臭氧預氧化與PAM聯用技術的除濁初探

蔣福春¹ 孫洪偉² 喬鐵軍³ 齊玉玲³

1 蘇州市自來水公司 蘇州215002　2 廣東仲愷農業技術學院城市建設學院 廣州510225　3 深圳水務（集團）有限公司 深圳518035

　　摘 要 以南方某水庫水為試驗原水，提出了臭氧預氧化與PAM聯用助凝技術。把沉后水作為考察對象，通過小試研究了臭氧預氧化（0.60mg/L）對聚丙烯酰胺（PAM）的試驗參數的影響，據此確定了生產性試驗條件。研究表明，聯用工藝能明顯改善混凝效果，除濁率提高值為10.32％?？疾炝寺撚眉夹g對水力負荷的適應能力，并對結果進行了討論，進一步驗證了該工藝的較佳運行條件。
　　關鍵詞 聯用技術 除濁 臭氧預氧化 PAM 投加量

Primary Exploration on Turbidity Removal by Combined Use of Ozone and Polyacrylamide(PAM)

Jiang Fu-chun¹ ,Sun Hong-wei² ,Qiao Tie-jun³ ,Qi Yu-ling³

(1.Suzhou Water Company,Suzhou 215002,China;

2.College of Urban Construction, Zhongkai University of Agriculture and Technology, Guangzhou 510225,China;

3.Shenzhen Water Supply(Group), Shenzhen 518035,China)

AbstractIn this thesis,a combined treatment of ozone and PAM was used in a typical city of south China which uses reservoir water as raw water. Reaearch was done in bench scale test to ensure the effluence of pre-ozonation on the parameters of PAM while pre-ozonation at a fixed dosage (0.60mg /L).Then we confirmed the parameters in plant scale test .Study showed that the combined treatment had obvious improvement on enhancing coagulation, the removing rate of turbidity was improved by 10.32 percentage. We also investigated the effect of combined treatment while hydraulic loading varied, and we discussed the result, which further validated the optimal operation condition of the combined treatment.
Key Words combined treatment ; turbidity removal; pre-ozonation ; PAM; dosage

0前言

　　強化混凝技術是指優選混凝劑和助凝劑，適量投加并控制恰當的混凝條件，從而提高常規處理中天然有機物（NOM）的去除效果，最大限度地去除消毒副產物的前體物（DBPFP）^[1]。在給水處理領域，主要從進一步降低出水濁度入手，同時去除有機物。水中分子質量較小的物質，在一般絮凝條件下去除率很低，如果改善絮凝處理條件，在低pH、高絮凝劑用量的強化絮凝條件下會形成大量金屬氫氧化物，可提高水中分子量較小的膠體態、溶解態污染物的去除率。
　　強化絮凝是比較適合推廣使用的技術^[2~6]。目前，強化絮凝的手段主要包括提高混凝劑劑量并控制一定的pH值、投加助凝劑改善混凝效果、高錳酸鹽助凝、臭氧預氧化助凝等。由于臭氧應用成本較高、國內經驗不多，原水水質差異和臭氧化特性使得當前對預臭氧化助凝的說法不一，并且不同原水的預臭氧化助凝效應差別較大^[7]。有資料報道，影響預臭氧化助凝效果的主要因素是：原水TOC、硬度、濁度、藻類種屬及數量等^[8]。通常，當原水硬度較高。有機物濃度較低時，預氧化能夠表現出一定的助凝效果^[1]。
　　助凝劑聚丙烯酰胺（PAM）能夠提高絮凝效果、節約礬耗、去除藻類、降低致突變性、提高水質、應付突發水質事故等^[9]。有關PAM的研究成果在國內外已經得到了廣泛應用。至于臭氧預氧化與PAM聯用強化混凝的研究在國內還少見報道。因此，本試驗將通過小試和生產性試驗，以沉后水濁度作為運行的控制指標，初步研究臭氧預氧化與PAM聯用工藝的助凝性能。

1試驗材料及方法

　　試驗期間，原水濁度10~25NTU，耗氧量1.6~2.5mg/L，pH值7.0~8.0。
1.1 小試試驗
　　以水廠的反應沉淀池進水為原水。原水的類型共分兩種，I為經過預臭氧的原水，II為未經過預臭氧的原水。試驗中絮凝藥劑為堿式氯化鋁（PAC），其投加量綜合燒杯試驗結果和生產的投加量，確定為2.0mg/L。PAM采用的是FO4190PWG型陽離子，初始配制濃度為4g/L,攪拌時間為90min，然后稀釋成1‰濃度。攪拌程序按照水廠既有的程序，具體如下：步驟1：30s，120轉/分；步驟2：4min30s，120轉/分；步驟3：5min12s，90轉/分；步驟4：5min12s，40轉/分；步驟5:15min，0轉/分；取樣分析。
1.2生產性試驗

圖1 預臭氧氧化接觸池簡圖
Fig.1 Sketch of pre-ozonation contacting tank

　　水廠在原水中投加臭氧，主要處理工藝：原水－前臭氧接觸池－配水井－反應沉淀池－V型濾池－臭氧接觸池－活性炭生物濾池－節能型清水池－吸水井－送水泵房－管網。其中格柵井、預臭氧接觸池合建，池體平面尺寸21.7m×12.0m。臭氧投加量最大為1.5mg/L，接觸時間4min。預臭氧的氧化型式圖1所示。
　　絮凝區采用豎流式三斷折板反應絮凝，各段設計流速分別為0.33m/s、0.2m/s、0.14m/s，停留時間約15min；平流沉淀區長度80m，設計水平流速約16mm/s。水廠的預臭氧的投加量為0.6mg/L不變，如無特殊說明，預臭氧的投加量均為0.6mg/L。
1.3儀器與方法
　　試驗攪拌裝置采用ZR3-6型六聯絮凝攪拌機；有機玻璃材質的燒杯，尺寸：105mm×105mm×185mm，試驗中燒杯的有效水深為165mm，有效容積為1.8L，兩個取樣口(高度分別為60mm、130mm)，進行靜態絮凝燒杯試驗。
　　濁度：采用Hach公司2100P便攜式濁度儀、Hach2100E在線濁度儀；
　　耗氧量：酸性高錳酸鹽滴定法，按GB11892-89國家標準方法測定。

2 結果及討論

2.1小試試驗
2.1.1對PAM投加量的影響
　　圖2表明，除濁效果方面，在加臭氧與不加臭氧兩種條件下均表現為PAM投加量為0.10mg/L時，沉后水濁度最小，當投加量為0.20mg/L時，濁度有小幅度升高。不同預氧化條件下，PAM的最佳投加量均為0.10mg/L。

圖2 預氧化條件對PAM投加量的影響
Fig.2 Impact of pre-ozonation condition on PAM dosage

　　在陽離子型PAM適宜的投加量條件下，PAM電性中和與吸附架橋共同發揮作用；超過此投加量時，電性中和的作用減弱，水中膠體物質發生膠溶。臭氧預氧化條件下濁度的去除速度加快，去除率升高。臭氧預氧化產生助凝的可能機理是^[10]：一方面，部分大分子溶解性污染物被臭氧氧化后，結構中因加入了氧兒分子極性變大，污染物分子中的氧與其他有機物分子中所含的某些氫原子形成氫鍵，增加了分子的有效分子量。當這種有效分子量達到一定程度時，溶解度降低，產生微絮凝效果；另一方面，水中一些高價陽離子同被氧化的污染物進行反應，引起凝聚。
　　去除有機物方面，PAM能夠明顯的提高有機物的去除率，隨著PAM投加量的增加，有機物的去除率升高，超過0.10mg/L之后，沉后水中有機物的含量反而升高，可能的原因是部分膠體出現膠溶和再穩，而殘留于水中。臭氧預氧化條件下，有機物的總去除率伴隨濁度的去除而有所提高，這是因為低劑量的臭氧可以引發溶解性有機物的部分聚合，形成聚電解質，通過吸附和架橋作用得以去除。臭氧氧化提高了水中有機物的生化性，清華大學環境工程系的研究結果表明^[11]，臭氧投量為0.5mg/L時，BOD₅/COD提高了30％，后續工藝對COD_cr的去除率由40％提高到56％。
2.1.2對PAM投加點的影響

圖3 預臭氧對PAM投加時間的影響
Fig.3 Impact of pre-ozonetion on added time

　　圖3表明，臭氧預氧化對PAM的投加點有一定的影響，無預氧化條件下，PAM的最佳投加時間為攪拌5min，相當于絮凝池的1/3處。而投加預臭氧后，PAM的最佳投加時間同先前情況相比后移，最佳的投加時間為攪拌的第7min，相當于絮凝池的2/5處。
2.1.3助凝效果
　　PAM分別選取0.05mg/L、0.08mg/L和0.10mg/L三個投加量，在相同的投加量下比較其對原水濁度的去除情況。三種條件下的原水濁度分別為22.1NTU、22.8NTU和23.1NTU，原水耗氧量分別為1.51mg/L、1.68mg/L和1.58mg/L。

圖4臭氧預氧化的助凝效能
Fig.4 Effect ofinhancing coagulation by pre-ozonation

　　圖4表明，經過臭氧預氧化，濁度的平均去除率提高了3.85％，伴隨濁度的去除，原水耗氧量的平均去除率提高了10.4％。

2.2生產性試驗
2.2.1工藝運行比較
　　試驗在水廠一期中1號和2號兩組絮凝沉淀池內進行，沉淀池各有獨立的進水口和互不影響的絮凝沉淀系統。1號，2號絮凝沉淀池在進水條件相同且均不投加PAM的情況下，沉淀池的出水情況如圖5所示。

圖5 絮凝沉淀池運行效果比較
Fig.5 Comparison of turbulence of two sedimentation tank effluent

　　對比27小時的濁度數據，其中1號沉淀池的出水平均濁度為2.49NTU，同時間2號沉淀池比較組的平均濁度為2.48NTU兩者相差不到1.0％，可以進行對比試驗。
2.2.2聯用技術除濁效果

表1投加預臭氧對濁度去除的對比統計表
Table 1 Comparative table of pre-ozonation on removing rate of turbulence 編號 PAM:0.10mg/L PAM:0.10mg/L O₃：0.60mg/L 濁度(NTU) 去除率提高(％) 濁度(NTU) 去除率提高(％) 1＃池 2＃池 1＃池 2＃池 1 1.22 0.62 49.18 1.19 0.41 65.55 2 1.84 0.83 54.89 1.31 0.43 67.18 3 1.38 0.65 52.90 1.31 0.45 65.65 4 1.59 0.78 50.94 1.51 0.55 63.58 5 1.35 0.69 48.89 1.53 0.60 60.78 6 1.53 0.71 53.59 1.34 0.50 62.69 7 1.59 0.8 49.69 1.39 0.57 58.99 8 1.39 0.77 44.60 1.14 0.52 54.39 9 1.05 0.55 47.62 1.1 0.65 40.91 10 1.33 0.68 48.87 1.56 0.64 58.97 11 1.89 0.97 48.68 1.93 0.68 64.77 平均值 1.47 0.73 49.99 1.39 0.55 60.31

　　1號絮凝池不投加PAM，2號絮凝池投加PAM。其中，PAM投加于絮凝池的2/5處。采用管道投加，投加量為0.10mg/L（按設計進水流量計算）。
　　表1表明，在無預臭氧的情況下，投加助凝劑對濁度的平均去除率提高了49.99％；在預臭氧投加量為0.60mg/L時，投加助凝劑對濁度的平均去除率提高了60.31％。同未加預臭氧情況下相比，提高了10.32％。
2.2.3水力負荷的影響
　　由于絮凝沉淀池的進水流量直接關系到PAM的投加濃度，進水流量的改變使PAM的投加量處于波動狀態。試驗考察了不同水力負荷條件下聯用工藝的助凝除濁效果。對2號絮凝池實際進水流量連續五天進行監測，選擇出具有代表性的24小時進水流量。
　　表2表明，在正常負荷（PAM投加量最接近最佳投加量）條件下，PAM與臭氧預氧化聯用具有很好的助凝除濁效果，沉后水平均濁度為0.37NTU；低負荷條件下，PAM投加量超出最佳投加量，表現出除濁效果下降；超負荷條件下，PAM投加量小于最佳投加量，表現出除濁效果略有下降。這與小試的試驗結果相符合。進一步說明PAM與臭氧預氧化聯用助凝除濁的最佳投加量為0.10mg/L。

表2 不同進水條件的聯用助凝效果
Table 2 Effect of enhancing coagulation bydifferent influent condition 進水條件 時間分布 聯用助凝效果 PAM投加量
（mg/L） PAM平均投加量
（mg/L） 沉后水濁度
(NTU) 平均濁度
(NTU) 低負荷 0:00~9:00 0.105~0.160 0.140 0.31~0.58 0.51 超負荷 9:00~16:00 0.093~0.097 0.095 0.44~0.49 0.46 正常負荷 16:00~23:00 0.103~0.104 0.103 0.30~0.45 0.37

　　聯用技術在不同水力負荷條件下，助凝效果稍有不同，但對濁度均能保持較高的去除率。具體如圖6所示。

圖6水力負荷對沉淀出水濁度的影響
Fig.6 Impact of hydraulic loading on turbulence of sedimentation effluent

3結語

　　在既定的原水條件下，臭氧的預氧化與PAM聯用技術可以進一步改善混凝效果，除濁率得到提高，有機污染物也得到進一步的去除。對于傳統的常規處理工藝，通過該聯用技術可以有效的降低沉后水濁度，進而降低后續工藝的處理負荷，提高濾后水水質。當然，這只是對該技術的初步和定性的研究，今后還有許多問題需要進一步研究：
　　（1）臭氧預氧化與PAM聯用改善混凝的作用機理及臭氧預氧化對PAM強化混凝條件的影響和成因，有機物可混凝性改善的原因；
　?。?）原水水質對助凝效果的影響，以及臭氧預氧化與PAM聯用技術對主混凝劑投量的影響及經濟效益的評價；
　　（3）有限臭氧投量情況下，臭氧與有機物發生不完全氧化反應而產生的中間產物的致突變性和臭氧化后導致氨氮含量升高等問題。

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