楊在華 尹自萍 李繼魁

(云南省施甸縣水務(wù)局，云南 施甸 678200)

1 概 述

天然水中含有很多有利于人體生長(zhǎng)發(fā)育和生理機(jī)能的微量元素，是人體從食物以外獲得營(yíng)養(yǎng)素的一個(gè)重要來(lái)源。然而，人類在生產(chǎn)、生活中排放的各種廢棄物會(huì)對(duì)水體造成污染。在我國(guó)農(nóng)村，因飲用被污染的水而導(dǎo)致疾病發(fā)生的情況較為常見。例如，由于傳染病患者的排泄物及嘔吐物污染了飲用水源，并通過(guò)水作為媒介而傳播的傳染??；因水中微量元素含量過(guò)高或不足引起的地方性非傳染性疾病或中毒現(xiàn)象；因水源受化肥、農(nóng)藥污染而使得一些有害物質(zhì)在水中的含量超過(guò)一定范圍所引起的急性或慢性中毒現(xiàn)象。因此，在我國(guó)的農(nóng)村供水工程項(xiàng)目運(yùn)行的過(guò)程中，不但要求水量、用水方便程度和供水保證率要達(dá)標(biāo)，同時(shí)生活飲用水水質(zhì)還應(yīng)符合GB 5749—2006衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

2 研究區(qū)水處理現(xiàn)狀

云南省施甸縣總?cè)丝?4.8萬(wàn)人，在“十三五”期間共建成農(nóng)村供水工程1450件。其中，集中供水工程566件，供水人口達(dá)34.4萬(wàn)人；分散式供水(井水、水窖)工程884件，供水人口0.4萬(wàn)人。累計(jì)投入農(nóng)村飲水工程建設(shè)資金2.79億元。通過(guò)農(nóng)村飲水工程項(xiàng)目的實(shí)施與運(yùn)行，使得全縣集中供水率達(dá)到98.4%，自來(lái)水普及率達(dá)到95%以上，農(nóng)村供水保障率達(dá)到90%以上。目前，在施甸已建成的農(nóng)村供水工程項(xiàng)目中，所采用的水處理方法主要為絮凝沉淀法和生物慢濾兩種。其中，在566件集中供水工程項(xiàng)目中，采用絮凝沉淀法處理的有541件，采用生物慢濾處理的有25件。

3 凝聚劑的選擇與投配

3.1 凝聚劑原理

在農(nóng)村供水工程中，水源渾濁度受季節(jié)性變化影響較大，渾濁的地表水需投入凝聚劑，并經(jīng)過(guò)絮凝、沉淀、過(guò)濾等凈化過(guò)程才能變得清澈。在供水水源中，常含有不同顆粒的懸浮物等物質(zhì)。密度比水大的懸浮物在重力的作用下可以自然沉淀，但懸浮物在靜水中的沉降速度與顆粒大小、密度、水溫等因素有關(guān)。隨著水溫的變化，水的黏度、下沉速度也隨之發(fā)生變化。通常水源中含有極細(xì)小的黏土、腐殖質(zhì)等帶負(fù)電荷膠體，彼此互相排斥，難于形成較大顆粒，更不容易沉淀，因此常借助于凝聚的方法。

凝聚指的是向供水水源中投加帶正電荷的膠體，如氫氧化鋁、氫氧化鐵等，使水中微細(xì)膠體顆?；ハ嗄郏纬深w粒較大的絨體，絨體增大后形成礬花，易于沉淀。凝聚不僅能使原水的渾濁度大大降低，還能使水脫色。在我國(guó)，常用的水處理方法為絮凝沉淀法。由于凝聚劑的投加配液會(huì)直接影響水處理的效果,因此投加配液是水處理技術(shù)的核心。使用凝聚劑具有對(duì)出水pH值影響小、用量少、產(chǎn)生污泥少、除濁高的優(yōu)點(diǎn)。目前，我國(guó)約60%的水處理廠采用凝聚劑進(jìn)行混凝處理。

3.2 凝聚劑的選擇

適用于農(nóng)村供水工程水質(zhì)凈化的凝聚劑主要有硫酸鋁和聚合氯化鋁兩種。采用硫酸鋁處理原水的渾濁度時(shí)，適用條件為原水的pH值在6.5～7.5之間，且水溫不宜太低。因?yàn)樗疁靥蜁r(shí)，礬花生成很慢且不易沉淀。而聚合氯化鋁是一種無(wú)機(jī)高分子鋁鹽凝聚劑，在國(guó)內(nèi)農(nóng)村供水工程中被廣泛采用。使用聚合氯化鋁優(yōu)點(diǎn)是：能適應(yīng)供水工程水質(zhì)的變化(pH值5.0～9.0之間)，絮凝時(shí)間短、沉淀速度快，同時(shí)高濁度水和低溫水處理效果好，成本較低。

聚合氯化鋁的凝聚效果與鹽度關(guān)系密切。當(dāng)水渾濁度較高的時(shí)候，使用鹽基度高的聚合氯化鋁，其凝聚沉淀效果會(huì)更好。目前，我國(guó)對(duì)聚合氯化鋁的鹽度控制在60%以上。聚合氯化鋁的外觀狀態(tài)與鹽基度、制造方法、原料、雜質(zhì)成分及含量等有關(guān)。聚合氯化鋁與鹽基度的關(guān)系見表1，硫酸鋁、聚合氯化鋁的主要優(yōu)缺點(diǎn)見表2、表3。

表1 聚合氯化鋁的外觀

表2 硫酸鋁凝聚劑特性

表3 聚合氯化鋁凝聚劑特性

3.3 凝聚劑的投配分析

凝聚劑的用量與原水的渾濁度、pH值、水溫、堿度、有機(jī)物含量等有著密切關(guān)系。農(nóng)村供水工程中的水源主要為降水，水源水量的年際、年內(nèi)變化情勢(shì)及其空間分布與降雨量基本一致。受降水和下墊面條件影響，渾濁度在一年之間季節(jié)性變化較大?？菁?1月—次年4月水源渾濁度較低，汛期5月—10月水源渾濁度較高。因此，凝聚劑的投加量也需要經(jīng)常改變。凝聚劑用量在制水成本中占有一定比例，若凝聚劑投加量合適得當(dāng)，不僅可以節(jié)約成本，而且出水水質(zhì)較好。如果任意投加凝聚劑，不但不能保證出廠水水質(zhì)，還會(huì)造成藥劑浪費(fèi)。

凝聚劑投加量通過(guò)試驗(yàn)確定。取1000mL燒杯 5～6只，各盛原水1000mL。然后將準(zhǔn)備使用的凝聚劑配成1%溶液，并按不同量分別加至各燒杯。先用玻璃棒劇烈攪拌1min，再沿順時(shí)針?lè)较蚶^續(xù)用玻璃棒緩緩攪動(dòng)，其目的在于幫助形成礬花。至大片礬花形成且停止攪動(dòng)后礬花迅速下沉?xí)r，靜沉10～15min，放置一瓶礦泉水，將各燒杯中上層清液的透明程度與礦泉水對(duì)比。凝聚劑投加量最少，且與礦泉水接近的一杯，即為正確投加量。如各杯均不理想，說(shuō)明凝聚劑投加量不足或過(guò)多，可另取原水，減少或增加1%凝聚劑溶液用量，重新按上述方法試驗(yàn)。如向1000mL原水中投加1%聚合氯化鋁溶液1.2mL時(shí)，凝聚效果最好，則1m3原水需投加聚合氯化鋁12g。目前，施甸已建農(nóng)村供水工程中，采用的凝聚劑投加方法有自動(dòng)和人工兩種，541件采用絮凝沉淀法處理的工程中，采用自動(dòng)投加的35件，采用人工投加的有506件，人工投加凝聚劑的比例為93.5%(見圖1、圖2)，施甸縣蔣家寨水庫(kù)2017—2021年水源渾濁度與聚合氯化鋁試驗(yàn)投加量詳表4。

圖1 水廠凝聚劑自動(dòng)配液室

圖2 水廠凝聚劑人工配液設(shè)備罐

表4 水源渾濁度與聚合氯化鋁(PAC)試驗(yàn)投加量一覽(部分)

3.4 凝聚劑投加量計(jì)算

通過(guò)對(duì)施甸、曲靖、宜良、騰沖4個(gè)縣市區(qū)水庫(kù)水源的分析，以及2017—2021年間在施甸水廠近5年開展的多次試驗(yàn)(試驗(yàn)采集了水廠原水的渾濁度、pH值、有機(jī)物含量、色度、臭和味、肉眼可見物等指標(biāo))，pH值、有機(jī)物、色度、臭和味、肉眼可見物等指標(biāo)的含量變化，對(duì)凝聚劑的配液及投加量的影響較小，而渾濁度的變化與凝聚劑的配液及投加消耗量關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。試驗(yàn)總結(jié)得出以下結(jié)論：如采用水庫(kù)水源，則在相同渾濁度的情況下，深層取水凝聚劑投加量約為表層取水的2倍，且最低凝聚劑投加量為1g/m3。通過(guò)近5年的試驗(yàn)，分析得出渾濁度與凝聚劑投加量的關(guān)系式如下：

y=a(bx+1)

(1)

式中y——凝聚劑投加量,g/m3;

x——水源渾濁度,NTU；

a——原水系數(shù)，地表水或水庫(kù)表層水a(chǎn)一般取1，水庫(kù)深層水源a一般取2；

b——修正系數(shù)，該值通過(guò)試驗(yàn)確定，一般取0.4～0.7。

上述渾濁度與凝聚劑投加量公式一般只適用于做試驗(yàn)的原水，不可互相套用。如為同一河流且又相距不遠(yuǎn)，無(wú)其他支流匯入，河流水質(zhì)原狀未變，則可根據(jù)實(shí)際情況使用。在應(yīng)用上式前，應(yīng)首先對(duì)原水開展試驗(yàn)。在確定一定周期范圍內(nèi)的濁度與凝聚劑配液投加修正系數(shù)b后，方可使用上式。依據(jù)上式，在水廠日常運(yùn)行管理中可以根據(jù)當(dāng)天原水的渾濁度計(jì)算出凝聚劑配液的投加量。

3.5 絮凝

將凝聚劑配液投加到渾濁的原水中，通過(guò)快速混合，很快會(huì)出現(xiàn)細(xì)小的礬花。為使礬花迅速下沉，需要凝聚結(jié)構(gòu)大到一定尺寸，且礬花密集。但在混合階段，由于水流強(qiáng)烈紊動(dòng)，礬花難以繼續(xù)結(jié)合。因此，需要在水流緩慢、便于礬花凝聚的絮凝池內(nèi)完成。

絮凝池一般按由大逐漸變小的流速進(jìn)行設(shè)計(jì)。在供水工程進(jìn)水管或絮凝池進(jìn)水前端投加，使絮凝劑與水中膠體顆料發(fā)生碰撞吸附，再在較小的流速下的絮凝池反應(yīng)，使碰撞吸附后的膠體顆粒結(jié)成較大的礬花，以便進(jìn)入沉淀池后絕大部分被截留下來(lái)。通常絮凝池中的流速不大于0.75m/s。若超過(guò)此流速，礬花顆粒易于破碎。當(dāng)流速小于0.1m/s時(shí)，顆粒又會(huì)下沉。而絮凝池是不容許有沉淀物積存的，因此絮凝池采用的流速一般為：從進(jìn)口處的0.5～0.6m/s逐漸降低到出口處的0.15～0.2m/s。

由于礬花顆粒是經(jīng)過(guò)多次碰撞和吸附而逐漸結(jié)大的，所以絮凝需要有一定的時(shí)間。絮凝時(shí)間隨原水水質(zhì)的不同而不同，一般為12～25min。絮凝的效果與顆粒數(shù)目及顆粒密度有關(guān)。顆粒越多，碰撞機(jī)會(huì)越多，絮凝效果就越好。在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)原水的渾濁度過(guò)低時(shí)，在原水中加入適量的黏土，使這些黏土粒在水中成為載體，以便形成較大的礬花。此外，使用鐵鹽凝聚劑可以增大顆粒比重，大而重的礬花將更易下沉。

4 結(jié) 語(yǔ)

絮凝沉淀法是我國(guó)常用的水處理方法，而凝聚劑的配液投加技術(shù)將直接影響水處理效果。凝聚劑用量與原水的渾濁度關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，地表水在一年之間季節(jié)性變化非常明顯，尤其是渾濁度。因此，凝聚劑的投加量也需要經(jīng)常改變。本文通過(guò)對(duì)施甸水廠開展的渾濁度變量關(guān)系與凝聚劑投配的試驗(yàn)，得到了同品種凝聚劑與不同濁度的最優(yōu)投加量，解決了投加凝聚劑頻繁試驗(yàn)、耗時(shí)長(zhǎng)、試驗(yàn)效果受主觀因素影響等技術(shù)難題。