巢湖含藻水高效净化处理技术的研究

（合肥市自来水总公司）

　　摘要：巢湖水源富营养化严重，藻类生长旺盛，在对巢湖含藻水物征深入研究的基础上，采用高效组合处理技术，除藻、除嗅味及有机物，达到优质供水的目的。
　　关键词：含藻水　高效　组合处理　除藻、嗅味、有机物

　　巢湖水源位于合肥市东南方15公里，面积800平方公里，流域包括合肥市、巢湖市等7个市、县，由于受到这些城市及其县郊的工业、生活、农田泾流等污废水的污染，氮、磷、有机物含量高，富营养化严重，夏秋季藻类生长繁殖旺盛，数量达2000×10⁴个/升，并伴有腥臭味，给供水净化处理带来一定难度。目前安徽省加大了对巢湖污染治理的力度，巢湖水质得到改善。但随着进入21世纪，合肥市供水事业加快了改革发展的步伐，近年来我公司对巢湖微污染水源进行了大量实验和研究，采用高效处理净化工艺加强对含藻水的处理，严格按照《城市供水200年技术进步发展规划》，向大型一类水司的标准努力，初步实现了优质供水。

　　一、巢湖水源藻类概况：

　　巢湖水源终年含藻，随着季节变化，藻的种类和数量差异较大，藻量低于500×10⁴个/升时，对常规处理影响不大，达到1000×10⁴个/升，根据藻的种类不同对净水效果的恶化程度不同。藻类的生长繁殖受多种生态因子的影响：水的化学成分、气候、水温、水深、光照条件等，每年均有变化，但总体赵热规律性较明显，一般包括四个变化时期：
　　1、低平衡期：上年11月至本年3月冬春季，白天日照时间短，水温低，藻类的代谢作用微弱，生长、繁殖速度较慢，一些喜温性的藻类失去活性沉入湖底，水中藻含量的50——200×10⁴个/升，以硅藻占优，也包括绿藻、蓝藻等。
　　2、生长期：每年4、5月份春末，气温逐渐升高，巢湖水深平均3米左右，水温分层不明显，水温也升高，藻类代谢强度成倍增加，湖水中C、N、P等养分充足，藻类迅速生长繁殖，并且水温升高湖底底泥中有机物释放溶出，促进了沉积的藻类活性，在光照充足时，一些具伪空泡容积增大，上浮到水面进行光合作用，夏初湖面上有时可见细条状水华，藻量增加到1000——2000×10⁴个/升，蓝藻占优。
　　3、高平衡期：6月至9、10月夏秋季，日照时间长，水温较高，光照强，适合喜温性的藻类生长繁殖，随着藻类数量的急剧增加，大量消耗水中C、N、P等营养物，尤其是C、N利用量较高，水中氨氮含量大大降低，并利用CO₂进行光合作用，此时对氮要求较低并能固定空气N₂的蓝藻大量生长繁殖，使具有较强竞争力的蓝藻占绝对优势，水中藻量2000×10⁴个/升以上。
　　4、消亡期：大约在11月随着进入冬季，日照、水温、光强相继降低，藻类的代谢速度减慢，一些藻类死亡，一些藻类失去活性，还有一些具伪空泡、胶质膜等结构的藻类在温度突然降低，温差较大使上下水层产生交换被带入下层，水压力增大使这些结构破碎，降低浮力沉入湖底等，水体中藻量由2000×10⁴个/升减少至300×10⁴个/升。以隐藻占优，包括绿藻、硅藻其它藻类，在冬春季时达到低平衡期。
　　四个时期的时间划分每年不尽相同，主要与候、水质有关，每个时期的藻量及种类也有变化，其中以高平衡期藻量危害最大，生长期、消亡期次之，低平衡期几乎没有影响，含藻水处理主要针对高平衡期及生长期、消亡期的特殊种类的藻。夏稳定剂季蓝藻疯长，优势种是微囊藻，其细胞群体由成百上千个单细胞聚集在一起，具有伪空泡白天在光合作用时放出氧气使群体浮到表层，夜晚消耗氧气或失掉空泡沉入下层，其单细胞个体很小，直径在3--5μ，相对面积较大，容易上浮，且细胞内含水量较高，比重接近于水，其它藻类也有这些特点。如很多绿藻，蓝藻具有含水量很大的胶质膜，可增加浮力，因此藻类的沉降性能很差。
　　巢湖水源由于工业、生活、农业污、废水中N、P、有机物污染较严重，富营养化程度较高，夏、秋季水温高，加速了底泥中有机物的释放、溶解，以及藻类在生长代谢分泌有机物、死亡分解产生有机物，巢湖水源经色质联机检测出54种有机物，主要是烷烃、酮类、酯类和苯环、杂环有机物，其中有些有机物产生不快的异嗅味。
　　藻类利用CO2进行光合作用，使水体PH升高至8.0以上，等等，含藻水的这些特点采用常规处理，去除藻、有机物、嗅味等产生较大难度。

　　二、预处理

工艺 项目去除率（%） 藻类 有机物 嗅味 备注 源水管道延伸3.0km到湖心 30～50% CODMn降低20% 降低Ⅰ级 　 生物陶粒接触氧化 72% CODMn降低28% 嗅阀值降低62% 　 弹性填料生物接触氧化 50% CODMn降低15% 降低Ⅰ级 国家九五攻关课题 预加氯氧化 30% / / 卤代烃升高10～20% 复合高锰酸盐氧化 / 有机物种类减少78%
色谱峰面积减少89% 降低Ⅰ-Ⅱ 　 预加ClO₂氧化 50% 有机物种类减少50～70%
色谱峰面积减少95% 降低Ⅱ级 　 改用新水源（董铺水库） 90% CODMn降低50% ≤Ⅱ级 　 O3氧化 /　 CODMn降低15% 嗅阀值降低80% 　

　　表1可见，合肥市最终将改用董铺水库存新水源，巢湖水源取用湖心水作为备用水源，这两项工艺对合肥市21世纪的城市经济建设发展意义极为重大，在省、市政府及主管部门的支持下均得以实现。上述各方案各有其特点：生物氧化对水源的改善较彻底，但投资、运行费用高；Cl₂氧化杀藻效果明显，但预加氯氧化后，后序工艺中必须采用提高碱度及粉末活性炭吸附降低卤代烃含量，复合高锰酸盐有利于水的稳定处理，发送后续净化水质的有机物指标，但除藻效果不明显。对含藻水采用ClO₂氧化预处理杀藻，去除有机物、嗅味不失为有效的方法。
　　（1）去除有机物、嗅味
　　富营养化水体中的有机物通常包括腐殖酸、黄腐酸、胡敏酸等腐殖质及藻类代谢及其残废分解产生的有机氮、有机碳等有机物，这些有机物是致臭、致色物质。
　　ClO₂氧化还原电势1.57V，高于Cl₂l.36V，氧化能力较强，能氧化有机物的苯环、杂环，生成有机酸等中间产物及CO₂、H₂O、去除腐殖酸、嗅味。为了避免ClO₂的毒副作用，我们采用低浓度氧化，投加纯ClO₂ 0.06～0.1mg/L，反应10min后，经GC--MSD检测，有机物种类减少50～70%，色谱峰总面积降低70%，嗅味由Ⅲ-Ⅳ级降为Ⅰ-Ⅱ级。对有机物及嗅味含量越高，去除率越高。剩余的嗅味及有机物在后续的混凝中段、沉淀池出口投加粉末活性炭完全去除。
　　（2）杀灭藻类
　　ClO₂能将藻类细胞蛋白质中颈基氧化成-S-S基，杀灭藻类。ClO₂氧化预处理及单加聚合铝除藻、除嗅味、除色结果如下：
　　高藻期：源水藻含量4240×10⁴个/L，嗅味Ⅳ级，ClO₂氧化预处理10min

项目 ClO₂投量 0 0.02 0.04 0.06 0.1 藻（×10⁴个/L） 4240 1762 1768 1326 1216 嗅味 Ⅳ Ⅱ Ⅰ Ⅰ Ⅰ

　　低藻期：源水藻含量705×10⁴个/L，嗅味Ⅲ级，ClO₂氧化预处理10min，投加15mg/L，聚合铝混凝沉淀后的出水水质：

项目 ClO₂投量 0 0.02 0.04 0.06 0.1 聚合铝（mg/L) 15 15 15 15 15 藻（×10⁴个/L） 306 76 62 61 38 嗅味 Ⅱ Ⅱ Ⅰ 0 0

　　三、高效混凝：

　　对含藻水我们进行了聚合氧化铝、硫酸亚铁氯化液、聚合硫酸铁、FeCl3、硫酸亚铁聚合铝铁等混凝剂和PAM、HCA、活化硅酸、骨胶等助凝剂的对比选型实验，发现铝盐、铁盐混凝剂处理含藻水各由利弊，高分子聚合物助凝剂HCA效果较好，并且投加一定量的石灰有助于对色度、有机物的去除，最后采用粉末活性炭完全除去有机物、嗅味。
　　1、混凝剂的使用使用：含藻水藻类细胞表面带负电，水体中的腐植酸的水化膜具有凝聚稳定性，并在凝聚时与铁形成多孔聚合体亲水性较好，藻类的一些代谢产物多肽、糖酸等与金属形成溶解的络合物，因此铝盐、铁盐混凝剂与含藻水的电中和和压缩双电层作用减弱，需投加较高剂量的混凝剂增加凝取能力，而铁盐形成的而铁盐形成的络合物具有色度，含藻水经过氧化预处理，破坏这些亲水性有机物的稳定性可改善絮凝。同时在凝聚反应时投加石灰，Ca2+使腐殖酸脱稳，并产生铝酸钙吸附能力较强，经絮凝沉淀去除。由此可见铝盐适用于经氧化、提高碱度对含藻水中有机物去除。巢湖源水藻含量4200×10⁴个/L，色度55度，经0.1mg/LClO2氧化10min，投加80mg/L聚合铝，15mg/L石灰，色度去除率达到100%。相同条件，石灰投量40mg/L，铁盐色度去除率62%，而且沉淀后水体透明度较差。
　　藻类细胞比重与水相同，沉降性能较差，与混凝形成的含藻絮凝体沉速较慢，藻类细胞表面带有负电荷，混凝剂对其脱稳效果较差，絮体强度低，在絮凝过程中受到水流剪力易脱落，并且高浓度、高剂量的混凝剂由于含藻水常缺乏足够的黏土胶体作为混凝核心，容易造成重复脱稳，絮体的密度低，结构相对松散，这些均降低了混凝效果。相对而言，铁盐混凝絮体较大，沉速比铝盐快1倍。Fe(OH)₃溶度积为3.8×10^-38,AL（OH）₃溶度积为1.9×10^-33,铁盐的亲水性质差，凝聚速度快，絮体快速增长，在相同水力条件下，铁盐产生的适合水流剪力的絮体粒径比铝盐大50%，并且铁盐的比重比铝盐大，根据颗粒径向运动阻力不从心fD：

fD=3C_dρV²/8ρsr₀
式中：C_d---絮体阻力系数
　　　V----絮体径向速度
　　　ρs--絮体颗粒密度
　　　r₀---絮体粒径

　　由该式知单位质量絮体径向运动时颗粒越大，受阻力越小，径向速度越快，颗粒小速度慢。因此，利用铝盐、铁盐凝聚速度的差异，采用两种混凝剂组合投加，在异向及同向凝聚过程中，铁盐大颗粒絮体容易与铝盐小颗粒絮体发生碰撞，形成新的絮体更密实。
　　2、分部加药，强化混凝：我们发现，在不同时间分部投加，先加铝盐大大优于先加铁盐的混凝效果，这个现象与含藻水有机物含量高有关，先加铁盐形成了溶解性铁络合物，减少了混凝核心的数量。先加铝盐絮凝后降低了有机物的含量，后加铁盐快速絮凝，间隔1-2分钟，铝盐凝聚物作为铁盐凝聚核心，铁盐投加2分钟后絮体迅速长大，随后，粒径增大超过铝盐絮体，发生有效碰撞。
　　铁盐絮体颗粒在2～6mm，铝盐絮体颗粒在1～3mm，铁盐比重比铝盐大，铁盐的沉降速度比铝盐快得多。在铝盐、铁盐组合投加中，铁盐占比例越大，沉降速度越快，巢湖含藻水铝盐、铁盐在1:1至1：2之间，产生的絮体密实，颗粒较粗大，沉淀后，对藻、有机物的综合去除率均为90%。
　　铁盐大量消耗水中碱度，为了适应铁盐絮体的快速增加及加强对有机物的去除，石灰在铁盐投加后1分钟投加，与铁盐的比例为铁：石灰1：0.6。使用FeSO₄时，在铝盐投加前需投加Cl₂，最终控制反应池出口PH7.3～7.6,余氯0.4～0.6。
　　为了进一步增加絮体抗剪能力，加大絮体颗粒粒径，提高沉降速度，我们采用人工合成的有机高分子助凝剂HCA-1（二甲基二烯丙基季胺盐类），分子量10万左右，利用其阳离子线状分子链对絮体微粒吸附架桥，增加絮体粘体结力，产生的絮体粗大，不易破碎，沉降速度快。通过实验得出，HCA-1宜投加在混合絮凝时，在随后的解聚过程中，分子链达到吸附饱和，一般需8--10min。将合絮凝时，在随后的解聚过程中，分子链达到吸附饱和，一般需8--10min。将HCA-1投加在水流强度为70S^-1或稍高处，加速解聚，形成的絮体强度高粒径大，沉降快。与混凝剂一齐投加效果最差，水流强度G过低，絮凝速度慢，絮体强度低，粒径小，沉降速度慢。（见表3）

表三
1.聚合铝投量30mg/L,HCA投量0.2mg/l 项目 絮凝时间 同时投加 9min 8min 6min 4.5min 2.5min 浊度（NTU） 2.8 1.02 1.03 1.08 2.2 1.6

项目 间隔时间 表三 2.取合铝投量30mg/L,氯化硫酸亚铁投量20mg/L 0 0.5min 1min 1.5min 浊度（NTU） 3.8 2.5 1.5 1.4

　　通过以上处理工艺，使藻类有机物基本去除，含藻水嗅味高时，Cl2氧化预处理后仍有Ⅱ段及以上嗅味时，在絮凝池中段投加粉末活性炭、除嗅味，并进一步吸附去除其他有机物，与混凝相结合，使氯消毒副产物的前体有机物基本去除。常规处理工艺对嗅味去除见表4：

项目 水样 源水 沉淀池出水 滤后水 嗅阈值 100 67 40 除嗅率（%） / 33 60

　　粉末活性炭与常规工艺相结合除嗅见表5

项目 粉末炭投量mg/L 0 10 20 30 40 嗅阈值 100 30 20 10 5 除嗅率（%） / 70 80 90 95

　　四、微絮凝强化过滤

　　藻类在滤床中吸附在滤料表面的抗剪强度低，澄清水中含藻的微小絮体在过滤时易破碎，单个细小细胞空透滤层，使滤池对藻的截留不够彻底。
　　在混凝沉淀后的澄清水中加入混凝剂，经微絮凝进入滤床中进行滤床中进行接触絮凝，通过发送滤料的表面性能，强化滤料表面吸附能力，可以充分发挥截污能力强的煤砂双层滤料和均粒滤料滤池的深层截污能力。
　　由于被处理水使已经加药混凝沉淀后的澄清水，水中的悬浮杂质较少，浊度在5NTU左右，其中有几百万的藻类。经实验投加聚合氯化铝后，混合强度的改变以及絮凝与步絮凝过滤效果差别步大，而混凝剂的投加量的影响较为明显。
　　实验参数如下：
　　聚合氯化铝投量1--3mg/L , 絮凝2--5min；
　　滤速：6-10m/h，运行周期：24h，冲强：151m²*s
　　聚合氯化铝投量3-5mg/L，浊度去除率90%；投量3-5mg/L，浊度去除度98%，藻类去除率由60%提高到80--90%。相同滤料级配和滤速，常规过滤时浊度去除率为50-70%。