呈球粒状。在较高流速的上升水流作用下，各结团絮凝体颗粒在悬浮层中不断翻滚，但整个悬浮层随着泥渣量的增加以均匀的速度向上推移。将多余的悬浮结团絮凝体从泥渣口排出后，它们极易与水分离，分离出的水保持清澈。图2为用高岭土配制的高浊度悬浊液经上述工艺生成的结团絮凝体照片，从中可以清楚地看到结团絮凝体的结构和形态。

　　3. 黄河高浊度水处理试验结果
　　在西安冶金建筑学院给水排水实验室进行了黄河高浊度水的结团凝聚处理试验。原水采用黄河泥沙(郑州花园口段)加西安市自来水配制。铝盐凝聚剂采用国产聚合氯化铝(P A C)，高分子絮凝剂采用国产聚丙烯酰胺(PA M)。连续处理试验的主要参数和结果见下表。

　　注:表中的过筛结团体含水率是指当结团絮凝体从凝聚柱出泥口排出后不经浓缩，只置放于1 mm孔眼的金属网上除去结团絮凝体间水分后的含水率。
　　从表中数据可以看到:
　　(1)结团凝聚装置具有很高的净化效率，对于含沙量从1 kg/m 3 的普通浊度到20kg/m 3 的高浊度原水，仅需5 m i n左右就可处理到10mg/L以下的澄清水。
　　(2)上向流结团凝聚柱的上升水流速度是一般澄清池上升流速的5～6倍，且悬浮层体积浓度相当高，说明结团絮凝体的良好沉淀性能。
　　(3)装置排出的泥渣脱水性能极好，有可能不经浓缩而在输送的过程中完成固液分离。
　　(4)结团凝聚处理的药剂用量并不太高，接近一般水处理的剂量水平。 、

三、机理探讨

　　结团凝聚方法具有上述处理效率的根本原因在于装置中形成了高密度的结团絮凝体以及由此构成的高浓度悬浮层。这样的悬浮层具有与滤层相类似的截留杂质能力，使原水迅速得到澄清。另一方面，由于生成絮凝体密度大，单位浊质产生的泥渣量小，这才有可能对高浊度原水直接进行澄清处理。
　　絮凝体的密度主要取决于构成絮凝体的初始粒子之间的空隙率，而空隙率大小由絮凝体的构造形态决定。普通絮凝池中生成的絮凝体是初始粒子随机碰撞的结合体，是一种空间网状构造。无论是丹保以水中各种尺度较小颗粒碰撞合并为基础建立的随机絮凝体模型 〔5〕 还是Vold以同径初始粒子逐个碰撞合并为基础建立的随机絮凝体模型 〔6〕 都得出了同样的结论:由于颗粒碰撞合并的随机性，形成絮凝体的粒径越大，絮凝体内部空隙水含量越多，絮凝体密度越小。因此，用通常的凝聚絮凝方法不可能形成图2那样的结团絮凝体，即使使用有机高分子絮凝剂，也只能改善絮凝体的抗剪切强度，使絮凝体成长得大些，而不可能达到改变絮凝体构造形态，增长其密度的目的。因为高分子无助于改变颗粒的合并规律。大幅度提高絮凝体密度的根本途径是限制和降低絮凝体内部空隙率，这就要求改变絮凝体构造形态。可以设想，如果一个絮凝体是由粒径一致的球型初始粒子构成，且这些初始粒子相互紧密接触，那么，如同堆放弹球一样，初始粒子间的空隙率均约为40%，与构成絮凝体的大小无关。这种构造就是理想化的结团絮凝体。实际的结团凝聚过程虽不可能达到理想化，但处理装置中的条件能够导致絮凝体构造致密化。
　　图1所示的处理流程采用管式絮凝器作为初始粒子形成装置，只投加铝盐作为这一阶段的凝聚剂。这样安排具有下述有利因素:(1)可控制铝盐投量使原水中的粘土胶粒充分脱稳，但不结成大的颗粒，(2)管式絮凝器内是推移流，水流雷诺数小，形成的初始粒子比采用其它方法的均匀。因此，这一初始粒子形成过程比较合乎上述设想。
　　上向流结团凝聚柱中的水流上升速度很高，悬浮层体积浓度也很高，因而悬浮层空隙中的实际水流速度更高，另外还有搅拌叶片提供一定强度的搅拌。这就大幅度地增加了作用在絮凝体上的流体剪切力，促使絮凝体在悬浮层中不断翻动，旋转。在高体积浓度条件下，絮凝体颗粒相互拥挤，它们之间的相对运动极可能导致产生除流体剪切力之外的两种附加作用力:颗粒间的摩擦力和挤压力(见图3)。

　　摩擦力F r 是由相邻结团絮凝体的相对旋转运动产生的切向力。如图3-b所示，设两个靠得很近的结团絮凝体A和B的旋转运动引起二者的相对表面运动，则在A、B的接触面上产生了摩擦力。与此同时，一初始粒子a附着到A表面如图位置上。对絮凝体A来说，情况如图4-a所示。由于A、B的相对旋转，a会很快地进入A、B的接触面，受到F r 的作用(图4-b)。如果a的附着位置不是最佳，它同A的结合力不足以抵抗F r ，粒子a将随着A的继续旋转在F r 作用下沿A表面移动(图4-c)。因此，只有当初始粒子a到达A表面上的某一最佳位置与A具有足够的结合力时，它才能与A合并。这就使得絮凝体按密实的方式成长。

　　挤压力F p 是由结团絮凝体之间的碰撞引起的。一般来说，颗粒碰撞在任何絮凝池中都存在，但在高体积浓度结团絮凝体悬浮层中，絮凝体间碰撞的频率非常高，从而起到挤压的效果。附着到絮凝体表面上的初始粒子不断地处在指向絮凝体中心的挤压力的作用下，同样促使絮凝体致密化。
悬浮层中流体运动的剪切力F s 也是作用在结团絮凝体上的主要外力，它决定着絮凝体的最大成长粒径。从理论上说，只有当絮凝体趋于它的最大成长粒径时，流体剪切力的作用才十分突出，然而上述摩擦力和挤压力却始终作用在结团絮凝体上，促使初始粒子在絮凝体内紧密排列。絮凝体间的摩擦力和挤压力越大，初始粒子的排列就越紧密，絮凝体内部空隙率就越小。但摩擦力和挤压力与流体剪切力是成比例的，过高的流体剪切力会限制絮凝体成长，因而必须投加高分子絮凝剂增大絮凝体的抗剪切强度，结团絮凝体的内部结合力才能抵抗较强的外力，形成致密化结构。结团絮凝和普通凝聚絮凝的根本不同点就在于此。
　　在一定的凝聚条件(如投药条件等)下，悬浮层的高体积浓度是产生足够的摩擦力和挤压力的必要条件，因而悬浮层体积浓度大小直接影响生成结团絮凝体的内部空隙率和结团絮凝体密度。图5和图6分别是试验测得的构成结团絮凝体的初始粒子间的空隙率ε f 和悬浮层体积浓度V f 的关系，以及结团絮凝体有效密度ρ e (团絮凝体密度和水的密度之差)和V f 的关系。图中P T表示有机高分子比投药量，A L T表示铝盐中铝离子比投药量。可见试验结果与上述论点相符。

四、推广运用的前景

　　结团凝聚法处理高浊度水目前还处在小型试验阶段。从已有的成果来看，它是一种高效率的处理方法，具有推广运用价值。运用这一方法的优越性可归纳为如下几点。
　　1.对于含沙量在20kg/m 3 左右的高浊度水可以进行一次性澄清处理，无须庞大的预沉设备，可减少水厂占地面积。中国的高浊度河流(如黄河)含沙量虽然很高，但超过20kg/m 3 的时间基本上只集中在河流洪水到来及其过后的一段时间，因此，该工艺可以满足一般情况下对高浊度水直接处理的要求，为高浊度水的利用增加了一条途径。
　　2.装置的水力停留时间短，处理效率高，容易做成小型化水处理器，适应性广，使用灵活。
　　3.生成结团絮凝体密度大，单位浊质产生的泥渣量小，排泥消耗水量相应减少。泥渣脱水性能好，无须专门的浓缩设备。
　　使用有机高分子絮凝剂(如P AM)的毒性问题是值得注意的，各国对它的用量或单体在水中的浓度均有限制。从试验的情况看，P AM投量不算太高，用于工业用水处理没有问题，但将该工艺用于生活用水处理是否合适尚需研究。

参考文献

　　【1】于泮池、王晓昌、高羽飞、丹保宪仁、龟井翼，“黄河高濁水のぺしット凝聚にょる处理”，日本第三十七届全国水道研究发表会论文，1986·5·
　　【2】遊佐美津雄，“団塊凝集法にょゐぺドロの脱水处理ぉょび余水处理(Ⅰ)”ぺドロNo.5，p.30(1976)
　　【3】鈴木英友，小林武司，“水中造粒法と晶析”，最近の化学工学晶析工学，pp·109～114(1978)，化学工学协会关东支部编
　　【4】角田省吾，“超高速造粒沈殿装置”，用水 、20，No·9，pp·13(1978)
　　【5】N·Tam bo，Y.Watanabe，‘Physical Characteristics of Flocs(Ⅰ)‘Water Research，Vol·13，pp.409～419，1979·
　　【6】A·L·Langvanker，R·S·Gemmel，‘A Size-Density Relationship for Flocs，J.AWWA，Vo1.60(9)pp·1040～1046，1968。