再生水回用倍受關(guān)注的問題之一就是輸配過程中管網(wǎng)的腐蝕，管網(wǎng)腐蝕的程度、種類與再生水處理工藝及出水水質(zhì)直接相關(guān)。因此需從根源上優(yōu)化再生水處理工藝，控制再生水管網(wǎng)腐蝕[1]。國際上常用拉森指數(shù){LR，LR=([Cl-]+2[SO42-])/[HCO3-]}來衡量鐵管的腐蝕性。LR考慮了Cl-和SO42-等無機(jī)陰離子對(duì)腐蝕的影響[2]，LR越低，水的腐蝕性越小。Lason認(rèn)為LR在 0.2～0.3 以下時(shí)，對(duì)鐵管的腐蝕性較小。D. T. Merrill等[3]認(rèn)為LR<0.5屬于可接受范圍，王洋等認(rèn)為拉森指數(shù)>1時(shí)水具有嚴(yán)重的腐蝕性，Cl-、SO42-對(duì)腐蝕影響較大[4]。然而現(xiàn)階段再生水的拉森指數(shù)往往>1，出水有嚴(yán)重的腐蝕傾向，尤其是傳統(tǒng)的再生水處理工藝很難有效去除Cl-、SO42-等陰離子，因此優(yōu)化傳統(tǒng)再生水處理工藝，控制拉森指數(shù)，進(jìn)而控制再生水管網(wǎng)腐蝕是至關(guān)重要的。混凝是傳統(tǒng)再生水處理工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，混凝效果直接影響后續(xù)流程的運(yùn)行工況及最終出水水質(zhì)[5]。筆者以控制城市再生水的輸配水管線腐蝕為目標(biāo)，從混凝劑種類、投加量出發(fā)，調(diào)節(jié)并確定混凝過程的最佳運(yùn)行工況，以降低腐蝕性離子含量，控制拉森指數(shù)，減輕管網(wǎng)腐蝕。
1 實(shí)驗(yàn)材料與方法
1.1 原水水質(zhì)
實(shí)驗(yàn)水樣為某再生水廠原水，即污水處理廠二級(jí)出水，再生水廠采用常規(guī)處理工藝，其處理單元水質(zhì)如表1所示。
1.2 材料與方法
混凝是控制配水管網(wǎng)腐蝕的重要環(huán)節(jié)之一[6]。混凝效果的好壞直接影響后續(xù)工藝的運(yùn)行工況、出水水質(zhì)以及處理成本[7]。傳統(tǒng)的再生水處理工藝常用的無機(jī)混凝劑以鋁鹽、鐵鹽為主。實(shí)驗(yàn)對(duì)聚合氯化鋁(PAC)、聚硅酸鋁鐵(PSAF)、聚合硫酸鐵(SPFS)、三氯化鐵(FeCl3)、硫酸鋁[Al2(SO4)3]進(jìn)行了篩選，選擇最佳混凝劑及最佳投加量。混凝劑規(guī)格如表2所示。
混凝靜態(tài)試驗(yàn)采用ZR4-6型六聯(lián)混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)(深圳市中潤水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司)，攪拌機(jī)設(shè)置參數(shù)為快速300 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)1 min，慢速60r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)15 min，靜沉30 min。測(cè)定上層清液的濁度、Cl-、SO42-、HCO3-等，其中Cl-、SO42-采用CM-05多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀(北京雙暉京承電子產(chǎn)品有限公司)測(cè)定，HCO3-采用中和滴定法測(cè)定。
2 結(jié)果與討論
2.1 混凝劑篩選及最佳投加量的確定
2.1.1 混凝劑投加量對(duì)濁度的影響
在1.2所述條件下，分別投加不同量的PAC、PSAF、SPFS、FeCl3、Al2(SO4)3，考察混凝劑投加量與濁度的關(guān)系，如圖1所示。
?圖1 混凝劑投加量對(duì)濁度去除率的影響
圖1表明，SPFS對(duì)濁度的去除效果較差，其投加量較低時(shí)還會(huì)引起濁度增加;混凝劑投加量為0~12 mg/L時(shí)，PAC、Al2(SO4)3、PSAF、FeCl3對(duì)濁度的去除率呈逐步升高的趨勢(shì);投加量為12 mg/L時(shí)，PAC對(duì)濁度的去除率最高，為72.48%，此時(shí)濁度最低為0.28 NTU;繼續(xù)增大投加量，PAC對(duì)濁度的去除率下降，水樣濁度迅速上升，而Al2(SO4)3、PSAF、FeCl3對(duì)濁度的去除率呈穩(wěn)定趨勢(shì)，變化幅度很小;混凝劑>30 mg/L時(shí)，PAC、Al2(SO4)3、PSAF、FeCl3這4種混凝劑對(duì)濁度的去除效果均變差，去除率快速下降。總體來看，上述4種混凝劑對(duì)濁度的去除率隨投加量的增加呈現(xiàn)先升高后趨于平穩(wěn)或降低的趨勢(shì)。低投加量下PAC降低水樣濁度有明顯優(yōu)勢(shì)。
分析原因可能是投加量較低時(shí)混凝劑在水中難以形成絮體，或形成的絮體很小，密度與水接近而難以沉降，故出水濁度較高甚至增大;隨著投加量的增加，絮體越來越大且密實(shí)，沉降速度明顯加快，出水濁度逐漸降低;但投加量達(dá)到一定程度后，水樣原有濁度已基本去除，增大投藥量將引入新的濁度，絮體重新穩(wěn)定而難以沉降[8]。
2.1.2 混凝劑投加量對(duì)陰離子的影響
Cl-、SO42-的積累對(duì)鐵腐蝕有較大影響，高Cl-、SO42-含量會(huì)加劇金屬管道表面的垢下腐蝕和點(diǎn)蝕，嚴(yán)重的可造成管道穿孔[9]。
因此優(yōu)化混凝工藝以控制再生水中的Cl-、SO42-，對(duì)控制再生水管網(wǎng)腐蝕至關(guān)重要。考察了混凝劑投加量與Cl-、SO42-、HCO3-的濃度關(guān)系，如圖2所示。圖2(a)表明，混凝劑投加量在2~12 mg/L時(shí)，隨著混凝劑的增加，Cl-逐漸降低，其中鋁鹽混凝劑對(duì)Cl-的去除效果較鐵鹽混凝劑要好。Al2(SO4)3、PAC投加量為12 mg/L時(shí)，Cl-分別為105.07、103.74 mg/L，去除率分別達(dá)28.99%、29.89%。鐵鹽混凝劑處理后Cl-較高，尤其是FeCl3水解產(chǎn)生的Cl-被引入水樣，導(dǎo)致水樣中Cl-增高，從而引起拉森指數(shù)升高，可能加劇管道腐蝕。總體來看，隨著混凝劑投加量的增加，Cl-呈現(xiàn)先迅速降低后平穩(wěn)或增加的趨勢(shì)。
?
?圖2 混凝劑投加量與離子濃度的關(guān)系
圖2(b)表明，隨著混凝劑投加量的增加，SO42-逐漸降低，混凝劑投加量在12 mg/L時(shí)Al2(SO4)3、FeCl3、PAC處理后水樣的SO42-出現(xiàn)1個(gè)低值，由于硫酸鋁混凝劑使用過程中會(huì)引入SO42-，因此硫酸鋁對(duì)SO42-的處理效果較其他混凝劑差。隨著混凝劑投加量的繼續(xù)增加，SO42-出現(xiàn)反彈。由圖2(c)可以看出，Al2(SO4)3處理后水樣的HCO3-較高。總體來看，除鋁鹽外3種鐵鹽混凝劑處理后水樣的HCO3-變化趨勢(shì)相同。
比較圖2(a)、(b)可以看出，混凝劑投加量與Cl-、SO42-濃度的關(guān)系呈現(xiàn)相同變化趨勢(shì)，即隨著混凝劑投加量的增加，2種離子均呈現(xiàn)出先降低后逐漸升高的趨勢(shì);在適宜投加量下，2種離子的濃度均較低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能與混凝劑的機(jī)理有關(guān)。
混凝劑用量低時(shí)主要作用機(jī)理是電性中和、吸附架橋，此時(shí)可獲得較好的混凝效果;當(dāng)混凝劑投加量較高時(shí)，作用機(jī)理主要為吸附架橋、網(wǎng)捕卷掃。由于Cl-、SO42-帶負(fù)電，投加混凝劑后提供了大量正電荷與負(fù)電離子發(fā)生電性中和，有利于離子的去除，但投加量過大時(shí)，混凝劑與已形成的絮體帶有同種性質(zhì)的電荷，使絮體重新穩(wěn)定而難以沉降，且混凝劑水解過程中又會(huì)引入新的離子，從而形成再穩(wěn)或濃度上升現(xiàn)象。
2.1.3 混凝劑投加量對(duì)拉森指數(shù)的影響
考察了混凝劑投加量與拉森指數(shù)的關(guān)系，見圖3。
?圖3 混凝劑投加量與拉森指數(shù)的關(guān)系
由圖3可以看出，鋁鹽混凝劑的處理效果明顯優(yōu)于鐵鹽混凝劑，PAC投加量為12 mg/L時(shí)，拉森指數(shù)為0.999，明顯低于再生水廠混凝沉淀出水的拉森指數(shù)(LR=1.436)。應(yīng)用3種鐵鹽混凝劑時(shí)拉森指數(shù)較大，可能對(duì)管道產(chǎn)生較嚴(yán)重的腐蝕。在此基礎(chǔ)上對(duì)2種鋁鹽混凝劑進(jìn)行對(duì)比研究。
2.1.4 混凝劑投加量與絮凝指數(shù)的關(guān)系
智能光散射分析儀(iPDA)可通過光學(xué)方法在線監(jiān)測(cè)絮體生成情況，其輸出的R值能準(zhǔn)確反映顆粒的絮凝性能，通常稱為絮凝指數(shù)(FI)[10]。M. A.Yukselen等[11]指出，F(xiàn)I是反映絮體大小和數(shù)量的重要指標(biāo)，F(xiàn)I隨絮體的增大而增大。通過FI可分析水力條件變化時(shí)絮體尺寸的相對(duì)變化情況，能提供絮體增長、破碎、恢復(fù)的相關(guān)指示[12]，且能對(duì)比不同絮凝劑和不同剪切條件下的絮凝效果。采用iPDA在線監(jiān)測(cè) FI的變化，每隔 2 s采集1次數(shù)據(jù)。混凝劑選用PAC和Al2(SO4)3，比較2種混凝劑在相同投加量下的絮凝效果，并對(duì)比其FI。
PAC投加量為12 mg/L條件下，攪拌一開始FI即增大，表明絮凝隨之開始;快速攪拌結(jié)束前(50～60 s)FI急劇上升，表明微小絮體迅速長大，之后逐漸穩(wěn)定;慢速攪拌時(shí)FI有所上升，表明顆粒聚集度進(jìn)一步增大;隨著攪拌時(shí)間的延長FI呈穩(wěn)定趨勢(shì)，表明顆粒聚集度有所下降;停止攪拌絮凝結(jié)束后，F(xiàn)I呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，表明絮體逐漸沉淀。在Al2(SO4)3投加量為12 mg/L條件下，F(xiàn)I變化無明顯規(guī)律，表明微小絮體并未結(jié)合成較大絮體，比較松散，不易沉降。對(duì)比可知PAC混凝劑的FI明顯高于Al2(SO4)3，說明投加PAC后微小絮體能夠快速聚集形成較大絮體，易于沉降，有助于水中污染物的去除，因此PAC作為混凝劑更具優(yōu)勢(shì)。
2.2 PAC最佳運(yùn)行參數(shù)的確定
2.2.1 最佳投加量
絮體破碎是混凝處理或輸送過程中常發(fā)生的現(xiàn)象，絮體破碎后會(huì)影響固液分離和后續(xù)處理效果[13]。絮體破碎主要包括破裂與破損2種形式，前者是指較大絮體斷裂成多個(gè)尺寸相近的小絮體，不會(huì)增加水體中的顆粒濃度，后者是指絮體表面微小顆粒的脫落，從而導(dǎo)致絮體粒徑的減小以及水體中微小顆粒的增加[14]。絮體破碎的程度主要取決于原水水質(zhì)、水力條件、混凝劑種類及投加量等。破碎后的絮體在較小的水力條件下具有一定恢復(fù)能力，其恢復(fù)程度與絮體形成機(jī)理有關(guān)[15]。
鑒于混凝劑投加量對(duì)絮體破碎再絮凝程度有一定影響，因此分別投加10、12、14 mg/L PAC，借助絮體破碎再絮凝過程來確定混凝劑的最佳投加量。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，PAC投加量為12 mg/L時(shí)，絮體生長平衡后的d50與破碎后再生長平衡后的d50較大，表明此投加量下絮體能很好地結(jié)合在一起，絮體更穩(wěn)定，平均粒徑更大，有助于絮體沉降，且破碎再絮凝后的絮體也較大，表明絮體恢復(fù)能力較強(qiáng)，出水水質(zhì)更好。綜上表明最佳混凝劑為PAC，最佳投加量為12 mg/L，此條件下形成的絮體較密實(shí)且易沉降，計(jì)算得出拉森指數(shù)<1，對(duì)管網(wǎng)的腐蝕傾向較小。
2.2.2 攪拌時(shí)間與攪拌強(qiáng)度的影響
投加混凝劑后，過低的攪拌強(qiáng)度不利于混凝劑的均勻分散及與顆粒物的充分接觸;攪拌強(qiáng)度過高則容易將大顆粒固體攪碎成小顆粒，同樣降低混凝效果。攪拌時(shí)間短，混凝劑與水中顆粒物的作用不夠充分，不利于捕集膠體顆粒，且混凝劑分布也不均勻;攪拌時(shí)間過長又容易將已形成的絮狀物攪碎，使其懸浮于水中，導(dǎo)致混凝效果下降。為保證混凝沉淀的效果，采用正交試驗(yàn)，通過監(jiān)測(cè)水中濁度、Cl-、SO42-、HCO3-等來確定最佳運(yùn)行工況，試驗(yàn)結(jié)果表明快速攪拌300 r/min、轉(zhuǎn)動(dòng)60 s、慢速攪拌60 r/min、轉(zhuǎn)動(dòng)15 min時(shí)，出水濁度較低，拉森指數(shù)也較低。
2.2.3 沉淀時(shí)間的影響
沉淀時(shí)間對(duì)混凝效果影響不大，當(dāng)沉淀超過一定時(shí)間后混凝效果已趨于穩(wěn)定，繼續(xù)延長沉淀時(shí)間對(duì)混凝效果意義不大。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定沉淀30 min時(shí)出水各指標(biāo)已基本穩(wěn)定，因此確定最佳沉淀時(shí)間為30 min。通過實(shí)驗(yàn)篩選出最佳混凝劑為PAC，最佳投加量為12 mg/L，為達(dá)到最佳處理效果可采用的水力參數(shù)為：快攪60 s、速度300 r/min，慢攪15 min、速度60 r/min，沉淀時(shí)間為30 min。
2.3 混凝優(yōu)化效果與分析
在上述最佳工況下對(duì)再生水廠原水進(jìn)行處理，并與原水廠工藝進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖4。
圖4 優(yōu)化后工藝與原水廠工藝的比較
圖4表明，優(yōu)化后工藝對(duì)Cl-、SO42-、COD、濁度的去除率均大幅增加，處理后COD降至24.32 mg/L，去除率達(dá)55.58%，濁度為0.24 NTU，去除率為80.08%。由于混凝沉淀是物理處理過程，對(duì)陰離子的去除能力有限，但Cl-、SO42-去除率也有所增加，分別達(dá)到31.95%、29.78%。HCO3-去除率下降，但本實(shí)驗(yàn)中HCO3-在一定范圍內(nèi)濃度較高，理論上計(jì)算拉森指數(shù)將減小，有利于管網(wǎng)腐蝕的控制。具體參見污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1)PAC、Al2(SO4)3、FeCl3、PSAF對(duì)濁度去除率隨投加量的增加呈現(xiàn)先升高后趨于平穩(wěn)或降低的趨勢(shì)。鋁鹽對(duì)再生水中濁度的去除率明顯高于鐵鹽，在投加量<14 mg/L情況下PAC處理水樣濁度有明顯優(yōu)勢(shì)，PAC投加量為12 mgL時(shí)濁度去除率達(dá)72.48%。
(2)隨著混凝劑投加量的增加，Cl-、SO42-呈現(xiàn)先降低后平穩(wěn)或增加的趨勢(shì)。綜合分析Cl-、SO42-、HCO3-以及拉森指數(shù)可知，PAC、Al2(SO4)3這2種鋁鹽混凝劑的處理效果較好，投加量較低且拉森指數(shù)較小，有助于減輕管網(wǎng)腐蝕傾向。
(3)PAC投加量為12 mg/L時(shí)，絮凝指數(shù)隨時(shí)間增加呈先快速增加后逐漸降低的趨勢(shì)，說明絮體有明顯增大的過程，絮體粒徑大，結(jié)合微小絮體多，易于沉降，破碎再絮凝后的絮體也較大，表明絮體恢復(fù)能力較強(qiáng)，出水濁度較低。硫酸鋁形成的絮體松散，不易沉降。PAC投加量為12 mg/L時(shí)可增大絮體尺寸，能有效控制出水水質(zhì)。
(4)經(jīng)比選，再生水常規(guī)處理的最佳混凝劑為PAC，最佳投藥量為12 mg/L，最佳運(yùn)行工況為：快速攪拌60 s、速度300 r/min，慢速攪拌15 min、速度60 r/min，沉淀時(shí)間30 min。在此工況下運(yùn)行，再生水廠沉淀出水的拉森指數(shù)理論值為0.999，顯著低于再生水廠原工藝出水的拉森指數(shù)(1.436)，該運(yùn)行工況能有效控制管網(wǎng)腐蝕，減小后續(xù)工藝壓力。
