澄清工藝中絮體層的凈水效能和運行機制研究

李梓楠，楊金月，楊曉英，何 堅

(復旦大學 環境科學與工程系，上海 200433)

絮凝、沉淀、過濾和消毒是常規的凈水處理工藝，其中，分離去除水中懸浮顆粒物的方式主要包括沉淀和澄清.平流式沉淀池具有結構簡單，耐沖擊負荷能力強等優點，但也有占地面積大，受絮凝效果影響顯著等缺點.相對于常規的混凝沉淀工藝，研究表明，澄清工藝因絮體層的存在，不僅可提高工藝對低濁度原水凈化的出水水質[1]，還可降低水庫原水中CODMn、氨氮、UV254、藻類總數[2-3].

澄清工藝具有穩定性強、處理效果好、構造簡單、運行管理簡便等優點，因而在中小水廠具有廣泛的應用前景.在甘肅地區針對黃河原水采用的澄清工藝，原水濁度在2 000 NTU以下波動的條件下只需適當提高混凝劑的投加量便可將出水濁度穩定在10 NTU以下，澄清工藝對于濁度的去除率大于97%[4].與普通沉淀池中絮體在重力作用下自由沉降的原理不同，澄清工藝中絮凝顆粒在上升水流中因重力作用形成動態平衡的絮體層，被認為是流化床工藝[5].絮體層中的高濃度絮體具有結構疏松、表面積巨大等優良特性.即： 在澄清工藝中，絮體層主要通過3種方式去除水中有機物[6]： (1) 絮體層的接觸絮凝作用；(2) 混凝劑形成的礬花的吸附；(3) 絮體層內的微生物對有機物進行分解.

能否形成穩定的絮體層是決定澄清池工藝效果的關鍵因素之一.已有研究表明，影響絮體層形成及其性能的主要因素包括原水特性，混凝劑特征和裝置運行的水力條件.混凝劑的類型與投加量需要針對不同原水條件做出相應適配，由于絮凝劑的水解屬于吸熱反應，同時水解會不斷產生H+，因此原水的pH和溫度過低將阻礙混凝劑的水解過程[7].如果絮體濃度過低，則在池體內難以形成并維持足夠厚度的絮體層，這使得大量小粒徑顆粒物穿透絮體層，從而降低沉淀效果.為確保絮體的正常成長，在絮凝過程中生成大且密實的絮體，需控制水流強度，避免水力沖擊破壞絮體[8].

大多數研究忽略了澄清裝置的表面負荷和絮體層高度對絮體層的影響.有學者考慮了澄清工藝的表面負荷，如Parker等[9]在實驗過程中，將表面負荷設定為0.8～2.08 m/h，澄清工藝的出水懸浮固體(Suspended Solid, SS)濃度在5～10 mg/L之間，變化不明顯，存在實驗工況的表面負荷過低，未闡明絮體層的運行狀態等問題.其他研究者考察了高濁度原水澄清工藝中表面負荷變化的影響，如Hurst等[10]的中試實驗結果表明，在高濁度原水(500 NTU)的條件下，最佳的表面負荷約為2.88 m/h，在對低于200 NTU的原水處理過程中，最佳表面負荷在3.60～4.68 m/h，但上述結論對于絕大多數低濁度地表原水不適用.

針對上述問題，本研究旨在考察地表低濁度原水澄清工藝中表面負荷和絮體層高度對絮體層形成的機制，并分析絮體層對去除污染物效果的影響，為澄清池工藝的應用提供相關技術依據.

1 實驗部分

1.1 材料和方法

實驗原水取自復旦大學江灣校區西北處護校河，取樣時間為2020年7月，測定水質的基本參數如下： pH值7.64～8.06；溫度26.0～27.3 ℃；濁度7.39～13.91 NTU；UV254值0.079～0.087，氨氮濃度0.17～0.26 mg/L；總磷含量0.008～0.009 mg/L；CODMn4.69～4.75 mg/L.

實驗過程中檢測指標和方法見表1.

表1 檢測指標與方法

中試實驗裝置由快速絮凝池(直徑140 mm，高300 mm)、慢速絮凝池(體積為直徑300 mm，高300 mm)和澄清柱(直徑140 mm，高2 000 mm)組成(圖1).混合池和攪拌池內均配有轉速可調的數位顯示攪拌器.為精準控制表面負荷和混凝劑投加量，采用蠕動泵(Longer pump BT-300和BS-100)進行原水和混凝劑的投加.在澄清柱，每隔200 mm設置取樣口.

圖1 中試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of pilot plant

原水中顆粒物的粒徑分布直接影響沉淀池和澄清池的處理效率和處理負荷.將實驗原水快速泵入澄清柱內后進行靜置沉淀，在不同時間點對沉淀后水的濁度進行檢測，計算濁度去除率，繪制原水不同沉速顆粒的分布曲線.

中試實驗中，恒位水箱中的原水通過蠕動泵固定流量依次進入快速絮凝池和慢速絮凝池，與混凝劑充分混合經絮凝反應形成較大的礬花，這些礬花在澄清柱內受到重力和水流上升推力的雙重影響，在特定高度達到平衡狀態后形成具有一定濃度的絮體層.在裝置運行穩定后，在原水箱、慢速絮凝池出水口和澄清柱內的上部清水區取樣分別作為原水、沉淀和澄清工藝的出水，所有水樣均靜置30 min后取上清液測定相關水質指標.由于澄清工藝主要是通過池體內的絮體層將水中的污染物去除，這些絮體顆粒在澄清池內呈懸浮態，沉降性能可以有效評估其是否能夠在池體內穩定懸浮，因此SV30可以在一定程度上說明其沉降性能.實驗中使用的混凝劑為5%濃度的聚合氯化鋁溶液(聚合氯化鋁粉末購于淘寶，瑞泰供水材料).

混凝藥劑的最佳添加量取值采用中潤ZR4-6混凝實驗六聯攪拌機測定.此外，絮體層體積通量，即在單位時間內，在單位面積上通過水平截面的顆粒數，其值為SV30×上升流速.絮體層體積通量可以有效地評價作為流化床的澄清工藝的運行狀態[11].

1.2 最佳混凝參數的確定

由于混凝實驗中需要改變的參數眾多，并且每個參數的設定值范圍較廣，若將各個參數的多個數值逐個進行排列組合，產生的實驗組數量十分龐大.正交實驗可以在保證數據可靠性的前提下，節省大量的實驗組數量進而縮短實驗周期，現已廣泛應用于各個領域[12].

不同絮凝因素包括： 混凝劑投加量(10，15，20 mg/L)、混凝劑的混合時間(30，60，90 s)、混合強度(500，600，700，800 s-1)、絮凝強度(30，50，70，90 s-1)和絮凝時間(5，10，15 min)(表3)對絮凝效果的影響，基于田口正交實驗設計方法確定16組運行條件(表4).各實驗組均取1 L實驗原水進行實驗，并利用六聯攪拌儀設定其運行參數.實驗完成后，對比所有實驗組的濁度去除率結果，并確定各絮凝效果影響因素的重要性排序和最佳中試運行參數.

表3 正交實驗因素水平表Tab.3 Factor level table of orthogonal experiment

表4 正交實驗方案表Tab.4 Scheme table of orthogonal experiment

1.3 表面負荷對絮體層形成和污染物去除影響的研究

澄清工藝的核心是在澄清池中具有一定高度和濃度的絮體層.本實驗啟動時采用投加3倍混凝劑最佳量促進絮體層的形成，在運行12 h后再調整回正?；炷齽┩都恿?每種工況在穩定運行10個澄清柱水力停留時間，系統達到穩態后進行采樣分析.

通常來說，適當增大進水流量可以增大產水效率.但在澄清工藝中，表面負荷的變化將直接影響上升流速，從而對裝置內的絮體層產生影響.短時間進水流量的劇烈增加可能使得絮體層被完全沖散消失，導致澄清工藝崩潰.因此，在常規澄清工藝中，清水區的上升流速一般小于3.96 m/h，并保證清水區的有效高度，以避免絮體層內的微小絮體上浮至溢流口影響出水水質[13].

本研究通過控制進水流量將澄清柱內表面負荷控制在2.16～3.6 m/h.在澄清柱的1.5 m取樣口設置側流，從而保證上部有足夠的清水區，在清水區取樣分析出水濁度，UV254，TOC等指標；在絮體層區采集絮體層泥樣，測定SV30和懸浮固體等指標，分析絮體層的形成條件以及最佳運行工藝條件.

1.4 絮體層高度對絮體層形成和污染物去除的影響研究

在傳統混凝沉淀工藝中，經過混凝過程的絮體未完全成長便進入沉淀池沉淀，所以增加水體在絮體層的停留時間可以進一步凈化水質.增加絮體層內的水力停留時間通常有兩種方法： (1) 降低澄清池內的上向水流速度；(2) 增加絮體層高度.然而降低流速會降低單位時間內的產水量，經濟效益會受到影響，在構筑物內適當的增加絮體層的高度可以增加進水在絮體層內的停留時間，進而提高對水中的污染物的去除效果，不會出現為確保產水效率而降低水力停留時間造成出水水質不佳的問題.

澄清工藝運行穩定時，形成的絮體層中絮體顆粒在池體內受到上升流速的推力，浮力和自身重力的共同作用處于穩定的懸浮狀態，通過改變上升水流的推力，控制絮體顆粒上浮或下降，從而影響絮體層的濃度.實驗中，池體內的上升流速在不同位置均相同，當絮體層處于穩定狀態后，在期望絮體層停留的高度處通過側流調節側流點以上的負荷降低至合適范圍，此時上部處于懸浮態的絮體顆粒將開始下降，最終沉降至目標高度.絮體層高度對絮體層形成和污染物去除的影響，實驗選擇在2.88 m/h的上升流速條件下，通過不同高度取樣口進行側流，將澄清柱內絮體層高度分別控制在1.5 m、1.3 m、1.1 m、0.9 m、0.7 m、0.5 m、0.3 m進行澄清實驗，取澄清后水樣測定水質常規指標，取絮體層不同高度泥漿混合測定SV30，研究高度對澄清系統出水的影響.

2 結果與討論

2.1 實驗原水的沉速分布曲線

研究[14-16]發現，原水中的懸浮顆粒物可分為易沉降與難沉降類，并且兩種類型顆粒物的有機物與無機物的組成存在差異，易沉降懸浮顆粒物中有機物含量較低，而難沉降的懸浮顆粒物中含有大量的有機物，隨著顆粒物中的有機物組分提高，顆粒的沉降性能逐漸降低，其中易沉降類懸浮顆粒物在靜態沉淀條件下3.0～5.0 h可完全沉降，而難沉降的懸浮顆粒物需要更長的時間.

圖2描述了實驗原水中具有不同沉降速度的顆粒占總顆粒數的百分比(P為低于特定沉降速度的顆粒物所占的比例).原水在澄清柱內自由沉降，水中近85%的顆粒物的沉降速度小于0.05 mm/s，此沉速對應的顆粒物粒徑約為0.1 mm[17]，絕大部分顆粒物無法在5 h內完成沉淀，因此原水中的懸浮顆粒僅在重力作用下靠自身的沉速來分離顯然不現實和不經濟，必須通過有效的絮凝工藝以提高水中懸浮物的沉降速度.

圖2 實驗原水的顆粒物沉速分布曲線Fig.2 Distribution curve of settling velocity of particles in experimental raw water

2.2 最佳混凝參數的確定

表5給出了混凝正交實驗對實驗原水濁度的去除情況.由表5可見，影響混凝過程的各因素的重要性(極差Rz)依次為： 混合強度>絮凝強度>絮凝時間>混凝劑濃度>混合時間，參考表3和表5中黑色字體數值確定各因素的最佳參數分別為： 混凝劑濃度20 mg/L，混合強度600 s-1，混合時間30 s，絮凝強度90 s-1，絮凝時間10 min.因此，中試裝置的運行參數為： 混凝劑濃度20 mg/L,混合強度600 s-1,攪拌強度90 s-1.

表5 正交實驗結果Tab.5 Results of orthogonal experiment

2.3 表面負荷對污染物去除效果的影響

實驗在3.6、3.24、2.88、2.52、2.16 m/h的條件下運行，在1.5 m處通過側流將絮體層控制此高度，不同工況下對應的側流量分別為： 1.19、0.79、0.54、0.38 m/h，其中2.16 m/h工況下無需側流.

圖3顯示了在上升流速為3.6、3.24、2.88、2.52、2.16 m/h的條件下澄清工藝對濁度，UV254和CODMn的處理效果.研究表明，澄清系統在表面負荷為2.16～3.6 m/h的條件下，澄清出水的濁度和CODMn優于同等沉淀停留時間下的沉淀出水，而兩種工藝對于UV254指標的去除效果幾乎無差異.澄清系統在不同表面負荷工況下運行穩定，原水濁度在11.2～14.8 NTU變化的情況下，出水濁度在0.59～0.85 NTU；并且，經過澄清后，CODMn指標比沉淀池有進一步的下降，這可能是由于絮體層強化絮凝截流了部分有機物，從而使得出水CODMn降低.

圖3 不同表面負荷下澄清工藝對原水各項指標的去除效果Fig.3 Removal effect of various indexes of raw water by clarification process under different surface loads

圖4顯示了絮體層通量與上升流速和絮體沉降比間的關系，其中圖4(a)中，上升流速的不斷增加會使得絮體層的通量逐漸上升，到達最高點后開始下降，當上升流速為3.16 m/h時，在穩定運行的澄清池內絮體層達到最大體積通量.圖4(b)中，上升流速同時影響了絮體的SV30，隨著表面負荷的增加,絮體的SV30逐漸減小，在對應絮體層最大通量點，絮體的SV30=19.7%.

圖4 絮體層通量與(a) 上升流速和(b) 絮體沉降比的關系Fig.4 The relationship between the floc layer flux and (a) the rising flow rate, (b) the floc settlement ratio

上述實驗中得到的絮體層最大通量下的最佳上升流速，可根據斯托克斯定律得到的公式(1)[18]估算該表面負荷下絮體的理論最終沉速為：

v=v0(1-2.5φ*)

(1)

其中：v為最大通量時的上升流速(m/h)，v0為絮體的理論最終沉速(m/h)，φ*為絮體的表觀固體體積濃度，通常取0.16～0.20.在最大絮體通量時，理論上絮體的最終沉速v0為6.31 m/h，而穩定運行的池子中絮體層的最大運行沉速一般相當于理論最終沉速的70%左右[19]，即4.42 m/h.

圖5反映了不同上升流速條件下，濁度，絮體層濃度和絮體層通量之間的變化關系.

圖5 上升流速與(a) 絮體層濃度、(b) 濁度及絮體層濃度與(c) 濁度、(d) 絮體層通量的關系Fig.5 The relationship between the rising flow rate and (a) the concentration of the floc layer, (b) the effluent turbidity, and the relationship between the concentration of the floc layer and (c) the effluent turbidity, (d) the floc layer flux注： 虛線標出了濁度最低點時對應的絮體層濃度，上升流速和絮體層通量.

圖(a)中隨著上升流速增加，絮體層的濃度逐漸降低；由圖(b)可以發現，上升流速變化對濁度會產生影響，存在濁度去除效果最好的最佳上升流速點，在該點處的濁度為0.67 NTU，過高和過低的上升流速均會增加澄清的出水濁度；絮體層濃度與濁度的關系圖中，可以發現絮體層濃度存在最佳點；圖(d)中絮體層的濃度增加將導致絮體層的通量減小.上圖中可以發現，最佳處理效果的上升流速約為2.63 m/h，絮體層濃度為0.7～0.8 g/L，通過對實驗中的絮體層的狀態的觀察，發現當上升流速大于2.63 m/h的條件下，絮體層上部松散，泥水界面開始出現模糊，隨著上升流速繼續增大，絮體濃度降低，導致澄清效果下降；上升流速低于2.63 m/h時，絮體層存在明顯的泥水界面，絮體濃度增加，從而形成有效的澄清截濾作用.

雖然上升流速在2.63 m/h時對濁度的去除效果最佳，達到0.67 NTU，但整體工藝在2.16～3.60 m/h的上升流速下，濁度均低于1.0 NTU，符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的要求.上述內容中，絮體層最大通量點與最佳處理效果時對應的表面負荷分別為3.16 m/h和2.63 m/h，這說明最大絮體層通量的表面負荷與處理效果最佳狀態并不一致，但是兩種評判標準下出水濁度均符合要求，同時絮體層最大通量點的表面負荷高于最佳處理效果點.因此，采用絮體層最大通量來評判最佳上升流速的方式既保證出水水質達標，又提高給水廠的生產效率.同時值得注意的是，在前期中試裝置的預實驗中發現，上升流速低于1.44 m/h的工況條件下，由于表面負荷不足，絮體發生沉降，絮體層進入厭氧狀態，水質發生惡化.因此澄清工藝中，為保障絮體層的正常運行，不僅要限制最大負荷，同時還要保證工藝內的最低負荷，這也解釋了很多懸浮澄清工藝間歇式運行時效果較差的原因.

2.4 絮體層高度對污染物去除效果的影響

實驗在上升流速2.88 m/h的條件下運行，通過在不同高度取樣口進行側流控制絮體層高度在0.3～1.5 m，對應的側流量分別為0.21，0.21，0.20，0.22，0.25，0.30，0.13 m/h.對各段出水水質指標和絮體層的SV30進行檢測，研究絮體層高度對澄清系統出水以及絮體層形成的影響.

如圖6所示，在絮體層高度小于0.9 m的工況中，澄清工藝對濁度的處理效果開始下降，當高度在0.5 m以下時，出水濁度大于1.0 NTU.UV254和TOC的變化趨勢與圖3(b)相同，說明混凝已經去除了絕大部分UV254和TOC相關的有機物，澄清工藝對這兩類指標的去除無顯著效果.

圖6 絮體層高度對出水水質的影響Fig.6 The effect of floc layer height on effluent quality

由于混凝過程中絮體未吸附完全，因而在澄清柱內形成的絮體層對藻類可以進一步吸附，在不同絮體層高度下除藻率保持在65%左右，最大可達71.7%，總體優于沉淀對藻類的去除效果，這充分說明澄清工藝相比混凝沉淀工藝可以有效提高對藻類的去除效率.在傳統混凝沉淀工藝中[20]，混凝劑投加量在120 mg/L時，藻類去除率可達87.1%，而本實驗中混凝劑投加量僅為20 mg/L，這也說明了澄清工藝可以有效提高混凝劑的利用率.

圖7為不同高度的絮體層的SV30，圖中絮體的SV30隨高度減小而顯著降低，這是由于絮體層高度較低時距離澄清柱的進水口較近，此處水流從管道內的高流速向澄清柱內的低流速逐漸放緩，水流處于紊流狀態，絮體受到水流的剪切力無法形成成熟的絮體.

圖7 不同絮體層高度下絮體的SV30Fig.7 SV30 of flocs under different floc layer heights

因此絮體層整體高度過低將無法形成穩定有效的絮體層.可以認為絮體層的形成是否穩定與其高度有直接關系，為保證其穩定運行，結合絮體層對水質的去除效果，本研究建議實際運行中需要將絮體層高度控制在0.9 m以上.

3 結 論

① 在有機物去除方面，澄清工藝優于混凝沉淀工藝，能有效提高對CODMn的去除率，且能提高絮體利用率，同等條件下降低投藥量，實現對藻類去除80%以上，比沉淀工藝更具除藻優勢；

② 采用絮體層最大通量方式評估澄清池的表面負荷，可以在保障出水水質達標的前提下有效提高給水廠生產效率；

③ 根據預測，澄清池內上升流速大于3.77 m/h和小于1.51 m/h時出水濁度將大于1.0 NTU.在上升流速低于1.44 m/h的工況條件下，水質發生惡化.因此過高或過低的表面負荷將對澄清池的運行效果造成不利影響；

④ 澄清工藝中，為達到較好的處理效果，建議絮體層控制在0.9 m及以上.