微絮凝拦截沉淀处理低温低浊水

吕春生， 曲久辉， 李大鹏， 孙成彦， 汤鸿霄
（ 中国科学院生态环境研究中心环境水化学国家重点实验室， 北京 100085）

　　摘要： 拦截沉淀池是根据水中微絮体的凝聚沉淀特性，用一种特殊材料设计构造的以接触凝聚和拦截沉淀为主要功能的新型沉淀池。以北京市第九水厂原水为主要对象，研究了拦截沉淀对低温低浊水的处理效果，并与传统的平流及斜板沉淀池进行了对比。结果表明，拦截沉淀池有优异的拦截聚沉和对水质变化的适应能力，处理效果要明显优于平流沉淀池而接近于斜板沉淀池，有很好的开发及应用前景。?
　　关键词：微絮凝；拦截沉淀；低温低浊水
　　中图分类号：X505
　　文献标识码：A
　　文章编号： 1000-4602(2000)01-0009-05

Study on the Utilization of Micro-Floc Intercepting Sedime ntation Tank in the Treatment of Low-Turbidity and Low-Temperature Water

LU Chun?sheng， QU Jiu?hui， LI Da?peng， SUN Cheng?yan, TANG Hong?xiao ?
(State Key Lab. of Environ. Aquatic Chemistry, Res. Center for E co?Environ. Sci.,? Chinese Academy of Sci., Beijing 100085, China）

　　Abstract：The intercepting sedimentation tank is based on contact flocculat ion and intercepting precipitation with special structure. The treatment efficie ncy of low?temperature and low?turbidity water by intercepting sedimentation t an k was studied and compared with that of horizontal flow settling tank and the in clined plate settler. The results showed that the treatment efficiency of interc epting sedimentation tank with excellent capacity of intercepting?flocculation a nd adaptability to water quality variation was obviously higher than that of hor izontal?flow settling tank and approximated to that of inclined plate settler. T his kind of sedimentation tank is of great potential for development and applica tion.
　　Keywords: micro flocculation; intercepting sedimentation; low turbidity and low temperature water

　　沉淀是水处理的主要环节之一，目前普遍采用的是斜板、斜管及平流沉淀池。随着絮凝药剂与技术的发展和水质污染的复合化，提出了对传统沉淀理论、技术和材料进 行创新以提高沉淀过程的水质净化功能的要求。拦截沉淀是一项新的水处理工艺和技术，它 根据水中微絮体的化学作用特性和流体力学特性，用一种耐水浸、高吸附的天然植物作为拦截材料，制成特定结构和尺寸的拦截体和沉淀池，实现了颗粒的吸附碰撞、接触凝聚、聚集 沉淀的多过程协同作用，具有高效除浊的效果。拦截沉淀与高效絮凝剂的联合应用，更能发挥其吸附凝聚的功效。

1 材料与方法

1.1 研究方法
　　试验在北京市第九自来水厂利用现场动态中试模拟系统进行，主要工艺与系统配置如图1所示。中试系统的水处理能力为1～5 m³/h，试验所用低浊水为来自密云水库的原水，温度约为6 ℃，浊度在2.8 NTU左右；较高浊度的水(12NTU)是用高岭土配制成极高浊度的水后再加入原水来配制。

1.2拦截沉淀池的构造
　　以一种处理后的耐水浸、无污染的天然植物为拦截材料，并经一定的捆扎。试验用2个拦截框架构成拦截沉淀池，每个拦截框架的几何尺寸为：长度L＝608mm、宽度d＝274mm、高度h＝1190mm；缠绕拦截材料的有效高度h′＝932 mm，拦截材料的缠绕间距a＝60mm。拦截沉淀池结构为：长度L＝1300mm、宽度D＝300 mm、深度H＝1350mm。
1.3 材料与药剂
　　试验所采用的絮凝剂为液体聚合氯化铝，Al₂O₃＝11.6%，碱化度B＝78.2%，稀释5倍后利用电子计量蠕动泵送入机械混合池。原水及出水浊度监测采用在线浊度监测仪。高岭土为北京市朝阳化工厂生产。?
　　三级搅拌速度梯度：G=[(G₁²+G₂²+G₃²)/3]^1/3 ?

2 结果与讨论

2.1 拦截沉淀原理
　　拦截沉淀的作用过程是：水中絮体颗粒与拦截体接触吸附——絮体与絮体接触凝聚——絮体在拦截体的多重积累——重力下沉。在拦截沉淀池开始运行时，拦截体上还没有形成絮团，絮体颗粒通过三种作用方式与拦截体发生接触吸附：一是重力沉降，由于拦截材料的缠绕间距较小，缩短了絮体颗粒的沉降距离；二是由于水流的湍动、絮体颗粒间的相互碰撞、絮体颗粒与拦截体发生碰撞而使絮体颗粒在竖直方向上具有分速度，因此得以与拦截体发生接触吸附；三是絮体颗粒直接与拦截体发生碰撞接触吸附。絮体颗粒通过这三种方式在拦截体上积累并且发生接触凝聚反应，形成絮团。絮团体积因絮体颗粒的多重积累而逐渐增加，至一定程度会因水力剪切作用发生絮团部分脱落并通过重力沉降而去除。
2.2 影响絮凝—拦截沉淀净水效果的主要因素
2.2.1 混凝过程的影响
　　①药剂投加量的影响
　　絮凝剂投加量增加，会导致絮凝反应后絮体颗粒的粒径增加，比较容易被拦截吸附，从而使拦截沉淀池的除浊效果增加。图2是在原水浊度为2.8 NTU，混合时间为30s(搅拌强度G＝750s^-1)，反应时间为12min(搅拌强度G＝58.5s^-1)，在沉淀池中停 留时间为60min的条件下，拦截沉淀池出水与PAC投加量的关系。

　　结果表明，随PAC投加量的增加，拦截沉淀出水浊度下降，但投药量为2.75mg/L时，出水浊度达到最低，为0.75 NTU，浊度去除率为75%，此投药量即为该处理条件下的最佳投药量。在相同投药量下，拦截沉淀池除浊效率明显高于平流沉淀池。?
　　② 反应时间的影响?
　　延长反应时间，絮体颗粒的粒径由于进一步凝聚而增加，易于被拦截吸附。图3是在原水浊度为2.8NTU，投药量(Al₂O₃)为2.75 mg/L，混合时间为30s(搅拌强度G＝750s^-1)，絮凝反应搅拌强度G＝58.5s^-1，在沉淀池中停留时间为60 min的 条件下，拦截沉淀池出水与反应时间的关系。
　　结果表明，出水浊度随反应时间的增加而降低，反应时间达到12min，出水浊度达到最低，为0.65NTU；继续延长反应时间，出水浊度基本保持不变。所以12min为此种处理条件下最佳反应时间，既保证了反应的充分进行，又保证了较高的水处理能力。

　　③水力搅拌条件的影响
　　絮凝反应的搅拌强度是影响絮体颗粒成长的重要因素。图4是在原水浊度为2.8 NTU，投药量(Al₂O₃)为2.75mg/L，混合时间为30s(搅拌强度G＝750s^-1)，反应时间为12min，在沉淀池中停留时间为60min的条件下，出水浊度与水力搅拌条件的关系。

　　结果表明，GT值为42 500(搅拌强度G＝58.5s^-1)左右时出水浊度达到最低，拦截沉淀池出水为0.81TU，平流沉淀池出水为1.03NTU；GT值＜42500，出水浊度随GT值的增加而降低；GT值＞42500，出水浊度随GT值的增加略有上升。两种沉淀处理方式出水浊度随GT值变化规律基本相同，但拦截沉淀池效果要好于平流沉淀池。
2.2.2水在沉淀池中作用过程的影响
　　①水在沉淀池中停留时间的影响
　　图5是在原水浊度为2.8 NTU，投药量(Al₂O₃)为2.75 mg/L，混合时间为30s(搅拌强度G＝750s^-1)，反应时间为12min(搅拌强度G＝58.5s^-1)的条件下，水在沉淀池中停留时间对沉淀池出水浊度的影响曲线。停留时间延长，拦截及平流沉淀池的出水浊度均降低，停留时间为61.2min时，拦截沉淀池出水为0.78 NTU，平流沉淀池出水为1.02 NTU；停留时间延长至86.4min时，拦截沉淀池出水为0.71NTU，平流沉淀池出水为0.96NTU，与停留时间为61.2min的情况相比，浊度降低很小。所以，最佳停留时间采用60 min左右为宜，在保证出水水质的前提下，有较高的水处理能力。由试验结果还可以看出，停留时间缩短，拦截沉淀池出水浊度上升的趋 势要比平流沉淀池缓和，运行稳定性要优于平流沉淀池。

　　② 拦截沉淀池中拦截体长度的影响?
　　图6是在原水浊度为2.8 NTU，投药量(Al₂O₃)为2.75 mg/L，混合时间为30s (搅拌强度G＝750s^-1)，反应时间为12min(搅拌强度G＝58.5s^-1)，在沉淀池中停留时间为60min的条件下，拦截沉淀池中的浊度变化曲线。

　　在全池拦截的试验结果中，浊度随水流方向一直在下降。在半池拦截的试验中，布有拦截体的一段浊度有明显下降，没有拦截体的一段，浊度基本不变，表明拦截体的存在对絮体颗粒的去除有明显效果。全池拦截的最终出水浊度为0.70NTU，半池拦截最终出水浊度为0.89NTU，因此全池拦截的净水效果要优于半池拦截。然而，由于在布置拦截体的一段，浊度下降的趋势随水流方向在减缓，因此拦截体并非越长越好，而是有一定的限度，超过这一限度，延长拦截体不会明显降低沉淀池的出水浊度。
2.3拦截沉淀对水质变化的适应性
2.3.1抗浊度冲击能力
　　试验在配水浊度为12 NTU及原水浊度为2.8NTU两种浊度条件下，研究沉淀池出水浊度随投药量的变化，通过对这两种情况进行比较，研究沉淀池抗浊度冲击的能力。
　　图7是两种浊度下，混合时间为30s(搅拌强度G＝750s^-1)，反应时间为12 min(搅拌强度G=58.5s^-1)，在沉淀池中停留时间为60min的条件下，平流与拦截沉淀池出水浊度随投药量变化的关系曲线。

　　试验结果表明，浊度升高后，平流沉淀池与拦截沉淀池的出水浊度均有所上升，在投药量(Al₂O₃)为2.75mg/L时，平流沉淀池的出水由1.03NTU升高至6.9NTU，拦截沉淀池的出水由0.75NTU升高至3.3NTU，拦截沉淀池浊度升高的幅度明显低于平流沉淀池，可见拦截沉淀池抗浊度冲击能力高于平流沉淀池。?
　　图8是在同样的处理条件下，拦截及斜板沉淀池出水浊度随投药量变化的关系曲线。
　　试验结果表明，浊度升高后，两种沉淀池的出水浊度均升高，投药量(Al₂O₃)为2.75mg/L时，拦截沉降池的出水由0.77NTU升高至3.2NTU，斜板沉淀池的出水由0.75NTU升高至2.9NTU，拦截沉降池浊度升高的幅度稍高于斜板沉淀池。

2.3.2 抗流量冲击的能力
　　图9是在原水浊度为2.8 NTU，投药量(Al₂O₃)为2.75 mg/L，混合时间为30s(搅拌强度G＝750s^-1)，反应时间为7.5 min(搅拌强度G＝58.5s^-1)的条件下，流量的变化对拦截与平流沉淀池出水浊度的影响。

　　试验结果表明，平流沉淀池出水浊度随流量增加而升高的趋势明显高于拦截沉淀池，流量由0.42m³/h增加至2.03m³/h后，平流沉淀池的出水浊度升高了1.12NTU，拦截沉淀池出水浊度升高了0.66 NTU，拦截沉淀池的抗流量冲击能力要明显高于平流沉淀池。
　　图10是在原水浊度为2.8 NTU，投药量(Al₂O₃)为2.75 mg/L，混合时间为30s(搅拌强度G＝750s^-1)，反应时间为7.5 min(搅拌强度G＝58.5s^-1)的条件下，流量的变化对拦截与斜板沉淀池出水浊度的影响。
　　试验结果表明，两种沉淀池出水浊度很接近，斜板沉淀池出水浊度随流量增加而升高的趋势稍微高于拦截沉淀池，流量由0.33m³/h增加至2m³/h后，斜板沉淀池的出水浊度升高了0.81NTU，拦截沉淀池出水浊度升高了0.68 NTU，因此拦截沉淀池的抗流量冲 击能力接近而稍好于斜板沉淀池。

3.结论

　　拦截沉淀是以絮体的吸附—接触凝聚为主要特征的沉淀反应过程，利用一种天然植物为拦截体，可以较好地进行絮凝沉淀反应，在去除水中浊度和抗流量的冲击方面表现出了优越性。这种沉淀方式较为简单，同时也可以适当地将反应过程部分地移 入沉淀过程完成，具有很好的经济适用性，是一种有重要研究与应用前景的沉淀反应技术。

参考文献：
［1］霍明昕，刘馨远.低温低浊水质特性的分析［J］.中国给水排水，1998，14( 6)：33-34.
［2］陈树勤.污水排海工程调压井水位计算方法探讨［J］.中国给水排水，1993 ，9(4)：22-25.

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基金项目： 国家“九五”科技攻关课题(96-909-03-02)
作者简介：吕春生(1975-)，男，山东烟台人，硕士， 研究方向：环境工程。
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