某自来水厂絮凝沉淀池运行调试

杨俊军

中机国际工程设计研究院有限责任公司 湖南长沙 410000

[摘要] 某水厂运行调试过程中絮凝沉淀效果不佳，出水水质存在超标风险，通过絮凝搅拌实验对生产进行药剂投加量及助凝剂药剂及投加量进行实验，以便指导生产，经实验验证的结果应用于调试运行生产，确实达到了相应的效果。

关键词： 絮凝沉淀 G值 聚合氯化铝（PAC） 石灰

1、工程概况背景

湖南永州某自来水厂，水源为水库水，位于湘江上游，水厂设计总规模为Q=10.0×10⁴m³/d一期设计规模为Q=5.0×10⁴m³/d，自用水系数0.05。水厂采用进水计量站+格栅配水井+折板絮凝平流沉淀池与清水池叠加的组合池+V形滤池+次氯酸钠消毒的水处理工艺，絮凝药剂为聚合氯化铝（PAC）。工程项目于2016年10月开工建设，2020年6月完工通水。通水试运行一段时间后，由于原水浊度较低，不管药剂投加量为1.0-15.0mg/L中间任何整数值，絮凝沉淀池均未见矾花，根据类似工程经验，选择稳定投加药剂量为3mg/L，实际运行中，V形滤池运行压力增大，且表面漂浮白色物质，初步判断为PAC药剂反应不充分导致，随着调试进行，原水经历一个雨期，导致进水浊度加大，水厂格栅井内明显出现黄色的浑浊水体，根据实际情况调整增加PAC药剂投加量至10mg/L后，絮凝效果仍不明显，未见有明显的矾花出现，沉淀池沉淀效果不佳，滤池上层水体开始泛黄，并且由于随着药剂量的增加，白色漂浮物增多，反冲洗频率增加，经与水厂运行人员研究讨论分析，认为主要问题为投加PAC药剂后，絮凝池絮凝效果不佳，反应不充分，沉淀效果差，滤池进水浊度高，导致出水水质存在风险，为消除水质风险，在实验室进行了混凝搅拌烧杯试验，以便发现和解决问题并指导生产。

2. 混凝沉淀原理

在自来水厂的水质净化过程中，絮凝反应是一个十分重要的环节。絮凝池设计是否得当关系到絮凝效果，而絮凝的效果又直接影响后续处理的沉淀和过滤效果^【1】。絮凝沉淀是颗粒物在水中作絮凝沉淀的过程。在水中投加混凝剂后，其中悬浮物的胶体及分散颗粒在分子力的相互作用下生成絮状体且在沉降过程中它们互相碰撞凝聚，其尺寸和质量不断变大，沉速不断增加。悬浮物的去除率不但取决于沉淀速度，而且与沉淀深度有关。

混凝沉淀主要有以下四个方面的机理：双电层压缩机理，吸附电中和作用机理，吸附架桥作用机理，沉淀网捕机理。

当加入含有高价态反离子的电解质后，高价态反离子通过静电引力进入到胶体颗粒表面，置换出胶体原来吸附的低价反离子，从而使双电层中的反离子数量减少，也就是双电层厚度变薄，即产生压缩双电层作用，使ζ电位降低。ζ电位降至0时（称为等电状态），此时排斥势能完全消失，从而胶体颗粒失去稳定性，产生凝聚作用。

吸附-电中和作用是指胶粒表面吸附异号离子、异号胶粒或链状带异号电荷的高分子，从而中和了胶粒本身所带的部分电荷，减少了胶粒间静电斥力，使胶体颗粒更易于聚沉。

吸附架桥作用是指高分子物质与胶粒的吸附与桥连。高分子链的一端吸附了某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，形成“胶粒-高分子-胶粒”的絮凝体。

沉淀网捕作用是指投加到水中的铝盐、铁盐等混凝剂水解后形成大量的具有三维立体结构的水合金属氧化物沉淀，当这些水合金属氧化物体积收缩沉降时，会像多孔的网一样，将水中胶体颗粒捕获卷扫下来，产生沉淀分离。沉淀网捕作用主要是一种机械作用，其混凝除浊效率不高。所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水胶体含量多时，所需混凝剂少。

水处理工程中，原水是一个很复杂的分散体系。根据原水水质不同，上述四种作用机理可能在同一混凝过程中同时发生，也可能仅有其中一种、两种或三种机理起作用^【2】。

2. 混凝搅拌实验

工程完工通水后，进入运行调试阶段，调试前根据混凝沉淀烧杯试验方法^【3】进行混凝搅拌实验，搅拌设备采用ZR4-6混凝实验搅拌机。

水厂设计絮凝池为折板式絮凝池，共分为三段六格：一段2格（一二格）为异向折板；二段2格（三四格）为同向折板；三段2格（五六格）为直板。原水经细格栅拦截处理后，与PAC药剂于管式混合器充分混合，再配送至折板絮凝池配水井。水厂设计日处理水量为50000m³/d，计0.5787m³/s，折合每组水道流量为 。

第一段（异向折板）：

根据设计图纸可知，通道宽 ，单格长度 ，中间部分峰距 ，中间部分谷距 ，侧边峰距 ，侧边谷距 ，则可计算出相应区段流速，进而计算出第一段的总水头损失为：

总停留时间 。

故第一段 为：

第二段（同向折板）：

根据设计图纸可知，同向折板段通道宽 ，单格长度 ，折板间距 ，则通道宽度 ，侧边峰距 ，侧边谷距 ，同波折板中间段的流速 ，侧边峰速 ，侧边谷速 。

总水头损失 为：

总停留时间 。

故第二段 为：

第三段（直板）：

根据设计图纸可知，第三段直板区隔板间距 ，通道宽度 。

则第三段的总水头损失 为：（进口流速按0.1m/s计算）

总停留时间 。

故第三段 为：

折板絮凝池三段絮凝区的总水头损失 为：

三段絮凝区的总停留时间 为：

则折板絮凝池的 为：

经上述计算各水头损失，停留时间及GT值结果如下表所示：

表3-1 某水厂絮凝池GT值计算结果表

絮凝区	水头损失（m）	停留时间（s）	G（1/s）	GT
异波区	0.16903	360.4	67.5	24327
同波区	0.06135	333.9	42.3	14106
直板区	0.02149	419.9	22.3	9363
合计	0.25187	1114.2	46.9	52220
备注：计算总停留时间1114.2s，计算GT值为52220；图纸设计总停留时间1011s，设计GT值为61335

控制烧杯实验的混合时间为10s，以 值作为快速混合条件调节混合时的转速。

烧杯实验中沉淀时间设置为30min。

根据计算结果对混凝实验搅拌机进行编程，将混合器与沉淀池的水力条件考虑在内，编程参数如下：

表3-3 混凝搅拌实验参数设置表

阶段	模拟区段	转速（r/min）	时间（s）	G（1/s）	GT	是否加药
1	管式混合器	320	10	202.1	2021	是
2	异波折板	150	360.4	68.4	24651	否
3	同波折板	105	333.9	42.4	14157	否
4	直板	65	419.9	22.4	9406	否
5	平流式沉淀池	0	1800	0	0	否

2. 实验结果

原水浊度12.4NTU，碱度0.275mmol/L，温度23.3℃，pH值为6.9，6组1L水样进行搅拌实验，PAC投加量分别为15mg，12mg，9mg，6mg，3mg和0mg，实验结果如下：

表4-1 不同PAC投加量混凝搅拌实验结果表

序号	1	2	3	4	5	6
PAC投量（mg）	15	12	9	6	3	0
矾花形状	无	无	无	无	无	无
上清液浊度（NTU）	14.4	13.6	14.4	15	13.6	12.8

根据实验结果，原水低浊度情况下，投加PAC不形成矾花，这与实际调试投加的效果一致，实际调试生产中絮凝沉淀池内无矾花形成，根据原现成老水厂运行经验分析，原水径流时间短，浊度低，水中矿物质及碱度较低，导致投加PAC絮凝效果不佳，根据此分析，在实验中增加石灰助凝剂，改善絮凝效果，效果较为明显，原水浊度14NTU，碱度0.280mmol/L，温度25.4℃，pH值为7.2，6组1L水样进行搅拌实验，PAC投加量为3mg，石灰投加量为5mg，4.5mg，4mg，3.5mg，3.0mg和2.0mg，结果如下：

表4-2 相同PAC投加量不同石灰投加量混凝搅拌实验结果表

序号	1	2	3	4	5	6
PAC投量（mg）	3	3	3	3	3	3
CaO投量（mg）	5	4.5	4	3.5	3	2
矾花形状	雪花状	雪花状	细屑状	极小絮凝体	无	无
上清液浊度（NTU）	0.4	0.5	1.8	9.8	13.7	14.5

2. 实验结论及生产指导

根据上述实验结果，在不投加石灰的情况下，无论是实验还是生产中均不形成矾花，沉降效果均比较差，上清液浊度基本上与原水浊度相当甚至稍高于原水浊度，在实际生产中，沉淀池也未出现矾花，沉淀池出水浊度基本与原水进水浊度一致甚至稍高，与试验结果呈一致性，最终导致滤池过滤压力偏大，反冲洗频繁，出水水质存在超标风险，试验投加石灰后，试验效果较为明显，且根据实验情况，石灰投加量达到4mg/L时效果显现，达到4.5mg/L时效果较为明显，根据实验情况分析，原水水源位于湘江上游，径流时间不长，导致水中矿物质及碱度相对较低，而PAC的絮凝反应需要消耗碱度，在原水中碱度不够的情况，导致了絮凝反应不充分，效果欠佳，在投加石灰增加碱度后，絮凝效果里面呈现，石灰本来也是水厂常用的助凝剂，因此石灰的投加能有效的解决试运行絮凝效果不佳的问题，可以指导生产应用。

根据上述结论，经现场改造，在水厂进水格栅池前端投加4.5mg/L的石灰量后，絮凝池内迅速出现了絮体，沉淀池内絮体效果明显且沉降效果显著，后续滤池实现正常运行，出水效果稳定达标。

参考文献：【1】低温低浊水絮凝沉淀技术研究 邢纪锋

【2】给水工程 严煦世，范瑾初

【3】混凝沉淀烧杯试验方法CECS130:2001