劉玉才， 喬 尚， 李 強(qiáng)， 國立巖

(雞西市供水有限公司，黑龍江雞西158100)

雞西市供水有限公司朝陽凈水廠設(shè)計(jì)產(chǎn)水能力為15×104m3/d，凈水流程為取水泵站—穩(wěn)壓配水井—機(jī)械攪拌混合池—投加混凝劑(PAC)—折板絮凝池—側(cè)向流斜板沉淀池—Ⅴ型濾池—消毒(液氯)—清水井—送水泵房—用戶。絮凝劑采用聚合氯化鋁(PAC)，最高設(shè)計(jì)投加量為60 mg/L，平均投加量為30 mg/L。低溫、低濁是東北地區(qū)顯著的地表水水質(zhì)特征，興凱湖作為雞西地區(qū)新選的主要水源地同樣具備該水質(zhì)特征。在近2年的凈化運(yùn)行過程中，該水廠也面臨藥劑投量大、水質(zhì)難以掌控、廠區(qū)自用水多、產(chǎn)水能力與設(shè)計(jì)能力相差較大等癥結(jié)。

1 存在的問題

朝陽凈水廠自2016年6月試運(yùn)行以來，最大來水量為3 800 m3/h。超過該水量時(shí)，形成的絮凝體不易下沉，藥劑投加量居高不下，有時(shí)超過最高設(shè)計(jì)投加量。濾池負(fù)擔(dān)加重，反沖洗、排泥頻次(每日排泥近7次)增加，廠區(qū)自用水量升高。

根據(jù)水溫<10℃、濁度<30 NTU便為低溫、低濁水的定義[1]，朝陽水廠的原水水質(zhì)條件在一年中有近7個月的時(shí)間都在此范圍之內(nèi)。水在自然狀態(tài)下會溶解一定量的空氣，這些氣體在水體壓力下降或水溫升高時(shí)通過相互接觸、碰撞形成氣泡。絮凝體在形成與增長過程中會將水中的氣泡裹挾在絮凝體中或吸附于表面，造成絮凝體在水中的浮力增加不易下沉。形成的絮凝體細(xì)小，泥水分界面不清晰，沉淀速度和效果均不夠理想。

通過脫氣-復(fù)式投劑，即降低空氣在水中含量后再實(shí)行聚合氯化鋁的二次投加，可有效規(guī)避水中氣體對絮凝、沉淀的不良影響，加強(qiáng)絮凝體的接續(xù)增長能力，對改善絮凝、沉淀效果起到積極作用。

2 工藝運(yùn)行調(diào)整

2.1 抬高穩(wěn)壓配水井出水水位

原設(shè)計(jì)下，穩(wěn)壓井來水后均勻匹配到3個凈水系列的配水槽中，并通過1.5 m高的跌水曝氣，讓原水中的Fe2+與空氣接觸被氧化成Fe3+，通過絮凝、沉淀加以去除。實(shí)際運(yùn)行中，在絮凝池內(nèi)產(chǎn)生了大量類似發(fā)泡劑的灰黃色物質(zhì)，經(jīng)檢測均是氣泡和絮凝體形成的混合物。一方面，這些物質(zhì)的形成嚴(yán)重影響了水質(zhì)的感官性狀，增大了清撈的作業(yè)難度。另一方面，剛剛形成的絮凝體未能繼續(xù)吸附水中的雜質(zhì)顆粒，便在水中氣泡的吸附裹挾下浮到水面，造成混凝劑的嚴(yán)重浪費(fèi)和水質(zhì)的下降。

對此，將3個配水槽出水水位提高到進(jìn)出平衡，以消除跌水摻氣對后續(xù)工藝的影響。出水水位提高后灰黃色物質(zhì)隨之消失，PAC平均單耗也由45 mg/L降到21 mg/L，水質(zhì)明顯改善。原水中鐵含量并不高(0.4～0.6 mg/L)，通過正常的絮凝、沉淀處理后能控制在0.1～0.25 mg/L，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)規(guī)定的0.3 mg/L要求。

2.2 調(diào)整混凝劑投加點(diǎn)

在確認(rèn)水中氣體對絮凝體下沉的影響后，如何“避氣”就顯得非常必要。運(yùn)行工藝中折板絮凝池共分3個能級：第一能級為相對折板，第二能級為平行折板，第三能級為平行直板。第一能級的水流速度最快，紊流最強(qiáng)，溶于水中的氣體在此處由于壓力下降，最易從水中溢出。原工藝的PAC投加點(diǎn)在第一能級的首端——機(jī)械攪拌混合池內(nèi)，造成絮凝的同時(shí)氣泡上浮，形成了大量灰黃色物質(zhì)(稱之為“泥毯”)。

“脫氣”可減少絮凝體上附著或裹挾的氣泡，降低絮凝體在沉降過程中的浮力。在經(jīng)過數(shù)次實(shí)驗(yàn)室和工藝實(shí)驗(yàn)后，將投加點(diǎn)位置調(diào)整為第一能級末端和第二能級末端，從而使水中氣體得到有效釋放，減少對絮凝沉淀的不利影響。

3 方案實(shí)施與應(yīng)用效果

3.1 脫氣原理

水中氣體為分溶解性氣體和非溶解性氣體，溶解性氣體對混凝沉淀效果的影響較小，而非溶解性氣體在水力條件發(fā)生變化時(shí)，例如溫度升高、壓力下降、流速增加等，會逐漸形成超微氣泡(直徑小于1 μm)、微氣泡(1～150 μm)[2]，通過接觸、碰撞并增大為氣泡，附于介質(zhì)上或從水中溢出。氣泡在增大移動過程中如果被絮凝體包裹或吸附在絮凝體上，就會增加絮凝體浮力，影響下沉速度。760 mm汞柱下，不同溫度時(shí)1 L水中的空氣溶解度見表1。

表1 不同溫度下空氣在水中的溶解度Tab.1 Solubility of air in water at different temperatures

從表1可以看出，水溫在3℃時(shí)空氣的溶解度為27 mL，而在常溫20℃時(shí)為18 mL，較大的溶氣差異會對絮凝沉淀產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，不同壓力下水中氣泡的直徑也存在差別，當(dāng)壓力<5 bar時(shí)，氣泡直徑明顯增大，對絮凝沉淀開始產(chǎn)生不良影響。

3.2 實(shí)施方案介紹

穩(wěn)壓配水井的自然均布構(gòu)造、混合池的機(jī)械攪拌、折板絮凝池的三能級潛力都為“脫氣”-復(fù)式投加提供了可行性。第一次投加(占總投加量1/5～1/6)設(shè)置在配水井3個均勻出水池內(nèi)，第二次投加(占總投加量4/5～5/6)設(shè)置在折板絮凝池第一能級末端，第三次投加選在第二能級末端。第一次投加的目的是讓水中雜質(zhì)與PAC形成微小的絮粒，避免與水中氣體大面積接觸，第二、三次投加是讓絮凝體擺脫“連續(xù)破碎”的影響，讓絮凝體“接續(xù)增長”快速變大。不僅避免了水中氣體的負(fù)面影響，還兼顧了絮凝沉淀效果。

3.3 投加比例和時(shí)間間隔的確定

采用MY3000-6N混凝實(shí)驗(yàn)?zāi)M儀，針對二次加藥，分別對間隔時(shí)間和所占比例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)中，先以100 r/min 攪拌3 min，再以60 r/min攪拌10 min，最后以30 r/min攪拌10 min，沉淀20 min后測定濁度。

表3 不同投加比例下的混凝效果Tab.3 Precipitation effect at different dosing ratios

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，第一次與第二次投加間隔時(shí)間為8 min，投加比例為1∶6時(shí)凈化效果最好。

4 實(shí)施辦法

利用40FSZ-18R型不銹鋼耐酸泵，將溶解好的PAC溶液通過3個玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)(Q=600 L/h)按比例加到穩(wěn)壓配水井3個溢流堰出口處，作為第一次投加。

再利用混合池的機(jī)械攪拌(混合時(shí)間20 s，混合G值500 s-1)和折板絮凝池第一能級流速快(0.307 m/s)的潛力，將在混合池的原投加點(diǎn)改到第16絮凝格內(nèi)，作為第二投加點(diǎn)。將機(jī)械混合池和前15絮凝格作為“脫氣”池，讓水中氣體得到有效釋放，并滿足第二次和第三次投加的時(shí)間間隔要求。

5 效益分析

方案實(shí)施后，凈水劑耗量由30～60 mg/L下降到17～25 mg/L，若按水廠正常產(chǎn)水量80 000 m3/d、PAC單價(jià)2 400元/t計(jì)算，每天可節(jié)約PAC用量1.92 t，折合4 608元，每年可節(jié)約資金1 681 920元。

同時(shí)，廠區(qū)自用水由原來的4 000 m3/d減少到3 000 m3/d，如按現(xiàn)行水價(jià)2.2元/m3計(jì)，每年可節(jié)約803 000元。

從水質(zhì)保障上，二次投加后濾前水濁度基本在1 NTU以下，濾后水和出廠水濁度保持在0.5 NTU以下，有力保障了水質(zhì)穩(wěn)定。

2018年2月實(shí)施脫氣-復(fù)式投加方案前后，水廠混凝劑用量和制水量的變化見圖1。

圖1 方案實(shí)施前后的混凝劑投加量與制水量Fig.1 Coagulant dosage and water quantity before and after the implementation of the scheme

6 結(jié)論

水中氣體的影響是低溫低濁水難以處理的原因之一。通過實(shí)施脫氣-復(fù)式投加方案，有效降低了水中氣體對絮凝沉淀的不良影響，擴(kuò)大了水質(zhì)可控范圍，降低了凈水劑用量和廠區(qū)自用水量，保障了出廠水水質(zhì)穩(wěn)定，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，具有較好的推廣前景和借鑒意義。