江浙河网高有机污染原水的高密度沉淀池处理工艺

单国平，吕 淼

（1.南京市自来水总公司，江苏南京 210002；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

1 引言

随着我国经济和社会的迅速发展，环境污染问题日趋严重，城市供水水源尤其是地表水源水质也出现不同程度的下降。以江浙地区为例，该地区通常地势平坦、河网交织、水流滞缓，地表水污染严重，水体水质多为IV～V类，枯水期甚至为劣V类，原水中氨氮含量通常 0.5～1 mg／L，CODMn通常 3～6 mg／L，属于典型的高氨氮高有机物污染原水[1]。对于此类原水，以混凝-沉淀-过滤-消毒为主要处理单元的常规水处理工艺的处理效果不能令人满意，饮用水安全风险大大增加[2]。

近年来，有外部循环污泥的高密度沉淀池在国内外净水厂设计以及改造中越来越多地被应用[3-8]，国内常见的池型以法国Densadeg公司的高效沉淀池和上海市政设计研究总院（集团）有限公司开发的中置式高密度沉淀池等为代表[9]。这两种高效沉淀工艺的原理基本相同，即外部循环具有活性的污泥，使杂质颗粒与其发生接触絮凝而从水中分离。目前，中置式高密度沉淀池已在江浙地区多座水厂中应用实施，相关的科研工作也已开展[1]。本中试研究通过在高密度沉淀池中采用粉炭回流技术，并结合后续砂滤工艺，强化其对浊度、有机物和氨氮的去除效果，使高密度沉淀池兼具常规处理和深度处理的双重功能，力图为劣质原水处理工艺提供了一个全新的思路。

2 试验材料设备及方法

2.1 试验原水

表1 江浙地区某水厂原水部分水质指标Tab.1 Raw Water Quality of a Water Plant in Area of Jiangsu-Zhejiang

2.2 试验药剂

混凝剂：硫酸铝、氯化铁、聚合氯化铝（PAC，Al2O3含量10%左右）、聚合氯化铝铁（PAFC，Al2O3和Fe2O3含量10%左右）；助凝剂：阴离子型聚丙烯酰胺（PAM）；粉末活性炭。

2.3 试验设备及方法

首先采用杯罐试验对药剂种类及投加量进行优化，然后在高密度沉淀池中进行中试试验。杯罐试验按照国标《水的混凝、絮凝杯罐试验方法》（GB/T 16881—1997）设计，具体步骤如图1所示。试验设备采用深圳生产的ZR4-6型混凝试验六联搅拌机。

图1 杯罐试验步骤Fig.1 Procedures for Jar Test

中试试验采用上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司设计的高密度沉淀池中试装置，其示意图见图2。中试装置规模5 m3／h，原水在进水管中与粉炭、混凝剂以及高浓度底部回流污泥混合并一同进入混合区，经充分混合后进入絮凝区进行机械提升搅拌絮凝。机械絮凝后的水经翻水堰进入两侧的静止絮凝区继续絮凝，并由上而下水流顺畅地进入沉淀区，在沉淀区进行最终泥水分离，斜管上部清水区设置集水管汇流出水，污泥则在沉淀区下部进行浓缩。装置底部设浓缩刮泥机，浓缩后的污泥部分再回流到原水进水管，多余高浓度污泥被排放。

试验中的主要检测指标及方法如表2所示。

图2 高密度沉淀池工艺示意图Fig.2 High-density Sedimentation Tank

表2 检测指标及方法Tab.2 Parameters Tested and Methods for Examination

3 试验结果与讨论

3.1 小试研究

（1）混凝剂种类及投加量优化

以浊度为主要指标，对硫酸铝、氯化铁、聚合氯化铝、聚合氯化铝铁四种混凝剂进行优化筛选。混凝剂分7个投加水平，均按有效成分（Al2O3和Fe2O3）1～7 mg／L 换算，详见表 3；沉淀时间 20 min。

表3 混凝剂投加量、有效成分对照表Tab.3 Dosages of Coagulants and Their Effective Components

图3 不同硫酸铝投量时出水浊度变化图Fig.3 Variation of Turbidity of Effluent under Different Dosages of Aluminum Sulphate

图4 不同氯化铁投量时出水浊度变化图Fig.4 Variation of Turbidity of Effluent under Different Dosages of Ferric Chloride

由图3～图6不难看出，对于硫酸铝而言，投加6 mg／L（有效成分，下同）可控制出水浊度低于1 NTU；而氯化铁的除浊效果则较差，即使投加7 mg／L，其出水浊度仍高于3 NTU；在聚合氯化铝投加6 mg／L时，沉淀20 min后出水浊度可控制在1 NTU以下；而对于聚合氯化铝铁，投加量5 mg／L即可将出水浊度控制在1 NTU以下。

图5 不同聚合氯化铝投量时出水浊度变化图Fig.5 Variation of Turbidity of Effluent under Different Dosages of Aluminum Chloride

图6 不同聚合氯化铝铁投量时出水浊度变化图Fig.6 Variation of Turbidity of Effluent under Different Dosages of Poly-Aluminum-Iron Chloride

图7 四种混凝剂除浊效果图（混凝剂投量按有效成分5 mg／L）Fig.7 Effect of Turbidity Removal with Different Kinds of Coagulant

由图7可知，四种混凝剂中以聚合氯化铝铁的除浊效果为最好，投加量5 mg／L时即可将出水浊度控制在0.8 NTU以下；除浊效果其次为聚合氯化铝、再次为硫酸铝，最差为氯化铁。总体而言铝盐的除浊效果优于铁盐。

（2）助凝剂投加量优化

以浊度、CODMn和氨氮为主要指标，对PAM投加量进行优化，混凝剂采用聚合氯化铝铁50 mg／L，沉淀时间20 min。试验结果如下。

图8 不同PAM投量的出水浊度变化图Fig.8 Variation of Turbidity of Effluent under Different Dosages of PAM

图9 不同PAM投量的出水CODMn变化图Fig.9 Variation of CODMnof Effluent under Different Dosages of PAM

图10 不同PAM投量的出水氨氮变化图Fig.10 Variation of NH3-N of Effluent under Different Dosages of PAM

由图8可知，当PAM投加量在0.1 mg／L以下时，随着投加量的增加出水浊度下降，至投加量为0.1 mg／L，浊度达到最低，为 0.737 NTU，比不投加PAM 降低了0.149 NTU。当 PAM 投加量高于 0.1mg／L时，出水浊度反而有所上升。这可能是由于颗粒上的吸附点被迅速占领，结果减少了架桥的可能性，或者负电荷的高分子聚合物阻碍了带负电荷粘土颗粒的凝聚，因此絮凝效率反而降低。由图9可知，投加PAM对提高CODMn的去除作用不是很明显，去除率约 20%～30%，PAM 投量 0.1 mg／L对 CODMn的去除效果较好。由图10可知，仅靠杯罐试验的混凝沉淀过程对氨氮去除作用有限，相比而言，PAM投量亦在0.1 mg／L时去除效果较好。

（3）粉炭种类优化

对两种粉炭进行筛选，二者均由美国卡尔冈炭素公司提供，参数详见表4。混凝剂采用聚合氯化铝铁 50 mg／L，助凝剂采用 PAM 0.1 mg／L，沉淀时间20 min。

表4 两种粉炭主要性能参数表Tab.4 Property of 2 Kinds of Powdered Activated Carbon

图11 两种粉炭的浊度去除效果比较Fig.11 Turbidity Removal with 2 Kinds of PAC

图12 两种粉炭的CODMn去除效果比较Fig.12 CODMnRemoval with 2 Kinds of PAC

图13 两种粉炭的氨氮去除效果比较Fig.13 NH3-N Removal with 2 Kinds of PAC

由图11可知，随着活性炭投加量的增大，出水浊度先略有下降，然后又有所上升，两种粉炭均在20 mg／L时达到最佳的浊度去除效果。这可能是由于粉炭的密度较低，当投加量过高时在一定程度上会影响矾花的沉降性能。两种粉炭比较，在低于20 mg／L时，1#炭的除浊效果稍好；而在高于20 mg／L时，2#炭的除浊效果较好。整体而言，二者的除浊效果相差不大。由图12可知，投加粉末活性炭使CODMn的去除效果有很大提高，随着活性炭投加量增加，CODMn逐步降低。两种粉炭比较，2#粉炭对CODMn的去除效果较好，在40 mg／L时，CODMn去除率可达50%，比1#粉炭高10%左右。由图13可知，投加粉末活性炭对提高氨氮的去除效果有一定作用，1#粉炭可使氨氮去除率增加约3%，2#粉炭可使氨氮去除率增加约5%。由以上结果不难看出，PULSORB SP230的处理效果优于207AP POWDER。因此本研究在中试试验中采用PULSORB SP230。

3.2 中试研究

高密度沉淀池进水流量5 m3／h，进水浊度23～44 NTU，混凝剂投加量 40 mg／L，PAM 投加量0.1 mg／L，PAM 两点投加比例 1∶1，粉炭投加量 5 mg／L，污泥回流比3%，砂滤池助滤剂投加量2 mg／L。试验考察了无粉炭投加和粉炭回流两种工况下高密度沉淀池及后续砂滤池对浊度、CODMn、氨氮、UV254等指标的去除效果。每个工况稳定运行30 d，每2 d取样检测。

图14 高密度沉淀池及砂滤池对浊度的去除效果图Fig.14 Total Turbidity Removal through Sedimentation and Filtration

由图14可知，当无粉炭回流时，沉淀池出水平均浊度为 0.80 NTU，平均去除率约 96.8%；砂滤池出水平均浊度0.29 NTU，整个强化常规工艺对浊度的平均去除率为98.9%。而粉炭回流时，沉淀池出水平均浊度为0.62 NTU，平均去除率约97.9%；砂滤池出水平均浊度0.20 NTU，浊度总去除率达99.3%。这说明粉炭回流在一定程度上强化了高密度沉淀池对浊度物质的去除。

试验期间高密度沉淀池及后续砂滤池对于CODMn的去除效果如图15所示。由图可知，沉淀池进水CODMn均值约6.13 mg／L，无粉炭回流工况下出水CODMn平均下降到4.33 mg／L，平均去除率为29.3%，砂滤池出水 CODMn均值 3.92 mg／L，CODMn总去除率为35.9%。在粉炭回流工况下，沉淀池出水CODMn可进一步下降到3.85 mg／L，平均去除率可提高至 36.9%，CODMn总去除率可达 45.4%，这充分体现了粉炭回流在去除有机物方面的优势。

图16反映了高密度沉淀池及后续砂滤池对于氨氮的去除效果。由图可知，试验期间沉淀池进水氨氮均值 0.78 mg／L，无粉炭回流时出水氨氮 0.33 mg／L，去除率 57.2%，砂滤池出水氨氮 0.23 mg／L，氨氮总去除率69.9%。而粉炭回流时沉淀池出水氨氮可进一步降低至 0.24 mg／L，去除率可提高至 69.8%，砂滤池出水氨氮 0.19 mg／L，总去除率可达 76.6%。

图15 高密度沉淀池及砂滤池对CODMn的去除效果图Fig.15 Total CODMnRemoval through Sedimentation and Filtration

图16 高密度沉淀池及砂滤池对氨氮的去除效果图Fig.16 Total NH3-N Removal through Sedimentation and Filtration

UV254可作为TOC、三卤甲烷前体物的代用参数，且测定简单，便于应用。图17反映了高密度沉淀池及砂滤池对UV254的去除效果。由图可知，沉淀池进水UV254均值0.124，无粉炭回流时出水均值0.106，平均去除率 18.2%，砂滤池出水 UV254均值0.103，UV254总去除率 20.8%。粉炭回流时沉淀池出水UV254均值可降至0.086，平均去除率28.2%，砂滤池出水 UV254均值 0.077，UV254总去除率达35.9%。

图17 高密度沉淀池及砂滤池对UV254的去除效果图Fig.17 Total UV254Removal through Sedimentation and Filtration

4 结论

（1）小试试验条件下，硫酸铝、氯化铁、聚合氯化铝和聚合氯化铝铁四种混凝剂的除浊效果依次为：聚合氯化铝铁＞聚合氯化铝＞硫酸铝＞氯化铁；助凝剂PAM可强化混凝沉淀效果，其最佳投量约为0.1 mg／L；投加粉末活性炭使CODMn的去除效果有很大提高，随着活性炭投加量增加，CODMn逐步降低。本试验所选两种粉炭比较，PULSORB SP230的处理效果较为理想。

（2）中试试验条件下，当进水浊度23～44 NTU，混凝剂投加量 40 mg ／L，PAM 投加量 0.1 mg ／L，PAM 两点投加比例 1∶1，粉炭投加量 5 mg／L，污泥回流比3%，助滤剂投加量2 mg／L时，高密度沉淀池出水浊度能长期稳定在0.8 NTU以下，砂滤池出水浊度能长期维持在0.2 NTU以下。

（3）高密度沉淀池对CODMn和UV254具有良好的去除效果，粉炭回流使沉淀池对CODMn的平均去除率由29.3%提高至36.9%，结合后续砂滤池可使CODMn总去除率达到45.4%；对于UV254而言，粉炭回流可使沉淀池出水UV254去除率由18.2%提高至28.2%。可见粉炭回流在有机物去除方面具有极大的优势。

（4）当高密度沉淀池进水氨氮浓度0.78 mg／L时，无粉炭回流工况下沉淀池出水氨氮可降至0.33 mg／L，去除率57.2%， 砂 滤 池 出 水 氨 氮0.23 mg／L，氨氮总去除率 69.9%。而粉炭回流时沉淀池出水氨氮则可进一步降低至0.24 mg／L，去除率提高至 69.8%，砂滤池出水氨氮 0.19 mg／L，总去除率可达76.6%。

（5）综上研究表明，在高密度沉淀池中引入粉炭回流技术，可以改进以往在常规处理工艺中投加活性炭利用率低的弊端，赋予了常规沉淀工艺对浊度、有机物、氨氮等物质较强的去除能力，发挥了常规处理和深度处理的双重功能，对劣质原水处理工艺的改进具有重要参考意义。

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