引江水源混凝絮体上浮原因分析与改善方案

于红玲， 张旭东， 孙丽晶， 谭浩强,2， 刘志滨， 王 霖， 徐广志

(1.天津水务集团有限公司，天津300042；2.台州学院建筑工程学院，浙江台州318000)

长江水源的水质特点为低浊度、低有机物，处理过程中存在絮凝效果不佳、絮体凝结不实等问题，并出现絮体上浮现象，既提高了生产成本，又给净水工艺的安全稳定运行造成影响。笔者针对沉淀池絮体上浮问题，分析查找了原因并通过试验研究了适合长江水源的混凝剂投加方式与工艺流程。

1 沉淀池絮体上浮原因

1.1 水中溶解性气体对絮体的影响

1.1.1 溶解氧对絮体的作用

水中的溶解氧通常有2个来源：一是溶解氧未饱和时，大气中的氧气向水体渗入；二是水中植物通过光合作用释放。引江水源中，夏季的藻类以硅藻门和绿藻门为主。从图1可以看出，夏季藻类数量比其他季节大，光合作用产生的氧气也相应更多。

水中溶解氧的饱和含量与空气中氧的分压、水的温度也有密切关系。在常压下，饱和溶解氧受水温影响较大，水温越低溶解氧含量越高。在高温下，水中饱和溶解氧浓度降低，光合作用产生的氧气在溶解氧达到饱和后从水体溢出，遇到絮体后会进入其空隙，产生气泡，增大了絮体的浮力，导致絮体上浮现象发生。

图1 引江水源藻类的计数分布Fig.1 Distribution of algae count in water source from Yangtze River

1.1.2 CO2对絮体的影响

1.2 温差变化对絮体的影响

夏天，室外的沉淀池中水温会升高，水中的溶解氧及其它气体会从水中溢出，托起絮体使其上浮。开展烧杯试验模拟水厂混凝工艺，加入混凝剂并完成絮凝后，絮体有少量上浮。将烧杯置于日光下，发现处于中间层和底层的絮体缓慢上升，最后漂浮于液面。观察上浮的絮体发现，絮体中包裹着许多小气泡，部分气泡为水中的气体由于温差变化溶出形成。

图2 引江水源pH的变化Fig.2 Change of pH of water source from Yangtze River

1.3 沉淀量与密实程度对絮体的影响

对比引江水源和滦河水源发现，引江水源的浊度和有机物含量均比滦河水源低。在相同的混凝剂投加条件下，引江水源生成的絮体量明显少于滦河水源，絮体不实，空隙较多、较大，气泡易被包裹在其中，导致絮体上浮现象严重。采用滦河水源时，形成的絮体大而实，空隙较少，气泡较少，絮体上浮不明显。

2 引江水源混凝工艺的改善试验

分析絮体上浮原因并结合实际表明，可以通过改善混凝过程中形成的絮体状态，增强絮体的密实程度，使絮体下沉速度加快，从而既降低沉后水浊度，又减少絮体上浮量。

2.1 混凝剂投加量试验

2.1.1 PAC投加量的影响

从图3可以看出，单独投加PAC，投加量(以Al2O3计)从0.5 mg/L上升到1.5 mg/L，浊度呈升高趋势，但观察到形成的絮体小而不实，无明显下沉。继续提高投加量，絮体开始下沉。PAC投加量为3.0 mg/L时，开始形成较多的絮体并沉淀，浊度得到进一步改善。但单独投加PAC形成的絮体疏松不实，上浮较多，沉淀量少。

图3 PAC投加量对沉后水浊度的影响Fig.3 Effect of PAC dosage on turbidity of water after sedimentation

2.1.2 FeCl3投加量

如图4所示，单独采用FeCl3混凝剂，投加量从1 mg/L上升到8 mg/L，浊度呈上升趋势，但絮体小而不实，无明显的下沉。提高投加量到10 mg/L，开始形成絮体并沉淀，但由于加入的FeCl3过多，水体呈现明显的颜色，感官状态较差。

图4 FeCl3投加量对沉后水浊度的影响Fig.4 Effect of FeCl3 dosage on turbidity of water after sedimentation

2.2 混合投加FeCl3与PAC

2.2.1 投加顺序的影响

FeCl3和PAC的混凝机理不同，投加顺序会对混凝结果产生影响。混合投加方式下，2种混凝剂的投加量如表1所示。

表1 混凝剂投加量Tab.1 Dosage of coagulant mg·L-1

改变投加顺序进行混凝试验，先投加3 mg/L PAC后，当FeCl3投加量为6 mg/L时开始出现沉淀，但絮体松散不实，伴随有上浮现象。先投加4 mg/L FeCl3，PAC投加量为2 mg/L便已出现较多沉淀，絮体密实下沉快，絮体没有明显上浮。先投加4 mg/L FeCl3再投加2 mg/L PAC，沉后水浊度已经明显低于先投加5 mg/L PAC，再投加10 mg/L FeCl3，如图5所示。因此先投加FeCl3再投加PAC的混凝效果，明显优于先投加PAC再投加FeCl3。

分析认为可能与FeCl3和PAC的作用机理及pH有关。采用FeCl3作为混凝剂时，在所研究的投加范围内其主要作用机理为卷扫网捕。而在1～10 mg/L投加量范围内，PAC的主要作用机理为电中和作用，pH值为7～8时效果最佳。长江水源的pH值通常为8～8.5，先投加FeCl3可以降低其pH值，有利于PAC作用。同时，投加FeCl3可增加水体的粒子数量，增大碰撞几率，有效发挥电中和和卷扫网捕双重作用，形成更多、更密实的絮体。

图5 混凝剂投加顺序对沉后水浊度的影响Fig.5 Effect of coagulant dosing order on turbidity of water after sedimentation

2.2.2 絮凝时间与沉淀时间的影响

絮体需要一定的时间才能凝结成可以下沉的大絮凝体。试验研究了通过改变絮凝时间和沉淀时间，来增多絮体数量，增大絮体的下沉量并减少上浮的可行性。

混合投加FeCl3和PAC的条件下，采用如表2所示的2种混凝程序，观察试验现象并检测沉后水浊度。2种投加方式均从投加4 mg/L FeCl3，再投加2 mg/L PAC开始出现絮体沉淀。但程序2形成的絮体更密实，沉淀量更多，絮体下沉更快。

表2 混凝程序Tab.2 Coagulation procedure

从图6可以看出，投加量为4 mg/L FeCl3+2 mg/L PAC，采用程序2的沉后水浊度明显低于程序1，甚至高于后者投加10 mg/L FeCl3+5 mg/L PAC。因此，延长絮凝时间和沉淀时间，能显著提高对浊度的去除效果。

图6 不同混凝程序下的沉后水浊度Fig.6 Turbidity of water after sedimentation under different coagulation procedures

3 结论

① 在混凝过程中，引江水源中的溶解性气体会进入絮体空隙，增大絮体的浮力并导致其上浮。温差变化会导致溶解性气体溢出增加，提高了絮体上浮几率。

② 引江水源中的溶解性气体主要为溶解氧和二氧化碳。溶解氧主要来自大气和藻类光合作用，二氧化碳主要来源于原水pH值降低后重碳酸盐的转化。

③ 单独投加PAC形成的絮体量少而质轻，且松散易上浮。单独使用FeCl3混凝剂，投加量大时水体颜色会变深，感官性能下降。

④ 混合投加FeCl3和PAC时，投加顺序、絮凝时间和沉淀时间均会影响混凝效果。先投加FeCl3再投加PAC，同时延长絮凝和沉淀时间，有利于形成量大且密实的絮体，絮体下沉快，上浮少，出水浊度低。