北方缺水型城市生活飲用水凈水工藝改造研究

周環(huán)宇

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國80%的地表水域和45%的地下水區(qū)域遭受不同程度的污染[1]。20世紀初城市飲用水中發(fā)現(xiàn)了可致病的原生動物、藻類大量繁殖使得飲用水安全出現(xiàn)問題[2]?？刂骑嬘盟廴?，并采用恰當?shù)募夹g(shù)對污染的飲用水進行處理，保障區(qū)域生活飲用水安全，具有重要的研究意義[3]。朝陽市作為北方缺水較為嚴重的城市，根據(jù)水資源公報統(tǒng)計，水資源總量為15.4×108m3，人均占有量為全省水資源人均占有量的50%，缺水問題已經(jīng)成為制約朝陽市經(jīng)濟發(fā)展的主要問題[4]。此外，近些年隨著朝陽地區(qū)社會經(jīng)濟快速發(fā)展，地表水污染遭受不同程度的破壞，根據(jù)水環(huán)境監(jiān)測部門數(shù)據(jù)顯示，朝陽地區(qū)70%的河流可滿足IIIl類水，而30%的河流屬于IV類，甚至為V類水，部分水庫富營養(yǎng)化程度較高，40%的水庫屬于中等程度富營養(yǎng)化水平[5]。為此面對水資源短缺和水污染特征，為保障城市正常生活飲用水安全，需要對其凈水工藝進行探究。通過一些學(xué)者的研究[6- 8]，北方地表飲用水的特點為低溫低濁、微污染水源水質(zhì)難處理，傳統(tǒng)凈水工藝很難達到理想的凈化效果。近些年來，對于微污染水處理得到國內(nèi)許多學(xué)者的關(guān)注，主要為兩類方法，分別為源水深度處理和源水生物化學(xué)預(yù)處理技術(shù)得到不同程度的應(yīng)用[9- 11]，同時一些新技術(shù)和工藝如高級氧化技術(shù)、超濾膜技術(shù)也被逐步引入[12- 14]，但針對北方低溫低濁、微污染水源水質(zhì)難處理的組合凈水工藝研究還較少，因此為提高北方缺水型城市生活飲用水安全，需要對其傳統(tǒng)工藝進行改造提出一套適合于北方地區(qū)水源特征的凈水優(yōu)化工藝。

1 試驗準備

1.1 試驗所用儀器

為對提出的凈水改造工藝進行水質(zhì)凈化效率對比，主要從源水中高錳酸鉀指數(shù)、氨氮、濁度測定進行試驗，試驗采用的儀器見表1。

表1 試驗所需的儀器

1.2 試驗所用材料

試驗所用的沸石主要采用阜新太平地區(qū)的斜發(fā)沸石、粉煤灰以及膨潤土混合制成。水質(zhì)測定試劑為1∶1比例的硫酸溶液；濃度為50g/L的過硫酸鉀溶液；濃度為100g/L的抗壞血酸溶液；標準濃度為2mg/L的磷標準測定溶液；質(zhì)量分數(shù)為1%的NaOH和HCl溶液；七水硫酸亞鐵、葡萄糖、硫酸亞鐵銨、硫酸銀以及重洛酸鉀溶液。

1.3 試驗方法

采用酸性高錳酸鉀滴定方法(GB/T 5750.7—2006)進行高錳酸鉀指數(shù)的測定。采用納氏試劑比色法(GB 7479—87)對氨氮濃度進行測定。采用鉬酸鹽分光光度方法(GB 11893—89)進行總磷濃度的測定。采用濁度儀對水體濁度進行分析。采用精密pH計對水體中的pH值進行測定。

1.4 污染濃度測定的標準曲線

1.4.1氨氮標準曲線

采用GB 7479—87納氏試劑比色法對氨氮濃度進行測定，將氨與碘化汞和碘化鉀的堿性溶液進行化學(xué)反應(yīng)生成棕紅色的膠態(tài)化合物，一般將波長設(shè)定為420nm，使得色度與氨氮含量呈正比后，對其吸光度進行測定，并分析氨氮濃度，見表2。

表2 氨氮不同質(zhì)量對應(yīng)的吸光度值

1.4.2總磷標準曲線

采用GB 11893—89鉬酸鹽分光光度方法進行總磷濃度的測定，用移液管對不同體積的標準磷溶液進行吸取后移入到50mL的比色管中，稀釋至標準刻度后，倒入1mL的抗壞血酸溶液，30s后將1mL鉬酸銨溶液進行均勻混合，進行顯色處理。在常溫條件下放置10min后進行吸光度的測定，見表3。

表3 不同磷標準溶液的標準曲線

2 試驗結(jié)果

2.1 高錳酸鉀單獨氧化處理微污染水源的凈化試驗效果

2.1.1高錳酸鉀投加量的凈化效果試驗

在10個250mL的錐形瓶內(nèi)放入200mL的試驗水樣，分別加入不同濃度的高錳酸鉀溶液，使得其濃度分別達到0.6l、0.1、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5、3.5mg/L，放入到溫度控制在5℃的搖床中，將轉(zhuǎn)速調(diào)整到150r/min，搖勻震蕩的時間控制在10min，對高錳酸鉀和氨氮濃度進行測定，試驗結(jié)果見表4。

表4 高錳酸鉀投加量對高錳酸鉀指數(shù)和氨氮去除率影響試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可看出，隨著高錳酸鉀投加量的不斷增加，高錳酸鉀指數(shù)和氨氮的去除率都逐步遞增，當高錳酸鉀投加量的濃度高于2.5mg/L后，高錳酸鉀指數(shù)和氨氮的去除率增幅減小，最后對以上兩種污染物的去除率分別為16.05%和13.84%。

2.1.2pH值的凈化效果試驗

在12個250mL的錐形瓶內(nèi)分別放入200mL的試驗水樣，水樣中高錳酸鉀指數(shù)濃度為2.5mg/L，將水樣的pH值分別調(diào)整到5.0、5.2、5.4、5.6、5.8、6.0、6.2、6.4、6.6、7.5、8.6、9.8后放入恒溫的搖床，將搖床溫度控制為5攝氏度，轉(zhuǎn)速調(diào)整至150r/min，搖勻震蕩10min后對高錳酸鉀和氨氮濃度進行測定，試驗結(jié)果見表5。

從試驗結(jié)果可看出，pH值的變化對有機物的去除效率較低，在弱堿性和中性條件下，對高錳酸鉀指數(shù)及氨氮去除率較高，而在堿性和弱酸性條件下，對其去除效率較低，通過試驗表面pH值適宜的范圍為7.5～8.6之間，其中pH=8.6的去除效率最大。

2.1.3氧化時間的凈化效果試驗

在12在12個250mL的錐形瓶內(nèi)分別放入200mL的試驗水樣，水樣中高錳酸鉀指數(shù)濃度為2.5mg/L，將搖床溫min度控制為5℃，轉(zhuǎn)速調(diào)整至150r/min，分別搖勻震蕩6、9、11、13、15、20、30、40、60、90、110、120min，后對高錳酸鉀和氨氮濃度進行測定，試驗結(jié)果見表6。

表5 pH值對高錳酸鉀指數(shù)和氨氮去除率影響試驗結(jié)果

表6 氧化時間對高錳酸鉀指數(shù)和氨氮去除率影響試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可看出，氧化時間對高錳酸鉀指數(shù)和氨氮去除率影響不同，氧化時間為30min對高錳酸鉀指數(shù)去除率最大，而氧化時間為20min對氨氮的去除率最大。隨著氧化時間的遞增其去除率并未相應(yīng)遞增，具有一定的高低起伏變化。在較短的時間內(nèi)對有機物的去除效果較好，從而表明了高錳酸鉀指數(shù)的高氧化性。

2.2 混凝處理微污染水源的凈化試驗效果

2.2.1最佳絮凝劑種類及最優(yōu)投放藥量試驗

混凝劑的一般投藥量的范圍為：普通鐵鹽和鋁鹽的濃度范圍在10～100mg/L之間，聚合鐵和鋁鹽為普通鹽濃度的0.3～0.5倍之間，高分子有機混凝劑濃度為1～5mg/L之間，混凝劑投藥量過大會導(dǎo)致膠體出現(xiàn)再穩(wěn)形態(tài)。維持試驗水樣pH值不發(fā)生變化，將混凝劑種類進行改變(氧化鋁PAC、PAC+PAM)以及投藥量分別為15、25、35、45、55、65mg/L，其中PAM為1/10的濃度，試驗分析混凝劑和投加量對絮凝影響，結(jié)果見表7，并固定PAC投加量，將PAM進行投加，試驗分析PAC+PAM混合投加對高錳酸鉀、濁度以及氨氮去除效果，試驗結(jié)果見表8。

表7 PAC不同投加量對高錳酸鉀、濁度以及氨氮去除效率的影響試驗結(jié)果

表8 PAM不同投加量對高錳酸鉀、濁度以及氨氮去除效率的影響試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可看出，采用PAC混凝劑對高錳酸鉀、濁度以及氨氮均有一定的去除效果，其中去除效果最佳的為濁度，最優(yōu)的PAC投加量為35mg/L，將PAC投加量進行固定，隨著PAM的投加，其對高錳酸鉀、濁度以及氨氮也具有較好的去除效果，對氨氮影響波動較大的投加量最優(yōu)值為35mg/LPAC+3mgPAM。

2.2.2最佳水力運行條件的正交試驗

水力運行條件對混凝控制影響程度也較大，采用正交試驗方式對各影響因子的主次關(guān)系及最優(yōu)組合進行分析，從而探索出最優(yōu)的水力運行條件，試驗結(jié)果見表9。

表9 最優(yōu)水力學(xué)運行條件下的正交試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可看出，水力影響因子對混凝影響度的排序為：反應(yīng)時間影響度最大，其次是混合轉(zhuǎn)速，再次是反應(yīng)轉(zhuǎn)速，影響度最低的為混合時間。在同一因子條件下，最佳的水力運行條件為：混合的時間為3.25min、混合轉(zhuǎn)速達到400r/min、反應(yīng)轉(zhuǎn)速為45r/min以及反應(yīng)時間控制在19min。

2.3 高錳酸鉀與混凝處理組合的微污染水源的凈化試驗效果

將高錳酸鉀與混凝劑進行組合試驗，通過對混凝劑和氧化劑進行改變投加順序進行工藝的選擇，組合下的凈化試驗效果見表10。

從試驗結(jié)果可看出，隨著高錳酸鉀投加量的遞增，高錳酸鉀指數(shù)和氨氮的去除率逐步增加，濁度的變化率較低，當投加量為2.55mg/L時，高錳酸

表10 高錳酸鉀與混凝處理組合的微污染水源的凈化試驗效果

鉀指數(shù)和氨氮的去除率達到最大值，當高錳酸鉀指數(shù)濃度達到3.52mg/L及氨氮濃度為1.21mg/L，其凈化的水體可到達水質(zhì)標準的Ⅱ類水體。當為防止高錳酸鉀投放量過大，其投放量應(yīng)控制為2.55mg/L，凈化后的水采用沸石進行吸附。

2.4 低溫低濁度凈水處理試驗結(jié)果

PAM為聚丙烯酰胺，是一種高分子有機聚合物，也是一種混凝水處理的產(chǎn)品，可配合絮凝劑進行使用，從而使得水體中顆粒進行有效沉降，在冬季溫度較低的情況下PAC混凝劑的投加量為25mg/L，分別進行5次原水的PAM投加量試驗效果分析，結(jié)果見表11—15。

表11 第一次PAM投加試驗沉淀效果分析

表12 第二次PAM投加試驗沉淀效果分析

表13 第三次PAM投加試驗沉淀效果分析

第一次試驗中序號1和2形成的礬花形狀較小，而序號4形成的礬花較大，當PAM的投加量達到0.11mg/L，水體中的濁度去除率達到最大值90.6%，但當投加量低于0.11mg/L時，濁度去除率減小，表明達到最佳投藥量。第二次試驗中，序

表14 第四次PAM投加試驗沉淀效果分析

表15 第五次PAM投加試驗沉淀效果分析

號3形成的礬花速率較快，序號5形成的礬花較少，剛出現(xiàn)礬花的最佳投藥量為0.11mg/L時，水中濁度的去除率達到最大值為91.5%，第三次試驗時序號2和序號3礬花速率較大，序號5較小，緩慢投藥后當PAM投藥量為0.10mg/L時，濁度去除率最大值為89.3%。第四次試驗時，序號4形成礬花速率最大，序號1最小。隨著PAM投藥量的加大，水體中的濁度逐步增加，當投藥量為為0.11mg/L時。其濁度的去除率最大為90.5%。第五次試驗中，序號2、3、4均形成較快的礬花速率，序號5的礬花速率較低，緩慢加入PAM藥量后，當PAM的投加量達到0.10mg/L，水體中濁度去除率可達到85.6%。從以上五組試驗結(jié)果可知，在投放絮凝劑后水體濁度范圍在0.31～0.65NTU之間，對應(yīng)的PAM最優(yōu)投放量范圍在0.10～0.11mg/L之間，在冬季低溫下考慮經(jīng)濟因素建議PAM助凝劑最優(yōu)投放量為0.10mg/L。

3 試驗結(jié)論

(1)對于北方冬季低溫低濁水，在水體濁度低于50NTU時，建議混凝劑PAC的投放量為20mg/L，凈水后濁度在1.8～5.2NTU之間變化，助凝劑PAM的投放量建議為0.10mg/L，水體濁度范圍在0.31～0.65NTU之間，可滿足國家水質(zhì)標準的濁度(<1NTU)要求。

(2)采用化學(xué)氧化和物理吸附相組合的凈水方式對于高錳酸鉀、氨氮的去除率效果較為明顯，最佳投藥量組合為35mg/LPAC+3mgPAM，最佳水力運行條件分別為：混合的時間為3.25min、混合轉(zhuǎn)速為400r/min、反應(yīng)轉(zhuǎn)速為45r/min以及反應(yīng)時間控制在19min。

(3)溶解性固體也是凈水工藝重要內(nèi)容，在以后的研究中還需重點考慮改造的工藝對溶解性固體去除率的影響。