臭氧預(yù)氧化與PAM聯(lián)用技術(shù)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(lái)水公司 蘇州215002　2 廣東仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院 廣州510225　3 深圳水務(wù)（集團(tuán)）有限公司 深圳518035

　　摘 要 以南方某水庫(kù)水為試驗(yàn)原水，提出了臭氧預(yù)氧化與PAM聯(lián)用助凝技術(shù)。把沉后水作為考察對(duì)象，通過(guò)小試研究了臭氧預(yù)氧化（0.60mg/L）對(duì)聚丙烯酰胺（PAM）的試驗(yàn)參數(shù)的影響，據(jù)此確定了生產(chǎn)性試驗(yàn)條件。研究表明，聯(lián)用工藝能明顯改善混凝效果，除濁率提高值為10.32％?？疾炝寺?lián)用技術(shù)對(duì)水力負(fù)荷的適應(yīng)能力，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論，進(jìn)一步驗(yàn)證了該工藝的較佳運(yùn)行條件。
　　關(guān)鍵詞 聯(lián)用技術(shù) 除濁 臭氧預(yù)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(qiáng)化混凝技術(shù)是指優(yōu)選混凝劑和助凝劑，適量投加并控制恰當(dāng)?shù)幕炷龡l件，從而提高常規(guī)處理中天然有機(jī)物（NOM）的去除效果，最大限度地去除消毒副產(chǎn)物的前體物（DBPFP）^[1]。在給水處理領(lǐng)域，主要從進(jìn)一步降低出水濁度入手，同時(shí)去除有機(jī)物。水中分子質(zhì)量較小的物質(zhì)，在一般絮凝條件下去除率很低，如果改善絮凝處理?xiàng)l件，在低pH、高絮凝劑用量的強(qiáng)化絮凝條件下會(huì)形成大量金屬氫氧化物，可提高水中分子量較小的膠體態(tài)、溶解態(tài)污染物的去除率。
　　強(qiáng)化絮凝是比較適合推廣使用的技術(shù)^[2~6]。目前，強(qiáng)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(yù)氧化助凝等。由于臭氧應(yīng)用成本較高、國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)不多，原水水質(zhì)差異和臭氧化特性使得當(dāng)前對(duì)預(yù)臭氧化助凝的說(shuō)法不一，并且不同原水的預(yù)臭氧化助凝效應(yīng)差別較大^[7]。有資料報(bào)道，影響預(yù)臭氧化助凝效果的主要因素是：原水TOC、硬度、濁度、藻類(lèi)種屬及數(shù)量等^[8]。通常，當(dāng)原水硬度較高。有機(jī)物濃度較低時(shí)，預(yù)氧化能夠表現(xiàn)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(jié)約礬耗、去除藻類(lèi)、降低致突變性、提高水質(zhì)、應(yīng)付突發(fā)水質(zhì)事故等^[9]。有關(guān)PAM的研究成果在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。至于臭氧預(yù)氧化與PAM聯(lián)用強(qiáng)化混凝的研究在國(guó)內(nèi)還少見(jiàn)報(bào)道。因此，本試驗(yàn)將通過(guò)小試和生產(chǎn)性試驗(yàn)，以沉后水濁度作為運(yùn)行的控制指標(biāo)，初步研究臭氧預(yù)氧化與PAM聯(lián)用工藝的助凝性能。

1試驗(yàn)材料及方法

　　試驗(yàn)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(yàn)
　　以水廠的反應(yīng)沉淀池進(jìn)水為原水。原水的類(lèi)型共分兩種，I為經(jīng)過(guò)預(yù)臭氧的原水，II為未經(jīng)過(guò)預(yù)臭氧的原水。試驗(yàn)中絮凝藥劑為堿式氯化鋁（PAC），其投加量綜合燒杯試驗(yàn)結(jié)果和生產(chǎn)的投加量，確定為2.0mg/L。PAM采用的是FO4190PWG型陽(yáng)離子，初始配制濃度為4g/L,攪拌時(shí)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(zhuǎn)/分；步驟2：4min30s，120轉(zhuǎn)/分；步驟3：5min12s，90轉(zhuǎn)/分；步驟4：5min12s，40轉(zhuǎn)/分；步驟5:15min，0轉(zhuǎn)/分；取樣分析。
1.2生產(chǎn)性試驗(yàn)

圖1 預(yù)臭氧氧化接觸池簡(jiǎn)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(yīng)沉淀池－V型濾池－臭氧接觸池－活性炭生物濾池－節(jié)能型清水池－吸水井－送水泵房－管網(wǎng)。其中格柵井、預(yù)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(shí)間4min。預(yù)臭氧的氧化型式圖1所示。
　　絮凝區(qū)采用豎流式三斷折板反應(yīng)絮凝，各段設(shè)計(jì)流速分別為0.33m/s、0.2m/s、0.14m/s，停留時(shí)間約15min；平流沉淀區(qū)長(zhǎng)度80m，設(shè)計(jì)水平流速約16mm/s。水廠的預(yù)臭氧的投加量為0.6mg/L不變，如無(wú)特殊說(shuō)明，預(yù)臭氧的投加量均為0.6mg/L。
1.3儀器與方法
　　試驗(yàn)攪拌裝置采用ZR3-6型六聯(lián)絮凝攪拌機(jī)；有機(jī)玻璃材質(zhì)的燒杯，尺寸：105mm×105mm×185mm，試驗(yàn)中燒杯的有效水深為165mm，有效容積為1.8L，兩個(gè)取樣口(高度分別為60mm、130mm)，進(jìn)行靜態(tài)絮凝燒杯試驗(yàn)。
　　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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。

2 結(jié)果及討論

2.1小試試驗(yàn)
2.1.1對(duì)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(xiàn)為PAM投加量為0.10mg/L時(shí)，沉后水濁度最小，當(dāng)投加量為0.20mg/L時(shí)，濁度有小幅度升高。不同預(yù)氧化條件下，PAM的最佳投加量均為0.10mg/L。

圖2 預(yù)氧化條件對(duì)PAM投加量的影響
Fig.2 Impact of pre-ozonation condition on PAM dosage

　　在陽(yáng)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(fā)揮作用；超過(guò)此投加量時(shí)，電性中和的作用減弱，水中膠體物質(zhì)發(fā)生膠溶。臭氧預(yù)氧化條件下濁度的去除速度加快，去除率升高。臭氧預(yù)氧化產(chǎn)生助凝的可能機(jī)理是^[10]：一方面，部分大分子溶解性污染物被臭氧氧化后，結(jié)構(gòu)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(jī)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(dāng)這種有效分子量達(dá)到一定程度時(shí)，溶解度降低，產(chǎn)生微絮凝效果；另一方面，水中一些高價(jià)陽(yáng)離子同被氧化的污染物進(jìn)行反應(yīng)，引起凝聚。
　　去除有機(jī)物方面，PAM能夠明顯的提高有機(jī)物的去除率，隨著PAM投加量的增加，有機(jī)物的去除率升高，超過(guò)0.10mg/L之后，沉后水中有機(jī)物的含量反而升高，可能的原因是部分膠體出現(xiàn)膠溶和再穩(wěn)，而殘留于水中。臭氧預(yù)氧化條件下，有機(jī)物的總?cè)コ拾殡S濁度的去除而有所提高，這是因?yàn)榈蛣┝康某粞蹩梢砸l(fā)溶解性有機(jī)物的部分聚合，形成聚電解質(zhì)，通過(guò)吸附和架橋作用得以去除。臭氧氧化提高了水中有機(jī)物的生化性，清華大學(xué)環(huán)境工程系的研究結(jié)果表明^[11]，臭氧投量為0.5mg/L時(shí)，BOD₅/COD提高了30％，后續(xù)工藝對(duì)COD_cr的去除率由40％提高到56％。
2.1.2對(duì)PAM投加點(diǎn)的影響

圖3 預(yù)臭氧對(duì)PAM投加時(shí)間的影響
Fig.3 Impact of pre-ozonetion on added time

　　圖3表明，臭氧預(yù)氧化對(duì)PAM的投加點(diǎn)有一定的影響，無(wú)預(yù)氧化條件下，PAM的最佳投加時(shí)間為攪拌5min，相當(dāng)于絮凝池的1/3處。而投加預(yù)臭氧后，PAM的最佳投加時(shí)間同先前情況相比后移，最佳的投加時(shí)間為攪拌的第7min，相當(dāng)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(gè)投加量，在相同的投加量下比較其對(duì)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(yù)氧化的助凝效能
Fig.4 Effect ofinhancing coagulation by pre-ozonation

　　圖4表明，經(jīng)過(guò)臭氧預(yù)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(chǎn)性試驗(yàn)
2.2.1工藝運(yùn)行比較
　　試驗(yàn)在水廠一期中1號(hào)和2號(hào)兩組絮凝沉淀池內(nèi)進(jìn)行，沉淀池各有獨(dú)立的進(jìn)水口和互不影響的絮凝沉淀系統(tǒng)。1號(hào)，2號(hào)絮凝沉淀池在進(jìn)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(yùn)行效果比較
Fig.5 Comparison of turbulence of two sedimentation tank effluent

　　對(duì)比27小時(shí)的濁度數(shù)據(jù)，其中1號(hào)沉淀池的出水平均濁度為2.49NTU，同時(shí)間2號(hào)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(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。
2.2.2聯(lián)用技術(shù)除濁效果

表1投加預(yù)臭氧對(duì)濁度去除的對(duì)比統(tǒng)計(jì)表
Table 1 Comparative table of pre-ozonation on removing rate of turbulence 編號(hào) 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(hào)絮凝池不投加PAM，2號(hào)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(shè)計(jì)進(jìn)水流量計(jì)算）。
　　表1表明，在無(wú)預(yù)臭氧的情況下，投加助凝劑對(duì)濁度的平均去除率提高了49.99％；在預(yù)臭氧投加量為0.60mg/L時(shí)，投加助凝劑對(duì)濁度的平均去除率提高了60.31％。同未加預(yù)臭氧情況下相比，提高了10.32％。
2.2.3水力負(fù)荷的影響
　　由于絮凝沉淀池的進(jìn)水流量直接關(guān)系到PAM的投加濃度，進(jìn)水流量的改變使PAM的投加量處于波動(dòng)狀態(tài)。試驗(yàn)考察了不同水力負(fù)荷條件下聯(lián)用工藝的助凝除濁效果。對(duì)2號(hào)絮凝池實(shí)際進(jìn)水流量連續(xù)五天進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選擇出具有代表性的24小時(shí)進(jìn)水流量。
　　表2表明，在正常負(fù)荷（PAM投加量最接近最佳投加量）條件下，PAM與臭氧預(yù)氧化聯(lián)用具有很好的助凝除濁效果，沉后水平均濁度為0.37NTU；低負(fù)荷條件下，PAM投加量超出最佳投加量，表現(xiàn)出除濁效果下降；超負(fù)荷條件下，PAM投加量小于最佳投加量，表現(xiàn)出除濁效果略有下降。這與小試的試驗(yàn)結(jié)果相符合。進(jìn)一步說(shuō)明PAM與臭氧預(yù)氧化聯(lián)用助凝除濁的最佳投加量為0.10mg/L。

表2 不同進(jìn)水條件的聯(lián)用助凝效果
Table 2 Effect of enhancing coagulation bydifferent influent condition 進(jìn)水條件 時(shí)間分布 聯(lián)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(fù)荷 0:00~9:00 0.105~0.160 0.140 0.31~0.58 0.51 超負(fù)荷 9:00~16:00 0.093~0.097 0.095 0.44~0.49 0.46 正常負(fù)荷 16:00~23:00 0.103~0.104 0.103 0.30~0.45 0.37

　　聯(lián)用技術(shù)在不同水力負(fù)荷條件下，助凝效果稍有不同，但對(duì)濁度均能保持較高的去除率。具體如圖6所示。

圖6水力負(fù)荷對(duì)沉淀出水濁度的影響
Fig.6 Impact of hydraulic loading on turbulence of sedimentation effluent

3結(jié)語(yǔ)

　　在既定的原水條件下，臭氧的預(yù)氧化與PAM聯(lián)用技術(shù)可以進(jìn)一步改善混凝效果，除濁率得到提高，有機(jī)污染物也得到進(jìn)一步的去除。對(duì)于傳統(tǒng)的常規(guī)處理工藝，通過(guò)該聯(lián)用技術(shù)可以有效的降低沉后水濁度，進(jìn)而降低后續(xù)工藝的處理負(fù)荷，提高濾后水水質(zhì)。當(dāng)然，這只是對(duì)該技術(shù)的初步和定性的研究，今后還有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究：
　　（1）臭氧預(yù)氧化與PAM聯(lián)用改善混凝的作用機(jī)理及臭氧預(yù)氧化對(duì)PAM強(qiáng)化混凝條件的影響和成因，有機(jī)物可混凝性改善的原因；
　　（2）原水水質(zhì)對(duì)助凝效果的影響，以及臭氧預(yù)氧化與PAM聯(lián)用技術(shù)對(duì)主混凝劑投量的影響及經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)價(jià)；
　?。?）有限臭氧投量情況下，臭氧與有機(jī)物發(fā)生不完全氧化反應(yīng)而產(chǎn)生的中間產(chǎn)物的致突變性和臭氧化后導(dǎo)致氨氮含量升高等問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)
　　[1]中國(guó)城市供水協(xié)會(huì).城市供水行業(yè)2010年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo). 中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2005,10,:255~273
　　[2]黃廷林. 強(qiáng)化絮凝法去除水中DBP先質(zhì)研究. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào). 1999, 4: 399~404
　　[3]湯鴻霄. 環(huán)境水質(zhì)學(xué)的進(jìn)展-顆粒物與表面絡(luò)合. 環(huán)境科學(xué)進(jìn)展. 1998, 1: 2~6
　　[4]王曉昌,金鵬康, 周蘭. 水中天然有機(jī)物絮凝過(guò)程的光學(xué)在線監(jiān)測(cè)及控制. 環(huán)鏡科學(xué)學(xué)報(bào). 2002, 22 (1): 6~11
　　[5]G.Joseph. Removing Particles and THM Precursors by Enhanced Coagulation. J. AWWA. 2000, (4): 139~150
　　[6]K. J. Ives, A. E. Adin. The Role of Particle Characteristics in Separation Process. WS&T. 1997, 36(4): 1~4
　　[7]S David Chang,Philip C Singer.The impact of ozonation particle stability and the removal ofTOC and THM precursors. AWWA, 1991, 83(3):71～79
　　[8]Syed R Qasim al. The effect of preozonation on microorganism and particle removal.Wat Sci Tech,2000,41(7):9～16
　　[9]章詩(shī)芳. 聚丙烯酰胺應(yīng)用于飲用水處理研究. 含藻水處理研究技術(shù)研討會(huì). 2000.
　　[10]鄂學(xué)禮,凌波.飲用水深度凈化與水質(zhì)處理器.環(huán)境科學(xué)與工程出版中心.2004,9:115~116
　　[11]劉宏遠(yuǎn),張燕.飲用水強(qiáng)化處理技術(shù)及工程實(shí)例.化學(xué)工業(yè)出版社.2005,4:99~101