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低溫低濁水處理技術的研究 摘要：本文主要介紹了低溫低濁飲用水難于處理的原因以及低溫低濁水的處理技術。對于低溫低濁飲用水的處理可通過優選適合對應水質的混凝劑，優化混凝、沉淀、過濾工藝，增加適合對應水質預處理工藝等來提高出水質量。 關鍵詞：飲用水；低溫低濁；處理技術 低溫低濁水處理是一個長期備受關注的課題，低溫低濁水一般是指水溫低于10℃，且濁度在20NTU以下的河水和唐庫水，以常規處理工藝進行處理很難達到國家生活飲用水衛生標準中的濁度指標，從而影響居民飲用水安全，給生產工作帶來了很大的困難。目前，我省內絕大多數的水廠都采取混凝沉淀過濾消毒的常規水處理工藝。因此，分析研究經濟有效的低溫低濁水處理技術是一個很有意義的工作。 1 低溫低濁水難于處理的原因 低溫低濁水中的雜質主要以細小的膠體分散體系混溶于水中，低溫低濁水的特征是溫度、濁度、堿度、耗氧量、粘度和pH值等偏低。 水溫低，水中的雜質（細小顆粒物）布朗運動減弱，碰撞機會少，不利于雜質膠粒脫穩凝聚。當水溫低于10℃時，由于膠粒碰撞機會少且水的剪切力增大，使生成的絮凝體（礬花）易于破碎，又因水的粘度大使絮凝體的沉降速度減慢，顆粒絮凝速度大大降低、減慢，不易沉淀，所以絮凝效果差。無機鹽混凝劑水解是吸熱反應，低溫時絮凝劑水解速度降低。隨著水溫每降低10℃，水解速率常數減小2—4倍，從而導致反應速率減小，OH-離子濃度低，水離子體積小，導致水解反應不完全，混凝劑利用不充分。同時，水溫低時聚合反應速率減小，混凝劑的水解產物主要是高電荷、低聚合度的聚合物，在膠體顆粒間難于形成吸附橋架，從而降低絮凝效果。水溫低，雜質膠體顆粒水化作用增強，膠體顆粒周圍水化作用增強，絮狀物粘附力減小，妨礙膠體顆粒凝聚，而且水化膜內的水由于粘度增大，影響了膠體顆粒見的結合強度，使絮凝體松散易于破碎，密度小，絮凝顆粒強度低。 濁度低時，水中雜質主要以細小的膠體分散系溶于水中，膠體顆粒小且較為均勻，具有很強的動力穩定性和凝聚穩定性，且帶負電的膠體顆粒數量少，達到電中和所需的混凝劑也少，從而形成的絮凝體細、小、輕，難于沉淀，易于穿透濾層。濁度低時，膠體顆粒數目小，顆粒間相互碰撞聚集的機會減小，使絮凝體難于形成，如果通過增大攪拌強度來提高膠體顆粒見碰撞的幾率，同時又會產生很大的水流剪切強度，會使形成的低強度的絮凝體被剪碎。 另外低溫低濁水中溶解性有機物也會影響水處理過程。水中溶解性有機物表面帶有遠多于懸浮微粒的電荷，加入混凝劑后，其中的正電荷首先與有機物所帶電荷中和，只有加入混凝劑到一定程度后，才會與微粒反應，形成吸附架橋作用。有機物會在無機顆粒表面形成保護層，使水體成為一個穩定物系，就算投加過量混凝劑，除濁效果也不好。 2低溫低濁水處理的研究進展 近年來，國內外在低溫低濁水處理技術的研究主要有兩方面：一是開發和應用在低溫低濁條件下產生較好處理效果的混凝劑。如高鐵酸鹽和聚硅酸應用于低溫低濁水處理均收到了良好的效果，其他混凝劑應用試驗也在開展中。二是在處理工藝上采取強化絮凝、沉淀和過濾的技術措施，采取膜過濾、深度處理等新型處理工藝。機械加速澄清池、氣浮、直接過濾等工藝用于低溫低濁水處理。 2.1混凝劑的開發與應用 2.1.1無機混凝劑 聚硅酸(也稱活化硅酸)用于水處理領域已有近50年的歷史，尤其適用于處理低溫水。聚硅酸是一種無機高分子聚合物，本身具有良好的吸附性能和架橋性能，常常與聚氯化鐵(PFC)或聚硫酸鐵(PFS)配合使用，取得了較好的絮凝效果。由于其在處理低溫低濁水時所表現出良好的處理效果，加之其制備原料價格便宜和大量易得，對人體健康無害，因而受到世界各國的普遍重視，美國、日本、加拿大、德國、俄羅斯等國家的一些大型水廠都在使用聚硅酸。在我國，最早使用聚硅酸的是天津市自來水公司，并取得了良好的效果，之后北京、上海、長春等城市的自來水廠家也先后使用，至今仍有部分自來水廠家在使用聚硅酸。盡管聚硅酸有其處理低溫低濁水的優勢，但因其不易儲存，需現配現用，這給使用帶來了不便，加之與其他混凝劑配合使用時比例難以掌握，因而常常不能得到預期的處理效果，其應用受到了一定的限制。 聚硅酸金屬鹽混凝劑的特點是絮體形成速度快，絮體顆粒較大，而且絮體形成的大小和快慢受溫度的影響較其他混凝劑小，因而特別適合處理低溫低濁度水質及接觸過濾工藝。另外，由于該混凝劑形成的絮體對水體中的有機污染物具有較強的吸附能力，因此也適合于處理嚴重污染的水質。聚硅酸金屬鹽混凝劑的另一個顯著特點是處理后水體中殘余的鋁離子含量遠遠低于其他混凝劑，從而大大減小了鋁對人體所造成的危害。聚硅酸金屬鹽混凝劑處理后水中鐵含量也較低，這可以避免因鐵的氧化物與大量增生的菌體粘合在一起造成管道堵塞而使管道內過水能力明顯下降。有研究表明，含三價離子的聚硅酸鹽穩定性大于含二價離子的聚硅酸鹽，聚硅酸鐵的穩定性又大于聚硅酸鋁。這主要是因為聚硅酸中引人金屬離子后，不但降低了溶液的pH值，使其中有效成分的數量減少，而且降低了聚硅酸表面發生聚合作用的羥基氧的電子密度，從而抑制了硅酸的聚合。 2.1.2有機高分子混凝劑 有機高分子絮凝劑方面，同濟大學開發了一種新型陽離子聚丙烯酰胺(HCA)，與聚合氯化鋁復配后對低溫低濁度原水和污水均具有非常好的處理效果，可以降低投藥量20％以上。但由于殘留單體的存在，合成高分子絮凝劑對人體健康會產生一定的影響，需嚴格試驗，控制出水單體含量。天津市自來水公司從瑞士Ciba公司、法國SNF公司索取高分子凈水劑樣品進行了凈水試驗，其結果符合國家標準和規定。這些試驗藥劑均來自世界知名水處理藥劑公司，其藥劑采用標準高，如HCA抽同類產品，單體含量為0.5％，而國產HCA單體含量為5％，這些產品是專為飲用水處理而設計的低毒產品，另外這些公司的生產工藝水平高，產品質量穩定。隨著我國市場的進一步開放，關稅的降低，價格會逐漸與國產材料持平，或在一個可接受的水平上，另外應用廣泛的材料，也可以采用國產化的方法降低價格。 無機混凝劑中鐵系混凝劑在處理低溫低濁水時效果好于鋁鹽，高分子混凝劑整體效果好于無機混凝劑，特別是聚鋁做混凝劑時，形成的絮體大，沉降好，投量少，且對源水水質適應性強，廣泛被用于低溫低濁水處理。 2.2處理工藝與技術措施 2.2.1給水處理工藝 在給水處理工藝上，高效廉價的混凝劑的研制，將使混凝反應進行得更充分，但即使在原水中加入極高效的混凝劑，也需從設備上為在水中產生良好的礬花顆粒創造條件。首先是混合，混合不好，即使采用高效絮凝裝置，也不會得到良好的絮凝效果，因此，從某種意義上而言，混合比絮凝的作用更加重要。近10年來，在國外管式靜態混合器和機械混合裝置陸續投產取得了良好的混合效果。管式靜態混合器在國外廣泛應用于給排水處理工藝，如pH的控制、混凝、消毒、污泥處理系統等。機械混合也是快速混合，中、大型水廠多采用這種方式，它可以根據需要改變和調整轉速，適應性較強。絮凝方面，日本的新水廠多用隔板絮凝，美國多用機械絮凝池，它的設計參數如時間和G值隨處理工藝而變，另外，還使用空氣擴散絮凝和水力射流絮凝器，當水廠超負荷時用于輔助攪拌之用。我國大都采用水力型的絮凝池，如各種隔板、柵條、網格、折板等型式的絮凝池。20世代90年代起，華東地區的一些水廠應用了機械絮凝裝置，包括豎軸式攪拌和水平軸式攪拌，中南地區的一些大中型水廠的設計中，采用過一些折板與隔板連用的組合式絮凝池。 2.2.2攪拌試驗 攪拌試驗目前在我國仍是尋求合適的投藥量適用方法，在美國、俄羅斯、日本實現了自動化投藥的大型水廠均有自己的混凝劑投加率的數學模型，根據原水水質指標，完全自動控制混凝劑投加量。 2.2.3濾池 美國的濾池運行實踐表明，當水溫低于8℃時，濾池的出水水質將會變差；雙層濾料或粗粒深層濾料的濾池在高濾速過濾時，都采用投加極少量助濾劑(高分子聚合物)以保證濾池的出水水質。但濾速應控制在15m/h以內。經常被應用的助濾劑為非離子型高分子聚合物，投加量為15－25μg/L。若不采用助濾劑，則L/d(濾層厚度L與濾料有效粒徑d)比應增加20％。過濾速度可控制為恒速或漸降速，采用恒速可對過濾過程進行更良好的控制。 2.2.4膜過濾 膜過濾是新近發展的一項技術，它可有效地去除水中的臭味、色度、消毒副產物前體及其他有機物和微生物，用于低濁水尤為適合，但價格較昂貴。隨著膜技術的發展和普遍使用，膜的價格已經大幅度下降。膜分離作為一種水中有機物和微生物去除的新工藝，將會對給水處理產生重要的影響。 2.2.5混凝加泥 混凝加泥法即在混凝時加入合適量的泥渣，或將沉淀池及濾池上沖洗下來的泥渣回流入分水井使其充分混勻，增加源水中膠體微粒數目，為混凝劑的水解反應提供附加的沉淀核心，以加入礬花形成，提高新絮凝體密度，加速沉淀速度。但次過程會增加水處理成本。 2.2.6微絮凝過濾技術 微絮凝過濾技術是利用接觸過濾以達到凈化目的。利用濾池上層濾料的微小空隙和物理化學特性，向源水中投加混凝劑后直接進入濾池，在濾料層中形成微小絮凝體。絮凝體一部分被濾料截留，另一部分被濾料吸附，以微絮凝吸附作用達到降低濁度的目的。 2.2.7溶氣氣浮法 溶氣氣浮法（DAF）即壓力溶氣浮選法，它利用壓力溶氣水驟然減壓所釋放出的大量微氣泡，與水中的絮凝體粘附在一起，形成視密度小于水的微氣泡-絮凝體體系，在浮力作用下，帶有微氣泡的絮凝體上浮至水面，形成浮渣后刮去。 2.2.8深度處理技術 深度處理技術是指在常規處理工藝之后，增加能夠對常規工藝不能有效去除的污染物或消毒副產物的前體物進行有效去除的工藝技術，該技術通過去除水中有機污染物和雜質，達到除濁的目的。目前常用的深度處理技術有臭氧氧化、活性炭吸附、臭氧-活性炭聯用、膜過濾等技術。 3 結語 隨著飲用水源水污染日益嚴重，這給飲用水處理工作帶來了嚴峻的挑戰。研究新的絮凝效果更好的混凝劑和采取新的處理工藝，成了低溫低濁水處理的發展方向。根據源水水質選擇合適的混凝劑，優化水處理工藝，探索經濟、高效、應用性強的凈水工藝，具有廣闊的發展前景。（水質檢測中心 陳揚） 參考文獻 [1] 嚴群，唐美香，余洋.低溫低濁水處理研究進展[J].有色金屬科學與工程，2011,2(4):45-48. [2] 王桂榮，張建軍.低溫低濁水處理工藝研究[J].山西建筑，2010,36(23):198-199. [3] 王海虹，楊妍龑.低溫低濁水處理工藝研究進展[J].農技服務，2007,24(9):109-110. |
