混凝是水处理中重要的工艺之一, 其处理效果决定了后续工艺的运行效能, 且对出水水质和运行成本有着较大的影响。在过去的几十年里, 混凝技术的研究主要集中在混凝化学、混凝物理和混凝工艺等方面^[1]。随着混凝理论的不断完善, 研究热点逐渐转向了各类高效混凝剂的开发与使用^[2,3]、混凝反应过程和条件的控制等方面^[4,5]。水厂在实际运行中往往需要对混凝剂进行优选并对投加量进行一定的调控, 其最终目的是确保在出厂水质合格的前提下, 实现混凝剂的最优投加, 这样不仅可以提高出水水质, 而且将大大降低制水成本^[6]。但目前水厂对于混凝剂的选择及评判往往以经验为主, 缺少科学的评估方法, 也没有系统地开展技术经济性验证流程;药剂的投加量也多以公斤计、以直接投加为主, 存在投加计量不精确且易于造成药剂浪费等问题。如何科学地判定所用混凝剂是否与原水适配、如何优化投加量以及如何有效地评价经济性是当前水厂迫切需要解决的问题^[7]。

因此, 本文在总结混凝剂评估使用常见问题的基础上, 建立了一套完整的混凝剂技术经济性评估验证流程, 为今后水厂运行中适配性混凝剂的筛选及投加量的优化提供有益的借鉴。

本验证流程主要由烧杯试验、中试校验以及生产验证三部分组成, 其中烧杯试验部分主要检测药剂的合格性和适用性以及投加量筛选;中试校验主要为在效果方法的基础上综合经济性因素进一步考量药剂的最优投加量;生产验证部分主要验证中试所确定的投加量的实际运行效果。验证方法的主要流程以及各部分检测指标如图1所示。

在实际水厂应用中, 针对不同水质情况合理地选择混凝剂是混凝工艺在工程应用中是否成功的关键因素之一。因此本验证方法首先针对药剂的适用性进行了相应的评价、筛选, 从诸多目标混凝剂中筛选出适合于目标水体使用的混凝剂, 以保证后续的验证更有意义。该过程所使用的评价方法为课题组前期研究所建立的评估模型, 模型结合了层次分析法以及模糊评价法对混凝剂进行综合的评价, 同时, 该模型也已通过了进一步的试验验证, 经检验该评价模型对目前常见的混凝剂都有较好的适用性。具体操作流程如下:抽取等量的待测混凝剂进行溶液配置, 在相同的条件下进行混凝烧杯试验, 药剂投加量根据前期试验设定为4mg/L, 试验过程中水力条件如表1所示。同条件下共进行3次平行试验, 试验结束后仅需检测模型中要求的5项指标因素, 然后将各指标的平均检测结果代入评价模型中进行计算。根据计算结果筛选出最适合目标水体的混凝剂。

随机抽取一定量的目标混凝剂进行质量检测, 主要检测指标如图1中所示。检测结果应满足混凝剂现行标准《水处理剂聚氯化铝》 (GB 15892-2003) 中对各指标的限值。

根据研究结果以及现状投加量进行目标药剂投药量梯度的设定, 利用六联搅拌仪进行混凝烧杯试验, 试验结束后进行各项指标的检测, 根据其对各污染物的去除能效进行混凝剂投加量的筛选。

混凝流程为:选取6个相同的混凝杯, 加入1L的目标水样, 水力条件及药剂投加时间设置如表1所示 (部分药剂涉及二次投加时应在段2阶段结束后进行二次投加, 投加后的水力条件与段2相同) , 混凝结束后静沉30min, 取液面一下2cm处水样进行检测, 每组试验应同条件进行3次, 取其平均值进行记录。

中试验证的目的是为在烧杯筛选的基础上, 对所选的投药量进行放大验证, 同时综合考虑经济性指标, 筛选最适合生产应用的投加量。主要流程为:将烧杯试验中所选取的综合混凝效果较好的几组投加量在中试设备上进行运行, 同时对出水各项指标进行检测, 检测指标如图1所示。单组投药量的运行时间不少于10d, 以确保试验数据的可靠性, 每天取水3次及以上, 取其平均值进行记录。根据效果以及投药费用筛选出适合实际应用且最为经济的投加量。本方法中中试验证主要依托国家水专项鹊华水厂中试基地进行, 中试设备实际处理能力为5m³/h, 沉淀区规格为1.2 m×0.8 m×4.5 m, 药剂通过蠕动泵与原水共同进入混合区^[8]。

生产验证为在中试校验试验结果的基础上, 将筛选出的最适投药量在实际水厂中进行生产验证试验, 根据检测结果评估现阶段水厂所用药剂及投药量是否准确合理。在确保水厂供水安全的基础上, 试验周期尽量不少于30d, 每天取水3次及以上, 检测各项指标并取其平均值进行记录, 检测结果及出厂水水质应能达到《生活饮用水卫生标准》 (GB5749—2006) 中对相应指标的限值。本次主要验证设备设施为鹊华水厂中置式高密度沉淀池。所用高沉池分独立4格, 双排布置, 单池进水量1 000～2 000m³/h。整个池体按功能可分为混合区、机械絮凝区、自然絮凝区、污泥浓缩区、斜管浓缩区、斜管分离区5部分, 机械混合区搅拌机转速为58r/min;机械絮凝区搅拌机30Hz时为28r/min, 50Hz时为45r/min。机械混合室设在池体中央, 有效混合时间30s。清水区上升流速4.3mm/s^[9]。

本次验证方法应用中所检测的目标水样取自鹊山水库 (引黄水库) 试验期间所采用相关药剂均为分析纯。试验期间原水水质特征如表2所示。

评价过程中引入了一种结合了层次分析法以及模糊评价法的综合评价方法, 评价流程如下:首先将评价结果分为优、良、中、差4个等级, 用于对混凝剂的适用性进行分级判定;其次, 评价指标根据前期试验拟确定为浊度去除率、絮体粒径、Zeta电位、UV₂₅₄去除率以及COD_Mn去除率等5个指标;各指标相对于等级的隶属度计算采用的是哥西分布及其变化形式[如式 (1) 所示];指标权重采用专家评定以及1～9标度法进行确定, 并对其结果进行一致性检测。

式中x———指标数据;

α, β, a———函数参数, 根据文献取β=2。

混凝剂适用性的检测设定在4mg/L投加量条件下进行, 水力条件的设定见表1。当前所用混凝剂的试验检测显示, 当药剂投加量为4 mg/L时, PAFC所形成的絮体粒径为302μm, Zeta电位为-4.51mV, 出水中浊度、COD_Mn、UV₂₅₄的去除率分别为81.37%、33.37%以及42.86%。将各指标平均检测结果代入式 (1) 计算, 得到结果向量为 (0.098, 0.417, 0.263, 0.123) 。同时, 备选药剂为同一厂家生产的另一种常用混凝剂聚氯化铝 (PAC) , 在相同的条件下进行重复验证试验。试验检测显示, 当使用PAC时, 所形成的絮体粒径约为230μm, 出水Zeta电位为-8.2mV, 出水中浊度、COD_Mn、UV₂₅₄的去除率分别为64%、25%以及30%, 经计算得到结果向量为 (0, 0.417, 0.16, 0.263) 。

对比2种药剂验证结果能直观看出, 虽然2种混凝剂在该投药量下对水样的适用性均隶属于第二等级良, 但是药剂PAFC在第一等级中所占比例要大于PAC, 同时, 从絮体沉降情况、电位变化及对各物质的去除能效中也能比较直观地看出, PAFC相比于PAC对所选择的水样有着更好的处理适用性, 因此当前水厂所选用的混凝剂匹配度较好。

经过适用性检验发现PAFC更适合于处理目标水体, 在进行投加量验证前还需对目标药剂进行合格性的检测, 若未达到现行产品标准的要求, 则该药剂仍不能被使用。目标药剂为液体, 将其充分混匀后抽取部分进行检测, 检测结果及标准限值见表3。

通过表3能够看出, 该混凝剂 (PAFC) 有效成分含量为10.9%, 盐基度为68.3%, 能够满足产品标准要求, 其余各项指标也均满足国标要求 (GB15892-2003) 。同时该样品经检测无明显的杂质以及沉淀, 可认定该样品为合格样品, 可以投入使用并进行下一步的筛选。

综合上述试验结果能够看出, 当前水厂所选用的混凝剂为符合国标要求的合格样品。同时, 经过综合评估发现该混凝剂相比于PAC更适合于处理目标水样。在此基础上, 利用TDA6-2型程控式六联搅拌仪对该混凝剂进行烧杯试验, 药剂投加量经前期试验以及专家建议设定为0～5mg/L (以Al ³⁺计) , 递增为1mg/L。

如图2所示, 除1mg/L投加量之外, 其他投加量下出水剩余浊度均降到了1NTU以下, 且随着投加量的增加剩余浊度逐渐降低。当投加量为1mg/L时, 出水浊度相比于原水有所升高, 这可能是该投加量下所形成的絮体粒径较小、沉降性能较差, 致使出水浊度升高。但其他出水各项指标相比于原水都有着明显的下降, 这说明混凝剂对水体中有机物等微污染物质起到了一定的去除效果。

当投加量从2 mg/L增加到更大时, 出水剩余浊度开始明显的下降, 去除率能够达到72.7%以上, 且随着投加量的增加, 浊度去除率也持续增长, 但增长程度趋缓。UV₂₅₄作为衡量水中有机物指标的一项重要参数^[10], 其在不同投加量下的变化趋势与浊度相似, 出水UV₂₅₄含量同样在低投药量时产生了小幅度的增加, 随着投加量的增加, 去除效果逐渐增强但相互之间增幅不是很明显, 出水TOC含量在投药量为4 mg/L时达到最低点, 去除率达46.86%。不同投加量下出水COD_Mn及TOC的变化趋势基本相同, 且均是在投加量为4 mg/L时达到最低点, 其去除率分别为33.37%以及11.3%, 此时再继续增加药剂投加量, 出水中二者的含量则会有所增加, 去除效果受到一定的影响。

从图3可看出, 随着投加量增加, 絮体的粒径呈现出先增加后稳定的趋势。同时, 随着混凝剂投加量增加, 混凝过程中絮体粒径达到稳定的时间在逐渐缩短, 从低浓度的持续增长逐渐缩减到320s左右达到稳定。在实际运行中, 絮体粒径在较短的时间内达到稳定, 更有利于其进行沉淀及后续处理^[11]。

从图4中看出, 随着投药量的增加, 其Zeta电位也在不断上升, 在投加量为3mg/L, Zeta电位与投加量有较好的线性关系, 有研究指出, 当混凝中电中和起主要作用时, 药剂投加量与Zeta电位呈线性;当投加量增加到4mg/L时, 絮体粒径进一步增大, 相互之间形成大分子颗粒, 进一步吸附水中有机物物质, 这时主要是吸附网捕起主要作用, 结合图2的检测结果来看, 水中有机物去除率也进一步升高。

综合试验结果可知, 当投加量为4mg/L时, 出水效果最好, 其絮体也更加稳定;3mg/L效果次之;2mg/L及5mg/L投加量下效果相对较差, 但变动不大;另外, 考虑到经济性因素, 在实际生产中, 药剂的高投加量必然能带来较好的出水效果, 但随之也会增加运行费用。因此综合考虑, 选择2 mg/L、3mg/L、4mg/L 3种投加量进行中试校验, 考察中试规模的运行效果。

本次验证中, 单种投加量下中试运行时间为15d, 每天取水3次, 同条件下进行检测, 取其平均值进行记录。

在中试运行期间, 如图5和图6所示药剂在中试设备中连续运行时的结果与烧杯试验的结果基本一致, 总体在药剂投加量为4mg/L的情况下, 水中各指标的去除效果最好, 出水浊度、COD_Mn、UV₂₅₄以及TOC分别为1.11 NTU、1.81 mg/L、0.031cm^-1、2.383 mg/L, 去除率分别为65.9%、35%、44.6%以及17.6%。从中试运行中也看出, 随着混凝剂投加量的增加, 各种污染物的去除率有所增加, 但是增加的边际效益除浊度外并不明显。

从图7可以看出, 不同投药量下絮体粒径的变化较为明显, 高投药量下对应的絮体粒径较大, 达到了252μm左右, 相较于2mg/L增长了50%左右。Zeta电位随着投药量的增加呈逐渐增大的趋势, 对应的药剂所产生的电中和效果也在逐渐增强, 强化了相应的混凝效果。

综合比较可知, 无论是中试还是烧杯试验, 该混凝剂在不同浓度梯度条件下对水中各污染物的去除效果均在4mg/L时最好, 但是考虑经济因素, 该混凝剂投加量可能并不是水厂运行时的最优方案。参考市场价格, 2mg/L投加量时, 成本为0.07元/m³左右, 而3 mg/L、4 mg/L时投药成本则分别为0.105元/m³及0.14元/m³。由此可知, 相比于2mg/L的投加量, 3 mg/L、4 mg/L在运行费用上分别增加了50%以及100%, 但对应的浊度、UV₂₅₄、TOC以及COD_Mn去除率仅分别增长了39.7%、48.7%;20.6%、26.7%;3.67%、7.88%以及6.5%、16.2%。增加药剂投加量在对各物质去除效果方面的增长要远小于药剂投加费用的增幅。因此, 拟选取2mg/L开展生产试验。

通过中试验证发现, 在2mg/L投药量下, 能够保证在低处理费用的条件下使得出水水质达标, 因此将其运用到实际生产中进行检验, 观测其处理能效。本次验证依托济南鹊华水厂进行, 运行为期一个月, 进一步考察前一阶段试验的结果, 并验证其合理性。试验主要考察鹊华水厂高密度沉淀池的运行, 工艺运行参数如前所述。结果如图8。

从图8可以看出, 高密度沉淀池在连续运行期间出水浊度均在1NTU以下, 去除率达89.87%, 运行效果稳定。出水Zeta电位稳定在-9.92 mV左右, 相比于中试要有所升高, 电中和效果相对有所提高, 这可能是由于实际生产中增加了污泥回流工艺所引起的;由于其投加量少的缘故, 实际生产运行中出水的电位相比于烧杯试验要小很多。但在该条件下, 出水中的TOC、COD_Mn、UV₂₅₄等指标的去除率分别为7.5%、33.01%、44.57%, 去除效果均要好于烧杯试验、中试结果, 其原因可能是该沉淀池采用污泥回流工艺, 其中的残余混凝剂起到进一步去除水中污染物的效果。

从表4来看, 最终选定的投加量在实际生产运行中的效果是相对良好的, 相比于烧杯、中试的综合效果均有明显的增加。其Zeta电位相比烧杯试验略有下降, 这是由于其投加量低所导致的。虽然其电中和效果相对较低, 但由于实际应用中有污泥回流工艺的存在, 所生成的絮体粒径较大且各物质的去除率效果均很好, 吸附架桥的效果弥补了电中和作用的不足。与此同时, 从表中能够直观地看出其药剂使用成本较烧杯试验结果有着明显的降低, 在保证出水的条件下能够有效节省水厂运行过程的药剂成本。

(1) 在实际使用混凝土时, 可针对不同水源水质及其季节性变化进行实时的指标调整试验, 有针对性地选择适合不同水质条件的混凝剂及其投加量。这样不仅能有效降低水厂运行成本, 还能有效应对各种水质变化, 保证出水安全、稳定达标。

(2) 利用所建立的验证流程对目标水厂当前药剂使用情况进行了评估验证, 结果显示:在原水浊度为2.9～9.8NTU、COD_Mn为2.25～3.45mg/L的条件下, 混凝剂PAFC无论是在处理效果还是投药量方面均要优于PAC (同条件下, 各指标去除率增长了8.37%～17.37%) , 在烧杯及中试中优选出最佳投加量为4mg/L, 但分析其处理效果及经济性指标, 最终确定实际运行最适加药量为2mg/L, 相比而言, 混凝剂使用量可节省50%。经过生产性验证, 在2mg/L投药量条件下, 其对浊度、TOC、COD_Mn、UV₂₅₄的去除率分别为89.87%、7.5%、33.01%、44.57%, 各指标去除率与烧杯试验、中试效果基本相当。而当前水厂的投加量为1.9mg/l左右, 由此可知目标水厂所使用的药剂及投加量是合理的。

(3) 在验证结束后, 如发现水厂当前投加情况与结果相差很大时, 应根据结果并结合实际情况进行调整。尽量结合水厂现有情况更新、建立组合工艺使得能在低混凝剂投加量下满足出水水质要求, 诸如在絮凝区增加炭泥回流, 根据水质波动增设预氧化等工艺。尽可能不要首先依靠增加混凝剂投加量的方式来达到改善出水水质的目的, 以避免残余混凝剂积累对工艺及出水产生的不良影响, 保证出水安全以及工艺的长期稳定运行。