新国标视域下对絮凝的再认识：长江水务的实践

2024-06-05 10:12:54 作者 : 朱敏，赵天航，郑全兴围观 :204次

朱敏，赵天航，郑全兴

（江苏长江水务股份有限公司，江苏扬州 225009）

摘要：絮凝是给水常规处理工艺的第一环节，其效果直接影响后续工艺运行管理效率和出厂水水质。江苏长江水务股份有限公司下属的两座水厂采用不同的絮凝工艺工段，其中DY水厂采用机械搅拌絮凝，TQ水厂采用折板絮凝，采用相同的混凝剂，两水厂单位制水矾耗相差2-4倍，TQ水厂出厂水浊度、高锰酸盐指数、总有机碳、三卤甲烷、2-10μm颗粒物的检测值均低于DY水厂出厂水的检测值；TQ水厂砂滤池过滤周期为72h，而DY水厂砂滤池过滤周期为24h。分析认为影响混凝效果因素比较复杂，除水温、水化学特性、水中杂质性质和浓度、水力条件以及混凝剂特性外，还有恰当的混凝时间。

目前，我国颁布的《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2022）要求饮用水浊度不高于1.0NTU，《江苏省城市自来水关键水质指标控制标准》（DB32/T3701-2019）要求出厂水浊度不超过0.5NTU，美国联邦饮用水标准要求95%以上的滤后水样品浊度不大于0.3NTU。浊度对于给水处理来说是一个至关重要的水质指标，降低浊度的同时也降低了水中的细菌、大肠菌群、病毒、有机物的含量。同时有研究表明，当浊度控制在0.1NTU以下时，贾第鞭毛虫、隐孢子虫的去除率均可达到99.9%以上，越低的浊度表明越小的微生物风险和越高的饮水质量。

混凝属于给水常规处理工艺的第一环节，其效果是去除浊度保障出水水质的第一关，也是提升整体工艺生产能力的重要环节。按不同的搅拌方式，絮凝可分为水力搅拌絮凝与机械搅拌絮凝，折板絮凝是最常见的水力絮凝类型，其输入功率由消耗水流本身势能来提供，原理为水流沿折板竖向上下流动，多次转折，形成众多小涡旋，从而增加原水中颗粒碰撞的频率；机械搅拌则是依靠机械力创造水力条件，使颗粒相互接触碰撞，完成絮凝过程。江苏长江水务股份有限公司（扬州自来水公司）下属两座水厂分别采用折板絮凝和机械搅拌絮凝，在使用相同的混凝剂情况下，由于工艺不同，絮凝效果也不同，导致后续的运行管理效率和出厂水质也不同。公司总调度调节各水厂制水量，优化运行工艺单元，保障出厂水质满足《江苏省城市自来水关键水质指标控制标准》的水质要求。

厂区概况及絮凝对比分析

1.1厂区概况

江苏长江水务股份有限公司下属DY 水厂，2013年完成水厂扩建提标改造，设计规模35×10⁴m³/d。水处理工艺：生物预氧化接触池+高密度沉淀池+臭氧接触池+上向流活性炭吸附池+V型滤池+清水池+二泵房，如图1所示。

图1 DY 水厂工艺流程

TQ水厂，2019年完成深度处理工程，设计规模40×10⁴m³/d，水处理工艺：折板絮凝池+平流式沉淀池+V型滤池+提升泵房+臭氧接触池+下向流活性炭吸附池+清水池+二泵房，如图2所示。

图2 TQ水厂工艺流程

DY水厂水源取自廖家沟水源地，位于南水北调东线输水通道上，而TQ水厂水源取自长江三江营段，是南水北调东线源头。2023年度DY水厂水源浊度为6-143NTU，冬天一般为6-9NTU，夏天由于受淮河泄洪的影响，7月平均浊度为143NTU，高锰酸盐指数一般为3.0mg/L左右，最高为5.0mg/L。同年度TQ水厂水源浊度为26-72NTU，高锰酸盐指数一般为2.5mg/L左右，最高为3.7mg/L，如表1所示。

表1水厂工艺及原水水质对比

1.2混合及絮凝工艺段对比

DY水厂采用管式混合器，混合时间小于30S；TQ水厂采用机械混合，满负荷时混合过程为30S。

DY水厂絮凝沉淀采用高密度沉淀池，絮凝分为二段，一级絮凝转速为32r/min，速度梯度G₁为80S^-1；二级絮凝转速为13r/min，速度梯度G₂为50S^-1；满负荷设计总絮凝时间为9.66min。

TQ水厂采用三段折板絮凝，折板为异波折板，满负荷运行时三段的速度梯度分别为99.66S^-1，62.96S^-1，18.46S^-1，停留时间分别为5.36min，6.79min，7.62min，设计总絮凝时间为19.77min。

在运行管理过程中，两座水厂都没有长时间满负荷运行过，只有在调试时，某一时段满负荷运行，不能客观反映各工艺单元长时间满负荷运行的真实状况。DY水厂高密度沉淀池出水浊度控制在1.0NTU内以满足上向流活性炭吸附池进水浊度要求，这就要求高密度沉淀池强化絮凝效果，投加助凝剂聚丙烯酰胺（PAM）。经过多年的水厂管理和探讨，分析认为DY水厂高密度沉淀池是制约出厂水水质和水量的关键因子，主要是絮凝效果不佳，虽然采用强化絮凝措施，但对后续工艺影响很大。

絮凝效果主要取决于以下因素：其一，絮凝剂的特性，絮凝剂特性影响絮凝剂与杂质的生化反应程度；其二，水动力条件，水力条件影响颗粒碰撞-粘附的关键因子，涡旋速度梯度、湍动能、湍动能耗散率，涡旋尺度等都是絮凝水力学关注的指标，沿着水流方向，速度梯度分布合理并逐步减小；其三，合适的絮凝时间，絮凝时间不足导致矾花不密实，水中胶体脱稳不彻底，影响后续工艺处理效果。

絮凝效果亦可用速度梯度（G）和反应时间（T）来控制，GT值控制在10⁴-10⁵之间，如果通过提高G值来满足GT值要求时，水流湍动增大了颗粒碰撞的几率，也增大了水流剪切力，导致形成的矾花絮体破碎，GT值要求合理的速度梯度和絮凝反应时间。美国宾夕法尼亚州《公共供水手册》建议絮凝时间为20-30min，美国《饮用水水厂十州建议标准》建议絮凝时间至少30min，而美国宾夕法尼亚州的一座水厂设计规模为7.6×10⁴m³/d，实际供水量为2.8×10⁴m³/d，其絮凝工段停留时间高达80min。

DY水厂絮凝段只有二段，二段速度梯度相距较大，调节有限，分析认为速度梯度发布不合理也是影响絮凝效果的因素，DY水厂出水条件最佳，可以多输出饮用水，但为保障内控水质满足企业要求，DY水厂供水量一般为27×10⁴m³/d，供水量上限不突出30×10⁴m³/d，其对应的絮凝时间为12.52min和11.27min，而TQ水厂满负荷运行时絮凝时间为19.77min，絮凝时间相对较长，各供水量絮凝时间对比如表2。

表2 两水厂絮凝时间对比（时间单位：min）

机械絮凝通过水力上下循环完成能量在全池的均匀分布，理应取得良好的絮凝效果，但是DY水厂机械絮凝相对TQ水厂折板絮凝效果差，可能是DY水厂絮凝速度梯度分布不合理及絮凝时间较短，主要因素是絮凝时间较短。

絮凝效果对后续工艺的影响

2.1对待滤水的浊度、颗粒物影响

絮凝过程完成后，出水进入沉淀段，DY水厂采用斜管沉淀池，表面负荷为5.0m³/（m²·h），其沉淀池出水浊度可降至（0.6±0.3）NTU，TQ水厂采用平流式沉淀池，水平流速为11mm/s，其沉淀池出水浊度为（1.7±0.2NTU）。鉴于两水厂采用不同的沉淀工艺，无法对比出水浊度，采用量筒沉淀试验。试验过程中，用量筒缓慢取两水厂絮凝末端出水，静态沉淀后检测上清液浊度，沉淀时间统一为30min。当DY水厂原水浊度为24NTU时，静态沉淀30min后，上清液浊度为9.33NTU。TQ水厂原水浊度为28NTU时，取絮凝池出水静态沉淀30min后，上清液浊度为17.00NTU，从量筒试验看，DY水厂强化絮凝后，絮凝池出水浊度低于TQ水厂絮凝池出水浊度。颗粒物试验也是取原水浊度相近时的试验数据，混凝试验取絮凝池出水静态沉淀30min后的水样，检测数据如表3。

表3 水厂颗粒物数对比（CFU/mL）

从表3中看出，高密度沉淀池出厂浊度低于折板絮凝池出水浊度，但颗粒物相差较大，分析原因可能是高密度沉淀池出水水中胶体没有完全脱稳，由于颗粒粒径较小对浊度贡献不大，这是我们看到浊度低而颗粒物浓度高的原因。

2.2对滤池运行的影响

表4 2023年水厂运行管理生产报表

DY水厂待滤水经过砂滤池过滤后，去除浊度效果不明显，在待滤水中投加助滤剂，助滤剂为聚合氯化铝（PAC）溶液，滤后水浊度不大于0.3NTU，满足企业内部控制标准，其原因可能是投加的助滤剂使残留在待滤水中未脱稳的胶体进一步脱稳，脱稳的胶体在过滤时容易迁移吸附在滤料上与水分离，使滤后水的浊度变小，也可能是投加的助滤剂改变了待滤水中悬浮颗粒的表面性质与尺寸提高了颗粒的黏附效率，即在滤料颗粒间脱稳的胶体逐渐再凝聚，颗粒迁移和黏附作用加强，颗粒之间或颗粒与滤料之间结合紧密，抗剪切力增强，不容易穿透滤料层，滤后水的浊度显著下降。在投加助滤剂时，注意助滤剂与待滤水充分混合， 2020年上半年没有投加助滤剂与2021年投加助滤剂6个月水厂出水浊度对比，如图3。

图3 扬州市DY水厂出水浊度对比

投加助滤剂后带来新的问题，滤料层的水头损失速度又增大了，分析认为，高密度沉淀池出水中可能含有助凝剂聚丙烯酰胺（PAM）残留物，堵塞了滤料层，对滤料水头损失可能有影响，这个问题有待于进一步研究；也可能是投加助滤剂后，使结合紧密的絮凝体被截留在滤料层表面，难以渗透到下层的滤料中，也可能是再凝聚颗粒逐渐增大、沉淀在滤料间隙内，增加了过滤阻力，缩短了过滤周期。DY水厂、TQ水厂砂滤池采用一样的图纸施工，单格滤池面积为94.5m²，各为20格，滤料级配及滤层厚度一样，反冲洗配置的水泵及风机一样，在同一制水量时，两座水厂的过滤周期相差较大，DY水厂过滤周期为24h，而TQ水厂过滤周期可达72h。

从表4中看出DY水厂高密度沉淀池出水浊度虽然小于1.0NTU，但砂滤去除浊度效果比TQ水厂砂滤去除浊度效果差，分析以为高密度沉淀池絮凝效果不如TQ水厂的折板絮凝池絮凝效果，主要原因可能是絮凝不充分，与胶体脱稳程度有关。

2.3对药剂用量的影响

表5 水厂单位矾耗对比（mg/L）

根据2023年生产报表，两座水厂采用同一厂家的液体聚合氯化铝，有效药剂为（按Al₂O₃计）10%-11%，使用计量泵直接投加，没有稀释，TQ水厂制水单位矾耗为15.29-23.79mg/L，最高值为23.79mg/L，DY水厂制水单位矾耗为53.01-124.33mg/L，最高值为124.33mg/L，DY水厂还投加聚丙烯酰胺（PAM）阴离子助凝剂，投加量一般为0.15mg/L，两水厂原水水质相近，药剂指标相同，而制水单位矾耗相差2-4倍。在絮凝条件不佳的前提下，提高混凝剂的投加量，会增加颗粒物参与吸附架桥、网捕与卷扫等作用的机会，有利于破坏胶体的稳定性，弥补絮凝时间不足。铝盐混凝剂高投加量可能带来水质铝元素超标的风险，常年跟踪检测值，DY水厂出厂水铝元素残留量为0.08-0.11mg/L，满足企业内控标准0.15mg/L的要求。

2.4对出厂水水质的影响

当两座水厂原水浊度相同，都为25NTU时，DY水厂出厂水2-10μm颗粒物数量为792CFU/ml，TQ水厂出厂水颗粒物数量为101CFU/mL，新的饮用水卫生标准虽然没有对出厂水颗粒物作要求，但我们认为出厂水颗粒物越少越好。每年公司各水厂做两次水质全分析检测，包括常规指标43项和扩展指标54项，半年一次。根据2023年5月、11月全分析检测报告，DY水厂三卤甲烷检测值分别为0.19和0.13，TQ水厂三卤甲烷检测值两次都为0.11。DY水厂总有机炭检测值分别为1.03mg/L、1.62mg/L，TQ水厂总有机炭检测值两次都小于1.0mg/L。根据2023年1月-12月水厂水质检测生产报表，DY水厂与TQ水厂相比较，出厂水浊度和高锰酸盐指数都偏高，如图4所示。分析认为DY水厂絮凝效果没有TQ水厂的好，主要原因可能是DY水厂絮凝时间没有TQ水厂的时间长，一般情况下两座水厂絮凝时间相差一倍，由于“第一纽扣”没有扣好，影响后续工艺单元运行，进而影响出厂水水质。

图4出厂水高锰酸盐指数对比

结语

经过多年的水厂运行管理、分析和摸索，两座水厂原水相近情况下出厂水水质相差原因分析，认为两座水厂絮凝效果相差较大，从而影响水厂运行管理效率和单位耗矾量，经过梳理，对水厂絮凝有了更深刻的认识。

影响絮凝效果的因素除絮凝剂的特性、合适的水力条件外，还有恰当的絮凝时间，从TQ水厂运行管理来看，絮凝时间约为30min，满足《室外给水设计标准》（GB50013-2018）的要求，絮凝时间尽可能取高值。

DY水厂经过强化絮凝后，沉淀池出水浊度小于1.0NTU，满足上向流活性炭吸附池进水要求，但经过砂滤池过滤后，滤后去除浊度效果不明显，滤后水颗粒物也高于TQ水厂。由于TQ水厂絮凝效果良好，水中颗粒物更容易被砂滤池去除，这也是TQ水厂出厂水浊度和颗粒物低于DY水厂的原因，TQ水厂的出厂水浊度2023年度最高0.15NTU，约为DY水厂的一半。

絮凝效果不同影响后续工艺管理效率和出厂水水质，DY水厂絮凝剂千吨水消耗量是TQ水厂的2-4倍，也影响砂滤池运行周期，DY水厂砂滤池运行周期一般为24h，TQ水厂砂滤池运行周期为72h。DY水厂出厂水高锰酸盐指数（COD_Mn）、总有机炭（TOC）及消毒副产物（三卤甲烷）检测值均高于TQ水厂的检测值。

新的生活饮用水卫生标准实施后，饮用水水质标准越来越高，在常规的水处理基础上又增加深度处理或预处理。如果常规水处理絮凝第一环节没有达到预期效果，后续工艺运行管理受其影响，直至影响出厂水水质，分析认为影响混凝效果因素比较复杂，除水温、水化学特性、水中杂质性质和浓度、水力条件以及混凝剂特性外，还有恰当的混凝时间。

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