臭氧预氧化与PAM联用技术的除浊初探

臭氧预氧化与PAM联用技术的除浊初探

蒋福春¹ 孙洪伟² 乔铁军³ 齐玉玲³

1 苏州市自来水公司 苏州215002　2 广东仲恺农业技术学院城市建设学院 广州510225　3 深圳水务（集团）有限公司 深圳518035

　　摘 要 以南方某水库水为试验原水，提出了臭氧预氧化与PAM联用助凝技术。把沉后水作为考察对象，通过小试研究了臭氧预氧化（0.60mg/L）对聚丙烯酰胺（PAM）的试验参数的影响，据此确定了生产性试验条件。研究表明，联用工艺能明显改善混凝效果，除浊率提高值为10.32％。考察了联用技术对水力负荷的适应能力，并对结果进行了讨论，进一步验证了该工艺的较佳运行条件。
　　关键词 联用技术 除浊 臭氧预氧化 PAM 投加量

Primary Exploration on Turbidity Removal by Combined Use of Ozone and Polyacrylamide(PAM)

Jiang Fu-chun¹ ,Sun Hong-wei² ,Qiao Tie-jun³ ,Qi Yu-ling³

(1.Suzhou Water Company,Suzhou 215002,China;

2.College of Urban Construction, Zhongkai University of Agriculture and Technology, Guangzhou 510225,China;

3.Shenzhen Water Supply(Group), Shenzhen 518035,China)

AbstractIn this thesis,a combined treatment of ozone and PAM was used in a typical city of south China which uses reservoir water as raw water. Reaearch was done in bench scale test to ensure the effluence of pre-ozonation on the parameters of PAM while pre-ozonation at a fixed dosage (0.60mg /L).Then we confirmed the parameters in plant scale test .Study showed that the combined treatment had obvious improvement on enhancing coagulation, the removing rate of turbidity was improved by 10.32 percentage. We also investigated the effect of combined treatment while hydraulic loading varied, and we discussed the result, which further validated the optimal operation condition of the combined treatment.
Key Words combined treatment ; turbidity removal; pre-ozonation ; PAM; dosage

0前言

　　强化混凝技术是指优选混凝剂和助凝剂，适量投加并控制恰当的混凝条件，从而提高常规处理中天然有机物（NOM）的去除效果，最大限度地去除消毒副产物的前体物（DBPFP）^[1]。在给水处理领域，主要从进一步降低出水浊度入手，同时去除有机物。水中分子质量较小的物质，在一般絮凝条件下去除率很低，如果改善絮凝处理条件，在低pH、高絮凝剂用量的强化絮凝条件下会形成大量金属氢氧化物，可提高水中分子量较小的胶体态、溶解态污染物的去除率。
　　强化絮凝是比较适合推广使用的技术^[2~6]。目前，强化絮凝的手段主要包括提高混凝剂剂量并控制一定的pH值、投加助凝剂改善混凝效果、高锰酸盐助凝、臭氧预氧化助凝等。由于臭氧应用成本较高、国内经验不多，原水水质差异和臭氧化特性使得当前对预臭氧化助凝的说法不一，并且不同原水的预臭氧化助凝效应差别较大^[7]。有资料报道，影响预臭氧化助凝效果的主要因素是：原水TOC、硬度、浊度、藻类种属及数量等^[8]。通常，当原水硬度较高。有机物浓度较低时，预氧化能够表现出一定的助凝效果^[1]。
　　助凝剂聚丙烯酰胺（PAM）能够提高絮凝效果、节约矾耗、去除藻类、降低致突变性、提高水质、应付突发水质事故等^[9]。有关PAM的研究成果在国内外已经得到了广泛应用。至于臭氧预氧化与PAM联用强化混凝的研究在国内还少见报道。因此，本试验将通过小试和生产性试验，以沉后水浊度作为运行的控制指标，初步研究臭氧预氧化与PAM联用工艺的助凝性能。

1试验材料及方法

　　试验期间，原水浊度10~25NTU，耗氧量1.6~2.5mg/L，pH值7.0~8.0。
1.1 小试试验
　　以水厂的反应沉淀池进水为原水。原水的类型共分两种，I为经过预臭氧的原水，II为未经过预臭氧的原水。试验中絮凝药剂为碱式氯化铝（PAC），其投加量综合烧杯试验结果和生产的投加量，确定为2.0mg/L。PAM采用的是FO4190PWG型阳离子，初始配制浓度为4g/L,搅拌时间为90min，然后稀释成1‰浓度。搅拌程序按照水厂既有的程序，具体如下：步骤1：30s，120转/分；步骤2：4min30s，120转/分；步骤3：5min12s，90转/分；步骤4：5min12s，40转/分；步骤5:15min，0转/分；取样分析。
1.2生产性试验

图1 预臭氧氧化接触池简图
Fig.1 Sketch of pre-ozonation contacting tank

　　水厂在原水中投加臭氧，主要处理工艺：原水－前臭氧接触池－配水井－反应沉淀池－V型滤池－臭氧接触池－活性炭生物滤池－节能型清水池－吸水井－送水泵房－管网。其中格栅井、预臭氧接触池合建，池体平面尺寸21.7m×12.0m。臭氧投加量最大为1.5mg/L，接触时间4min。预臭氧的氧化型式图1所示。
　　絮凝区采用竖流式三断折板反应絮凝，各段设计流速分别为0.33m/s、0.2m/s、0.14m/s，停留时间约15min；平流沉淀区长度80m，设计水平流速约16mm/s。水厂的预臭氧的投加量为0.6mg/L不变，如无特殊说明，预臭氧的投加量均为0.6mg/L。
1.3仪器与方法
　　试验搅拌装置采用ZR3-6型六联絮凝搅拌机；有机玻璃材质的烧杯，尺寸：105mm×105mm×185mm，试验中烧杯的有效水深为165mm，有效容积为1.8L，两个取样口(高度分别为60mm、130mm)，进行静态絮凝烧杯试验。
　　浊度：采用Hach公司2100P便携式浊度仪、Hach2100E在线浊度仪；
　　耗氧量：酸性高锰酸盐滴定法，按GB11892-89国家标准方法测定。

2 结果及讨论

2.1小试试验
2.1.1对PAM投加量的影响
　　图2表明，除浊效果方面，在加臭氧与不加臭氧两种条件下均表现为PAM投加量为0.10mg/L时，沉后水浊度最小，当投加量为0.20mg/L时，浊度有小幅度升高。不同预氧化条件下，PAM的最佳投加量均为0.10mg/L。

图2 预氧化条件对PAM投加量的影响
Fig.2 Impact of pre-ozonation condition on PAM dosage

　　在阳离子型PAM适宜的投加量条件下，PAM电性中和与吸附架桥共同发挥作用；超过此投加量时，电性中和的作用减弱，水中胶体物质发生胶溶。臭氧预氧化条件下浊度的去除速度加快，去除率升高。臭氧预氧化产生助凝的可能机理是^[10]：一方面，部分大分子溶解性污染物被臭氧氧化后，结构中因加入了氧儿分子极性变大，污染物分子中的氧与其他有机物分子中所含的某些氢原子形成氢键，增加了分子的有效分子量。当这种有效分子量达到一定程度时，溶解度降低，产生微絮凝效果；另一方面，水中一些高价阳离子同被氧化的污染物进行反应，引起凝聚。
　　去除有机物方面，PAM能够明显的提高有机物的去除率，随着PAM投加量的增加，有机物的去除率升高，超过0.10mg/L之后，沉后水中有机物的含量反而升高，可能的原因是部分胶体出现胶溶和再稳，而残留于水中。臭氧预氧化条件下，有机物的总去除率伴随浊度的去除而有所提高，这是因为低剂量的臭氧可以引发溶解性有机物的部分聚合，形成聚电解质，通过吸附和架桥作用得以去除。臭氧氧化提高了水中有机物的生化性，清华大学环境工程系的研究结果表明^[11]，臭氧投量为0.5mg/L时，BOD₅/COD提高了30％，后续工艺对COD_cr的去除率由40％提高到56％。
2.1.2对PAM投加点的影响

图3 预臭氧对PAM投加时间的影响
Fig.3 Impact of pre-ozonetion on added time

　　图3表明，臭氧预氧化对PAM的投加点有一定的影响，无预氧化条件下，PAM的最佳投加时间为搅拌5min，相当于絮凝池的1/3处。而投加预臭氧后，PAM的最佳投加时间同先前情况相比后移，最佳的投加时间为搅拌的第7min，相当于絮凝池的2/5处。
2.1.3助凝效果
　　PAM分别选取0.05mg/L、0.08mg/L和0.10mg/L三个投加量，在相同的投加量下比较其对原水浊度的去除情况。三种条件下的原水浊度分别为22.1NTU、22.8NTU和23.1NTU，原水耗氧量分别为1.51mg/L、1.68mg/L和1.58mg/L。

图4臭氧预氧化的助凝效能
Fig.4 Effect ofinhancing coagulation by pre-ozonation

　　图4表明，经过臭氧预氧化，浊度的平均去除率提高了3.85％，伴随浊度的去除，原水耗氧量的平均去除率提高了10.4％。

2.2生产性试验
2.2.1工艺运行比较
　　试验在水厂一期中1号和2号两组絮凝沉淀池内进行，沉淀池各有独立的进水口和互不影响的絮凝沉淀系统。1号，2号絮凝沉淀池在进水条件相同且均不投加PAM的情况下，沉淀池的出水情况如图5所示。

图5 絮凝沉淀池运行效果比较
Fig.5 Comparison of turbulence of two sedimentation tank effluent

　　对比27小时的浊度数据，其中1号沉淀池的出水平均浊度为2.49NTU，同时间2号沉淀池比较组的平均浊度为2.48NTU两者相差不到1.0％，可以进行对比试验。
2.2.2联用技术除浊效果

表1投加预臭氧对浊度去除的对比统计表
Table 1 Comparative table of pre-ozonation on removing rate of turbulence 编号 PAM:0.10mg/L PAM:0.10mg/L O₃：0.60mg/L 浊度(NTU) 去除率提高(％) 浊度(NTU) 去除率提高(％) 1＃池 2＃池 1＃池 2＃池 1 1.22 0.62 49.18 1.19 0.41 65.55 2 1.84 0.83 54.89 1.31 0.43 67.18 3 1.38 0.65 52.90 1.31 0.45 65.65 4 1.59 0.78 50.94 1.51 0.55 63.58 5 1.35 0.69 48.89 1.53 0.60 60.78 6 1.53 0.71 53.59 1.34 0.50 62.69 7 1.59 0.8 49.69 1.39 0.57 58.99 8 1.39 0.77 44.60 1.14 0.52 54.39 9 1.05 0.55 47.62 1.1 0.65 40.91 10 1.33 0.68 48.87 1.56 0.64 58.97 11 1.89 0.97 48.68 1.93 0.68 64.77 平均值 1.47 0.73 49.99 1.39 0.55 60.31

　　1号絮凝池不投加PAM，2号絮凝池投加PAM。其中，PAM投加于絮凝池的2/5处。采用管道投加，投加量为0.10mg/L（按设计进水流量计算）。
　　表1表明，在无预臭氧的情况下，投加助凝剂对浊度的平均去除率提高了49.99％；在预臭氧投加量为0.60mg/L时，投加助凝剂对浊度的平均去除率提高了60.31％。同未加预臭氧情况下相比，提高了10.32％。
2.2.3水力负荷的影响
　　由于絮凝沉淀池的进水流量直接关系到PAM的投加浓度，进水流量的改变使PAM的投加量处于波动状态。试验考察了不同水力负荷条件下联用工艺的助凝除浊效果。对2号絮凝池实际进水流量连续五天进行监测，选择出具有代表性的24小时进水流量。
　　表2表明，在正常负荷（PAM投加量最接近最佳投加量）条件下，PAM与臭氧预氧化联用具有很好的助凝除浊效果，沉后水平均浊度为0.37NTU；低负荷条件下，PAM投加量超出最佳投加量，表现出除浊效果下降；超负荷条件下，PAM投加量小于最佳投加量，表现出除浊效果略有下降。这与小试的试验结果相符合。进一步说明PAM与臭氧预氧化联用助凝除浊的最佳投加量为0.10mg/L。

表2 不同进水条件的联用助凝效果
Table 2 Effect of enhancing coagulation bydifferent influent condition 进水条件 时间分布 联用助凝效果 PAM投加量
（mg/L） PAM平均投加量
（mg/L） 沉后水浊度
(NTU) 平均浊度
(NTU) 低负荷 0:00~9:00 0.105~0.160 0.140 0.31~0.58 0.51 超负荷 9:00~16:00 0.093~0.097 0.095 0.44~0.49 0.46 正常负荷 16:00~23:00 0.103~0.104 0.103 0.30~0.45 0.37

　　联用技术在不同水力负荷条件下，助凝效果稍有不同，但对浊度均能保持较高的去除率。具体如图6所示。

图6水力负荷对沉淀出水浊度的影响
Fig.6 Impact of hydraulic loading on turbulence of sedimentation effluent

3结语

　　在既定的原水条件下，臭氧的预氧化与PAM联用技术可以进一步改善混凝效果，除浊率得到提高，有机污染物也得到进一步的去除。对于传统的常规处理工艺，通过该联用技术可以有效的降低沉后水浊度，进而降低后续工艺的处理负荷，提高滤后水水质。当然，这只是对该技术的初步和定性的研究，今后还有许多问题需要进一步研究：
　　（1）臭氧预氧化与PAM联用改善混凝的作用机理及臭氧预氧化对PAM强化混凝条件的影响和成因，有机物可混凝性改善的原因；
　　（2）原水水质对助凝效果的影响，以及臭氧预氧化与PAM联用技术对主混凝剂投量的影响及经济效益的评价；
　　（3）有限臭氧投量情况下，臭氧与有机物发生不完全氧化反应而产生的中间产物的致突变性和臭氧化后导致氨氮含量升高等问题。

参考文献
　　[1]中国城市供水协会.城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标. 中国建筑工业出版社.2005,10,:255~273
　　[2]黄廷林. 强化絮凝法去除水中DBP先质研究. 环境科学学报. 1999, 4: 399~404
　　[3]汤鸿霄. 环境水质学的进展-颗粒物与表面络合. 环境科学进展. 1998, 1: 2~6
　　[4]王晓昌,金鹏康, 周兰. 水中天然有机物絮凝过程的光学在线监测及控制. 环镜科学学报. 2002, 22 (1): 6~11
　　[5]G.Joseph. Removing Particles and THM Precursors by Enhanced Coagulation. J. AWWA. 2000, (4): 139~150
　　[6]K. J. Ives, A. E. Adin. The Role of Particle Characteristics in Separation Process. WS&T. 1997, 36(4): 1~4
　　[7]S David Chang,Philip C Singer.The impact of ozonation particle stability and the removal ofTOC and THM precursors. AWWA, 1991, 83(3):71～79
　　[8]Syed R Qasim al. The effect of preozonation on microorganism and particle removal.Wat Sci Tech,2000,41(7):9～16
　　[9]章诗芳. 聚丙烯酰胺应用于饮用水处理研究. 含藻水处理研究技术研讨会. 2000.
　　[10]鄂学礼,凌波.饮用水深度净化与水质处理器.环境科学与工程出版中心.2004,9:115~116
　　[11]刘宏远,张燕.饮用水强化处理技术及工程实例.化学工业出版社.2005,4:99~101