无机高分子絮凝剂的微絮凝—深床直接过滤净水处理工艺 本发明专利涉及一种适合于无机高分子絮凝剂高效絮凝反应特点的微絮凝一深床直接过滤工艺，该工艺适用于城镇饮用水、工业给水或废水回用深度处理领域，特别适用于以湖泊、水库的低温、地浊，富藻高色水质作为饮用源水的中小城镇净水处理。
随着当前社会经济的高速发展，人民生活水平与质量的提高，人民对饮用水质量问题倍加关注，各国饮用水水质标准也趋于更严格，更规范。因此，安全、卫生的饮用水净化处理已成为当今国内外水处理领域研究的重点及热门课题。
然而，由于当前工农业废水的大量排放，已导致河流水质污染问题日趋严重，饮用水源水质微污染状况日趋严重，尤其城镇中、小河流已成为当地工业废水及生活污水的纳污地。因此，水库、湖泊水质已成为当今世界范围内重要饮用水源地。然而，水库、湖泊的低温低浊、低色、富藻水质的净化处理又成为当前给水处理的重点及难点之一。
传统给水净化处理工艺在处理这类水质时的主要问题在于，由于水中颗粒数目少、碰撞效率低而导致去除效果差。因此，需要在混凝处理工况，通过投加粘土颗粒或增加混凝剂剂量来增强颗粒碰撞几率，这不仅显著增加了药剂费用，同时也导致污泥量增加，继而增加了后续工艺负荷。同时，传统过滤工况的滤床较浅、滤料粒径小，从而导致了截污量小、运行周期短、产水率低等诸多问题。使用双层滤料或多层滤料可以提高截污量和滤速，但存在反冲洗困难，容易混层等缺点。此外，由于传统凝聚剂反应速度慢且对源水化学条件较敏感，絮凝净化效能低，这一切不仅造成现有水厂处理过程不畅，絮体上浮，滤池堵塞，处理费用显著增加，而且还导致水质超标，产水率下降等一系列问题。
早在70年代，美国Wisner等人研究证明，直接过滤对此类水质净化处理效果较好，而且可省去了传统工艺中的絮凝反应与沉淀澄清步骤，明显节省基建投资；且在合适水力条件下，可显著节省药剂投加量，延长过滤周期，减少污泥负荷，因而可显著节省操作运行费用。目前直接过滤工艺在美国、法国、澳大利亚等发达国家已得到较多的应用，尽管目前国内外都在研究开发直接过滤工艺技术，也有许多文献报道，但国外直接过滤工艺均采用传统硫酸铝或氯化铁作为凝聚剂，同时还需辅助阳离子型高分子絮凝剂，并以非离子型高分子絮凝剂作为过滤助剂。工艺过程较为复杂，投药品种多而控制难，且存在有机高分子潜在毒性问题，因此不适合我国给水净化处理。国内曾报道直接过滤工艺，滤床填充滤料深度一般仅现于1.2-2.0m，所用滤料粒径均在1.2-1.8mm，滤速也仅为10-12m，因此其处理效果不甚显著。
本发明目的在于提供一种适合于无机高分子絮凝剂高效絮凝反应特点地微絮凝—深床直接过滤净水工艺，它适用于低温、低浊、低色，富藻及有机物微污染的水库或湖泊水质，以及工业给水深度处理，含油废水、城市污水回用深度处理。该工艺也可用于现有传统过滤工艺的技术改造。该工艺具有处理水质好，运行周期长，产水率大，运行稳定，并且可显著节省基建费和降低药剂运行费，适用自动控制等优点。
本发明工艺流程是：被处理水与无机高分子絮凝剂通过在线管式混合器或机械搅拌槽短暂混合反应后(1-3分钟)，直接进入深床滤池进行净化处理。本发明主要特点在于：
1.它依据无机高分子絮凝剂(聚合氯化铝，聚合氯化铁，聚合硅铝)中的多羟基聚合络离子与水中胶体颗粒的强烈吸附/电中和凝聚脱稳，投加水中后即可迅速发生吸附凝聚脱稳而快速形成微絮体颗粒的特点，依据源水水质条件而通过计量泵与流动电流严格控制无机高分子絮凝剂的投加剂量，保证原水中杂质颗粒与絮凝剂发生强烈的电中和/吸附凝聚脱稳最佳投加剂量。
2.采用管式在线混合器，管式混合的水力条件控制为1-3分钟，保证投药后的原水进入滤池前只产生微絮凝矾花(粒径范围在50-100μm弱正电性的微絮体颗粒)，矾花增长和沉降过程在滤层中完成。因此滤池的截污分布均匀，有效深度大，同时省去传统工艺中的混合池和反应池，节省基建投资。
3.根据吸附在水中胶体颗粒表面上的无机高分子絮凝剂具有强烈的粘附架桥的絮凝特点以及由于水动力紊流运动在超大滤料间形成的微涡旋作用，采用均质超大滤料。滤料平均粒径在2.0-4.0mm，不均匀系数为1.2～1.5。滤床深度在3-5米，滤料填充高度为1.5-3米。保证增加微矾花絮体颗粒间的碰撞几率以及粘附架桥能力而被有效拦截在滤料间隙中，从而保证料在出水水质优良条件下，滤池截污能力明显提高，运行周期和产水率显著增加，而絮凝剂投加量则显著减少。
本发明工艺技术试验流程系统如附图1所示，装置具体尺寸参数如下：滤柱高500cm，内径20cm，承托层20cm。无烟煤粒径范围为2.0-2.5mm和3.5-4.0mm，不均匀系数1.05-1.1。滤层填充高度为1米-2.5米。进水直接与水厂配水管路相连，承托层铺垫颗粒粒径16-32mm、8～16mm、4-8mm的卵石。设计处理量为1吨/小时，滤速为30米。
流程：源水由源水储槽经泵进入管式混合器，在管式混合器前由高精度电子蠕动计量泵控制加注絮凝剂剂量，经原水与絮凝剂经管式混合器混合1分钟后直接进入滤柱进行截污处理。出水浊度采在线浊度监测仪进行在线检测并记录。滤速控制在16～31m/h，水头损失穿透标准设定为220cm，水质穿透标准设定为浊度＜0.3NTU，色度＜0.5APHA，与国外水质标准一致。
下面通过实用实施例具体来说明本发明工艺净水处理之优点：应用实施例1：
原水浊度8.2～9.7NTU，色度为0～7.5APHA(铂钴比色法色度单位)，水温0～10℃，pH为6.8～7.1。采用无烟煤滤料，滤料粒径2.0～2.2mm，不均匀系数1.2，填料深度为2米。管式混合，停留时间2分钟，GT值为1200。初始滤速为20m/hr。最终滤速为18m/hr。絮凝剂采用聚合氯化铝(碱化度50～60％)和硫酸铝，投加量为0.75～1.0mg/L(以Al2O3计，下同)。净水处理对比效果见表1。应用实施例2：
原水浊度分别为7.5～8.5NTU，色度为30～50APHA(铂钴比色法色度单位)，水温为10～15℃，pH为7.2～7.5。采用石英砂滤料，粒径1.7～1.9mm，不均匀系数1.18，填充滤料深度为2米。管式加机械搅拌混合，停留时间2分钟，GT值为1400。初始滤速为2m/hr。最终滤速为18m/hr。絮凝剂为聚合氯化铁(碱化度15～24％)和三氯化铁，在相同投加量为3～6mg/L(以Al2O3计，下同)条件下。净水处理效果对比见表2。
表1、聚合铝絮凝剂与三氯化铝/硫酸铝凝聚剂
在微絮凝—深床直接过滤工艺中净水效果的对比 絮凝剂 投药 剂量 ( mg/l) 浊度(NTU) 进水 出水 色度(APHA)进水 出水 水温 ℃ 水头 损失 (cm/hr) 过滤 周期 (hr) 周期 产水率 (m3/m2)PAC-50 0.75 8.9 0.020.0 0.0 10 0.091 26 468AlCl3 0.75 8.9 0.270.0 0.0 10 0.107 8 145PAC-60 0.75 8.2 0.080.0 0.0 5 0.087 25 452AlCl3 1.25 8.2 0.320.0 0.0 5 0.097 14 252PAC-60 1.35 9.8 0.207.4 0.2 3 0.115 15 277AlCl3 1.35 9.8 1.27.4 2.7 3 0.191 7 126PAC-60 1.0 8.7 0.57.2 0.1 5 0.106 16 293AlSO4 2.55 8.7 0.57.2 0.5 5 0.153 5 75
表2、聚合氯化铁絮凝剂与三氯化铁凝聚剂
在微絮凝—深床直接过滤工艺中净水效果的对比 水头损失 (m/hr) 出水水质 (NTU) 出水水质 (色度) 运行周期(hr) 产水率 (m3/m2)1)原水水质 7.5-8.5NTU 30-35PFC-A 0.15 0.05 ＜3 19.5 270PFC-B 0.14 0.03 ＜3 20 280FeCl3 0.26 0.03 ＜3 11.5 1602)原水水质 50-60NTU 50PFC-A 0.21 0.12 ＜5 14.5 200PFC-B 0.23 0.10 ＜5 13.5 190FeCl3 0.32 0.05 ＜5 7.5 105
表1和表2的应用实例结果可见，在不同水质，相同或低于传统凝聚剂投加剂量条件下，无机高分子絮凝剂无论在运行周期，出水水质以及产水率方面均明显高于传统凝聚剂，表明本发明所述微絮凝—深床直接净水处理工艺完全适合于无机高分子絮凝剂的高效絮凝反应特点，具有显著的除浊除色净水效能。应用实施例3
为了更清楚地说明本发明工艺的实际净水处理之优点，本发明工艺系统在北京水源九厂导示试验厂进行长期(10个月)低浊水(1.8-3.0NTU)实际净水处理运行试验，并同时与该厂目前运行工艺系统进行了对比。。根据该水厂的常年水质浊度平均低于5NTU的情况，水厂实际运行试验进一步调整，采用超大无烟煤滤料，粒径3.5～4.0mm，当直径de＝3.8mm，不均匀系数1.05。滤层厚度为2～2.5m.。混合采用管式混合与机械搅拌混合，GT值1200～1500。典型运行试验对比结果分别见表3和表4。
表3、北京水厂实际运行净水处理结果编号 浊度(NTU) 滤床 床深 (m) 投药 剂量 (mg/l) 水头增 长速率 (cm/hr) 过滤 周期 (hr) 过滤 滤速 (m/h) 周期 产水率 (m3/m2) 反冲洗 用水率 (％) 进水 出水 1 1.50 0.20 2 0.4 5.62 25 32 775 0.86 2 1.83 0.21 2 0.48 4.47 34 25 867 1.09 3 1.76 0.2 2.5 0.4 4.57 96 16 1536 1.01 4 1.87 0.21 2.5 0.32 2.12 95 16 1520 1.12 5 2.53 0.15 2.5 0.48 5.67 74 16 1184 1.12 6 2.47 0.2 2.5 0.68 6.32 78 16 1242 1.05 7 2.52 0.6 2.5 0.4 7.35 68 24 1632 0.97 8 2.34 0.48 2.5 0.48 6.54 62 24 1440 1.07 9 1.67 0.13 2.5 0.48 7.14 28 31 868 0.89 10 1.38 0.18 2.5 0.4 3.24 71 24 1420 1.03表4、微絮凝—深床直接过滤工艺与水厂现有处理工艺的实际运行结果对比 工艺流程 过滤 滤速 (m/hr) 投药剂 量范围 (mg/L Al2O3) 周期 产水率 (m3/m2) 反冲洗 用水率 (％)水厂运行工艺系统混合池三级絮凝反应池斜板沉淀池无烟煤滤池碳滤池出水 7～8 0.6～0.8 336～384 1.5～1.6本发明的工艺系统混合池深床过滤 碳滤池出水 16～32 0.32～0.48 1200～1500 0.8～1.1
从表4对比结果可见，本发明净水工艺具有如下几方面优点：1)在工艺流程方面，本发明工艺流程省略了絮凝反应及沉淀过程，因此仅在工艺流程方面可直接节省工艺投资费近1/3。2)在产水率方面，现有水厂过滤池采用浅床结构，滤速为7-8m/hr，48小时进行反冲洗，而按目前本发明的微絮凝—深床直接过滤工艺滤速控制16m/hr，稳定运行高达80-96小时，滤速比现有传统工艺提高1倍，过滤周期也提高1倍，由此日产水率提高近4倍。仅此，水厂每年所得社会与经济效益是十分可观的。3)在药剂方面：目前使用B值60％的液体聚合铝絮凝剂，在床深为2.5m，滤速16m/h时，投药量仅为2mg/L(商业重量)，只是现有水厂处理工艺投药量的1/3-1/2，稳定运行达到80-96小时。按目前日处理水量100万吨的水厂计算药耗量计算，现每天用药量为4吨，按每吨液体PAC市售1600元计算，每天仅药剂费就可节省3200元，每年则可达116.8万元。4)出水水质方面：试验水质控制标准为0.3NTU，明显地提高水厂出水水质(现有水厂出水水质标准为＜1NTU)，使出水水质达到发达国家水厂处理标准。这对提高我国水厂安全饮用水质量，保障人民身体健康无疑具有重要的社会意义和显著的经济效益。