多数北方地表饮用水源面临夏季高藻冬季低温低浊的问题^[1~3]。低浊高藻水中颗粒物浓度较低, 颗粒Zeta电位较高, 且有很强的动力稳定性和凝聚稳定性, 混凝过程中形成的絮体粒径小, 密度小, 难于下沉^[4,5]。气浮工艺处理低浊高藻水, 是一种经济有效的水处理工艺, 具有水力停留时间短, 浮渣含水率低, 排渣方便等优势^[6]。沉淀工艺能够分离颗粒密度大于水且能沉降的颗粒, 可应对突发高浊水的状况^[7]。对于变化幅度较大的原水, 将沉淀工艺与气浮工艺有机结合, 可发挥其各自优点, 达到满意的处理效果。

沉淀-气浮组合工艺由混合池、一级絮凝池、二级絮凝池、沉淀池、气浮池组成。

中试装置由有机玻璃制成, 如图1所示。

设计流量为0.5 m³/h, 水力停留时间为15min, 溶气水回流比控制在5%~25%, 溶气罐压力控制在0.30~0.42 MPa。气浮池的尺寸为0.65m×0.15m×1.45m, 接触室内设置TS型释放器, 溶气罐采用钢制罐体, 尺寸为Φ240×1 000mm, 空气压缩机为ZBM-0.067/8型, 斜管沉淀池水力负荷1m³/ (m²·h) , 尺寸1.0m×0.5m×1.3m, 斜管长为0.6m, 倾斜角为60°, 斜管孔径为30mm。

试验检测项目与检测方法或仪器如表1所示。

试验原水采用山东受水区济宁段南水北调水, 试验期间原水水质见表2。

试验混凝剂选用聚氯化铝铁 (PAFC) , 试验投加量为3 mg/L, 3.5 mg/L, 4 mg/L, 4.5 mg/L, 5mg/L, 5.5 mg/L (以Al³⁺计) , 气浮回流比为10%, PAFC投加量对于沉淀-气浮联用工艺处理效果的影响如图2和图3所示。从图2可看出, 当PAFC投加量为4.5 mg/L时, 出水浊度为1.16NTU;图3中, PAFC投加量为4.5 mg/L时, 出水COD_Mn去除率为35%, 出水效果较为理想。结合图2和图3去除趋势, PAFC投加量由4.5mg/L继续增大, 浊度和COD_Mn去除率增加幅度不大。因此, 试验中PAFC投加量选用4.5mg/L。

对于沉淀-气浮组合工艺来说, 进水流量是极其重要的一个参数, 关系到沉淀时间与气浮停留时间。试验中进水流量取0.5 m³/h, 0.55 m³/h, 0.6m³/h, 0.65 m³/h, 0.7 m³/h, PAFC投加量为4.5mg/L, 回流比为10%, 进水流量对组合工艺处理效果的影响如图4和图5所示。

当进水流量为0.6m³/h时, 从图4可看出, 出水浊度的去除率为93.1%, 图5中COD_Mn的去除率为28.4%, 出水效果较为理想。当进水流量继续增大时, 出水浊度和COD_Mn的去除率明显下降, 出水效果明显变差。因此, 进水流量选用0.6m³/h。

溶气压力不变, 回流比的大小代表着气浮池中微气泡量的多少。试验中PAFC投加量采用4.5mg/L, 改变回流比为6%, 8%, 10%, 12%, 试验结果如图6和图7所示。从图6和图7中可得出, 当回流比为8%时, 浊度的去除率达到94.1%, COD_Mn的去除率为31.4%, 出水达到预期处理效果。单独气浮工艺所需回流比为10%, 在组合工艺中, 所需回流比达到8%即可。

组合工艺对浊度的去除效果如图8所示。由图8可知, 浊度为19.7~27.4NTU的原水, 经沉淀池后, 浊度为4.88NTU, 去除率81.8%;经组合工艺后出水浊度为0.51~1.57NTU, 平均出水浊度为0.75 NTU, 去除率达到95.2%, 去除效果明显提高。

组合工艺对颗粒数的去除效果如图9所示。由图9可知, 试验运行期间原水颗粒数总量变化范围为11.6万~13万个/mL, 经沉淀池处理后, 颗粒数总量1.83万个/mL, 平均去除率达到84.3%;经组合工艺后, 出水颗粒数总量0.48万个/mL, 平均去除率达到95.9%, 与单独的沉淀工艺对低浊高藻水的处理效果相比, 沉淀工艺仅对粒径大于15μm的颗粒去除率达到90%以上, 而组合工艺对各粒径区间的颗粒去除率均在94%以上, 可见组合工艺对各粒径区间颗粒数的去除效果优于单独的沉淀工艺。

组合工艺对COD_Mn的去除效果如图10所示。由图10可知, 试验期间进水COD_Mn值有所波动, 但变化不大, 进水COD_Mn最大值为7.29 mg/L, 最小值为6.22mg/L;沉淀池出水COD_Mn为4.21~5.27mg/L, 均值为4.85mg/L, COD_Mn的平均去除率为27.8%;而组合工艺出水COD_Mn为3.53~4.42mg/L, 均值为3.95mg/L, COD_Mn的平均去除率为41.3%。与单独的沉淀工艺出水COD_Mn去除率相比, 组合工艺出水COD_Mn去除率有一定的提高。

组合工艺对藻类去除情况如图11所示。试验期间, 原水中藻类含量8 900万~17 000万个/mL, 平均值为13 000万个/mL左右。经沉淀池后, 出水中藻类含量为2 300万~3 400万个/L, 平均去除率为78.4%;组合工艺出水中藻类含量为270万~900万个/L, 对藻类的平均去除率为96%, 去除效果较好。

由于藻类及其分泌物的存在, 水源中会产生异臭异味;在水处理的过程中, 药剂与水中物质发生化学反应, 也会产生异臭异味, 对水质安全造成威胁。试验中对组合工艺出水的臭味物质含量进行检测, 结果如表3所示。

由表3可知, 从沉淀-气浮组合工艺不同单元对臭味物质去除效果来看, 组合工艺对GSM有一定的去除效果, 对2-MIB的去除也呈现较强的能力。组合工艺出水GSM和MIB含量均小于6×10^-6mg/L, 低于《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 参考限值。

通过沉淀-气浮组合工艺对低浊高藻水处理的试验研究, 得出以下结论。

(1) 确定了沉淀-气浮组合工艺的运行条件, 混凝剂PAFC投加量4.5mg/L, 进水流量0.6m³/h, 回流比8%。

(2) 在试验运行条件下, 组合工艺的平均出水浊度0.75NTU, 去除率达95.2%;出水的颗粒数总量4 800个/mL, 去除率达95.9%, 且对不同粒径区间颗粒数去除效果基本一致。

(3) 组合工艺出水COD_Mn有一定的去除效果, 出水COD_Mn为3.95mg/L, 去除率为41.3%。

(4) 组合工艺出水藻类数量270万~900万个/L, 去除率达96%;臭味物质2-MIB和GSM的含量均小于6×10^-6mg/L, 低于国标参考值。