低溫低濁地表水處理技術(shù)的探討
摘要：東北地區(qū)低溫低濁地表水采用常規(guī)工藝難以凈化處理，往往又因為受到污染而使原水的色度、耗氧量提高，進一步增加了水質(zhì)凈化的難度。另外，地表水體水質(zhì)在一年中變化很大，采用固定的常規(guī)凈化工藝很難適應。本文對水處理工藝混凝、分離和過濾等環(huán)節(jié)進行7分析，得出了采用浮沉池工藝可以經(jīng)濟合理地處理低溫低濁地表水的結(jié)論。
關鍵詞：低溫低濁；地表水；混凝；分離；過濾；浮沉池
1．低溫低濁水水質(zhì)特點
我國東北地工全年有四、五個月的時問處于寒冷季節(jié)，水體被冰層覆蓋．江河水溫0—1℃，水庫水下層水溫2～4℃。這個時期原水濁度也很低，江河水為5-30NTU，而水庫水也只有5-10NTU。原水水溫低，水的動力粘度系數(shù)提高，減弱了水中膠體的顆粒運動，降低了他們之間相互碰撞的機率；水中膠體的溶劑化作用增強，顆粒周圍的水化膜加厚，妨礙顆粒凝聚；同時，通過混凝所形成的絮體較輕，不易下沉，難以通過沉淀從水中分離出去。
對于水庫水而言．由于它的水流狀態(tài)特點而表現(xiàn)出不同于江河水質(zhì)的特性。水庫水近似于靜止狀態(tài)，水體中各部位因不易摻混而表現(xiàn)出水質(zhì)成份分布的不均勻性。水庫水中的藻類大量繁殖不但妨礙水處理構(gòu)筑物的正常運行。而且藻腥味很重，影響水質(zhì)；水體中的礦化度由于水分的強烈蒸發(fā)而提高：水中含有大量的植物腐爛所形成的腐植質(zhì)不僅提高了水庫水的色度，而且會對水中粘土形成的膠體、硅酸溶膠、鋁和鐵的氫氧化物起到保護作用[1]。這些都增加了水庫水的凈化難度。
2．水處理技術(shù)的改進
隨著飲用水水質(zhì)標準的提高，低溫低濁江河水和水庫水的處理難度又有所增加，常規(guī)的水處理工藝如果不加以改造很難滿足新的水質(zhì)標準要求，這就是需要采取切實可行的技術(shù)對策來解決新問題。
低溫的不利因素，影響了水處理的各個處理環(huán)節(jié)。對于工程設計，應對投藥、混凝、沉淀和過濾等處理環(huán)節(jié)進行具體分析。水處理工藝主要包括混凝和分離兩大過程；炷淖饔檬谴偈乖械哪z體雜質(zhì)形成絮體，而分離是將混凝形成的絮體通過沉淀或者氣浮的方式從水中分離出去．剩余的少部分微小絮體及其它雜質(zhì)，再經(jīng)過過濾而分離出去的處理過程。微絮凝接觸過濾工藝就是將混凝和分離過程都在濾池中完成的綜合處理方式。下面就對水處理工藝的和各環(huán)節(jié)進行具體的分析。
2．1混凝作用 混凝是水質(zhì)凈化處理的制藥、混合、反應各環(huán)節(jié)的總稱，它包括凝聚和絮凝兩個階段。
凝聚實質(zhì)是使膠體膠穩(wěn)而具有凝聚的性能，膠體顆粒的大小，一般介于Imμ0．1mμ之間，凝聚作用的動力只能是布朗運動，水流的攪動并不會加快膠體顆粒的碰撞速度。當顆粒尺寸增大到1 以上時．水流的速度梯度才能夠起作用。凝聚作用力只是水分子的熱運動。絮凝是脫穩(wěn)的膠體結(jié)成大棵粒絮狀體f粒徑約1-2ram)的過程。顆粒碰撞的動力是水流攪動形成的梯度。絮凝過程存在著絮體的結(jié)合和破碎的問題。隨著絮體粒徑的加大。所受到的剪切力增加，當絮體粒徑增加到一定尺寸時。會由于剪切力的增大而破碎。反應池的設計應盡量地減少絮體的破碎率，采用合理的速度梯度。
在混凝過程中。分清凝聚和絮凝的不同階段，針對不同情況，采用相應的對策來提高處理效果。
(1)強凝聚的措施
低溫低濁原水中，膠體顆粒脫穩(wěn)和混凝劑水解產(chǎn)物相互接觸、碰撞的機率大為降低，從而影響凝聚效果。為加強凝聚反應，要提高原水水溫是不現(xiàn)實的。而快速攪動很難影響到微觀的分子熱運動，也提高不了膠體微粒碰撞速率。但是，合理的使用混凝劑，使其快速地均布于水中，有助于原水中膠體顆粒外部雙電層的有效壓縮，降低∈電位，使顆粒脫穩(wěn)：使用助凝劑加強對膠體顆粒的架橋和網(wǎng)捕作用；另外，為使混凝劑水解反應進行的徹底，應及時散除水解反應產(chǎn)生的CO2，亦可獲好的凝聚效果。
①使用助凝劑[2]
低溫低濁原水處理，只用硫酸鋁作混凝劑效果并不好。因為水溫低，形成的強水化氫氧化物比較穩(wěn)定，而絮凝體產(chǎn)生的速度卻很慢，導致了混凝劑的大量使用。
目前,很多水廠除了使用硫酸鋁外，還采用助凝劑。助凝劑在混凝劑投加后1分鐘投加。效果較好。原水水質(zhì)的色度比較高時，可在混凝劑之前投加助凝劑。投加助凝劑，不但可以提高凝聚效果，還可以減少約3O%的混凝劑投加量。
②快速混合
混凝劑投加到原水中，水解速度很快，藥劑的濃度和pH值在各部位應該瞬間達到均勻的程度。所以要求快速混合。否則，在原水中會出現(xiàn)藥劑不均的問題。濃度高的部位，pH值低，膠體擴散層的正離子被異電負離子壓縮和包圍，出現(xiàn)膠體再穩(wěn)定的情況，導致藥劑的浪費；濃度低的部位，藥量不足，不足以壓縮雙電層，達不到混凝效果？焖倩旌铣２捎盟煤挽o態(tài)混合器，速度梯度約為700～1000s一1。在1—2s內(nèi)完成混合。
③ 散除CO2
東北地區(qū)地面水體一年中長時問低溫，水中CO2難以散除。當混凝劑投加到水中后．由于瞬問水解作用又產(chǎn)生一些CO2，如果不能及時散除水中的CO2，混凝劑的水解化學反應會受到影響。這樣，不但浪費混凝劑的用量，而且對原水中膠體的脫穩(wěn)也起不了作用；炷齽┘尤胨谐浞只旌虾，要立即曝氣，如能降低水中C02含量6O%。則可節(jié)省混凝劑用量30%以上。低溫低濁經(jīng)曝氣混凝后，形成的絮體比較密實，水的透明度高。
(2)提高反應的絮凝效果
為提高反應的絮凝效果，反應池設計除了保證必要的反應時間外，還要研究速度梯度的變化和活性泥渣的作用。速度梯度除了與外加能量有關外，與反應池的池型也有一定的關系。另外，反應池設計的指標G．T值，對于低溫低濁度原水處理，反映不出活性泥渣的作用。關于這個問題擬作如下探討：
①反應池G．T．C值
絮凝主要是在反應池中完成的。脫穩(wěn)的膠體顆粒具備了相互吸引的能力。在水流速度梯度產(chǎn)生的微旋渦作用下，碰撞接觸結(jié)成大顆粒的絮體。隨著反應時間的延長，絮體顆粒越來越大，而顆粒的數(shù)量則越來越少。單位體積中，絮體顆粒減少的速率為：
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斜管或平流沉淀池，處理濁度的范圍從幾十度到一、二千度都是可行的，但是對于去除藻類、色度以及低溫低濁水，效果卻很差。而采用氣浮法則可以取得較為滿意的效果[3-4]。
運用氣浮和沉淀的不同功能．采用浮沉池來適應水質(zhì)的變化。當處理低溫低濁江河水和藻類生長期的低濁度水庫水時，浮沉池以氣浮的方式運行；而在夏季原水濁度提高時，可采用沉淀的方式運行。這樣使浮沉池與濾池有機結(jié)合，對原水的水質(zhì)變化有較大的適應性，可以收到理想的技術(shù)經(jīng)濟效果。
浮沉池設計是在斜管(板)的基礎上加以改進的。絮體無論是下沉還是上浮，水流都要經(jīng)過斜管(板)，以改善水力條件。上浮或下沉運行的水力負荷是一致的，均為7．2～9mS/m2．h，顆粒的分離速度都適用于斯托克斯公式。
一般絮體的密度為1．002～1．O3，而空氣的密度只有水的1/775。氣浮運行時，絮體粘附了微氣泡，組合粒徑增大，從斯托克斯公式可知顆粒的上升速度與組合粒徑的平方成正比，從而使顆粒上升速度加大而易被浮至水面。
浮沉池以氣浮方式運行處理低溫低濁水或用于除藻的合理性在于：(1)因為水中懸浮雜質(zhì)量少，氣浮的氣固比低，用氣量小，可節(jié)省加壓回流水的能耗：(2)水溫低．空氣在水中的飽和溶解度提高。使得低溫時空氣更容易溶解于中：(3)原水在提升的過程中會溶入一些空氣，而且當混凝劑水解時．所產(chǎn)生的CO2微氣泡也容易與絮體接觸粘附在一起，強化絮體的上浮。
浮沉池采用氣浮方式運行．對于前序混凝反應的要求也并不像沉淀法那樣高。因為沉淀法是依靠顆粒絮凝長成大而重的絮粒而下沉的，而絮粒的成長過程則需要足夠的時間(一般為20～30min)。氣浮則可借助于微氣泡的作用，因此，只需要絮粒成長到足以被上升的微氣泡粘附住就可以了。實踐表明將氣浮方式運行前的反應時間縮短到10min可行的 。也就是說．浮沉池按氣浮方式設計反應池，可以減少反應池體積的1/3～1/2。降低了工程造價；如果考慮浮沉池增加的氣浮設備投資，則總造價與沉淀池相當。至于日常運行費用，雖然增加了冬季氣浮運行的電費，但是可以用節(jié)省混凝劑的用量和排泥的水量來予以補償。這樣。浮沉池能夠適應原水水質(zhì)的變化而靈活運行，并保證出水水質(zhì)的優(yōu)越性就顯而易見了。
目前．東北地區(qū)低溫低濁水及水庫水處理。多數(shù)仍然采用傳統(tǒng)的混凝、沉淀和過濾的工藝流程。夏季出現(xiàn)高濁度原水時。混凝、沉淀構(gòu)筑物是必不可少的，但是，在原水低溫低濁期間，如果采用微絮凝接觸過濾工藝運行，則反應池和沉淀池在將近半年的時問內(nèi)發(fā)揮不了應有的作用。如果采用浮沉池與濾池配合使用，按照氣浮的方式運行，則濾前水的濁度可大為降低，一般可達到1O度以下。浮沉池就可承擔了濾池的大部分負荷，因而也提高了濾后水質(zhì)。
為保證濾后水質(zhì)，濾池不應承擔較大的負荷，就是采用接觸過濾工藝．也要求原水的濁度和色度均不得大于25度；而普通快濾池的濾前水濁度更是要求在1O度以下，濾速不大于8m/h，濾后水才能達到新的飲用水水質(zhì)標準。水溫對于過濾過程的影響可由下式表示：
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由此可見，濾池是水質(zhì)凈化工藝流程中的最后環(huán)節(jié)，把矛盾都集中在這一環(huán)節(jié)進行處理容易加大濾池的負荷，縮短濾池的工作周期，增加濾池的反沖洗水量和能耗。濾前的預處理構(gòu)筑物應在任何時候都發(fā)揮作用，如果在近半年的時間內(nèi)都發(fā)揮不了作用的構(gòu)筑物，在設計上技術(shù)經(jīng)濟效益低，是不可取的。而采用浮沉工藝，對這一問題則可以得到較為滿意的解決。
3．結(jié)論
低溫低濁江河水及水庫水的處理是較為困難的，一方面由于原水水溫低，影響了水處理工藝的各個處理環(huán)節(jié)，降低了處理效果；另一方面由于東北地區(qū)不同季節(jié)原水水質(zhì)變化大，給處理構(gòu)筑物的設計造型和處理工藝的確造成了困難。對于江河水的處理，既要對低溫低濁原水的各個處理環(huán)節(jié)進行改進．又要考慮工藝對雨季高濁度原水的適應性；對于水庫水的處理，還需要考慮除藻、除味和脫色。常規(guī)的混凝、沉淀和過濾工藝難以滿足上述要求，而采用浮沉池工藝，兼容了沉淀和氣浮兩種工藝的優(yōu)點，在處理東北地區(qū)江河水和水庫水時具有明顯的優(yōu)勢。
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