水厂去除藻类与锰的一种实用工艺

摘  要：美国Evitts Creek水厂在经历藻类及溶解性锰的困扰后最终选择Clari-DAF工艺有效解决了此问题。试验表明，Clari-DAF工艺对于低密度固体的去除效果显著，有效降低浊度、色度及不溶性铁、锰化合物。该工艺占地面积小，运行维护简单方便，在目前越来越多的以微污染水作为水源水的大环境下，Clari-DAF工艺具有广阔的发展前景。

关键词：溶气气浮；藻；锰；给水厂

引言

Evitts Creek 水厂位于宾夕法尼亚州边界地区，靠近马里兰州，由马里兰州坎伯兰市所有并负责经营。该厂为坎伯兰市及其它位于马里兰州、西维吉尼亚和宾夕法尼亚州周边的社区提供饮用水，并由马里兰州和宾夕法尼亚州共同负责监管。该水厂的水源地Koon 湖的容量为22 亿加仑（约1001万 m³），可为取水口所在的Gordon 湖水库提供13 亿加仑(约592万m³)的原水。

水厂现状

该水厂初始设计流量为1200 万加仑（5.46万m³），处理工艺包括快速混合、上流澄清池、滤池、清水池、接触池以及污泥脱水用的真空干化床。水厂平均流量为900 万加仑（4.10万m³），峰值达1300 万加仑（5.92万m³）。进水浊度平均为3 NTU，水中可溶锰浓度平均为0.1 mg/L ，峰值为0.172 mg/L 。在进水口定期投加高锰酸钾(KMnO4)来控制嗅味，并将可溶性的锰氧化并在水处理工艺的澄清阶段去除。同时，水厂需投加澄清所需的无机絮凝剂和聚合物、控制腐蚀的苛性碱，用于消毒的氟化物、氯以及用来生成氯胺的氨水，以保证整个大型配水管网系统水中的剩余消毒剂余量。

1998年，除出现可溶锰问题外，周围森林覆盖率的减少和农业泾流的不断增加，导致夏季几个月水中的藻类爆发，水出现异味和恶臭，滤池运行时间缩短，并由于锰问题，到用户家中的配水系统的水发生变色和污染。

通过调查研究各种替代性澄清技术后，该市的顾问工程师推荐安装一台压力溶气气浮(DAF) 澄清系统来替换5个滤池，一方面解决藻类增加问题，另一方面提高对锰的去除能力。

Clari-DAF系统工作原理

在DAF工艺中，原水中的颗粒物发生絮凝，并通过气浮上升到水体表面而从水中分离，而非将之沉淀到池底。该工艺通过接触反应池底部的曝气头释放微小气泡使絮状物浮上来。通过池子的部分出流水已经充有空气并呈饱和状态，气泡就是通过这部分水的循环而产生，然后降至环境气压以产生加压水流。池顶浮泥通过机械或水力的方法去除，而澄清好的水则通过池底两侧被排出。

DAF 技术对去除低密度固体特别有效，如浊度、色度、藻类和沉淀铁及/或锰。这些污染物都不会完全沉淀，容易上浮或停留在水中。由于微粒通过气浮而非沉淀来去除，絮凝和澄清的停留时间比传统处理更少。通过气浮去除的微粒可小至几十微米，而非沉淀所需的几百微米的最小微粒尺寸。此外，DAF技术还可应对絮凝化学优化后温度和水质的迅速变化。

图1  DAF 工艺示意图

Fig 1  The diagram of DAF process

水厂改造前后效果对比

1999年夏天，该厂引入了一台先进的Leopold DAF 移动试验设备，用于确定工艺有效性并开发设计标准。通过6 周的试验性研究，无机絮凝剂剂量优化为15～20 mg/L，可以达到7 gpm/ft²（4.75 L/sec•m²） 的运行负荷，有效循环流量为7.8%。这次DAF 试验表明，DAF 系统可有效去除藻类和锰，同时生成的适应滤池负荷的稳定水质，从而最大化反冲洗之间的滤池运行时间。系统还将产生2%-5%的浮泥，减少需处理的污泥产量以及进一步的处理工艺如污泥颗粒的脱水外运的成本。此外，由于更小的占地面积，因此同等水处理设施预计可提高36%的处理能力，相当于该新型设备在同样大小的区域最终能够处理1500 万加仑（6.83万m³）的水。

图2  DAF 现场安装图

Fig 2  DAF system installation

在对这一成功的试验研究进行评估并参观了当前安装的几个压力溶气气浮系统后，坎伯兰的官员们确信，压力溶气气浮系统是Evitts Creek 水厂处理方案的最佳选择。2002年6月，一支由设备供应商、当地的承包商及工程公司组成的该市的设计/建设队伍完成了最终的设计和安装。工程提前完成，费用也控制在预算以内。该工程包括三套DAF 系统(每套按5 百万加仑设计)，每个都带有两个絮凝池，池体尺寸为32’×22’×10’（9.76m×6.71m×3.05m）（长×宽×深），并安装了全部所需的泵，饱和罐及控制装置。此外，还将现有的滤池替换为Type S®滤砖 、I.M.S. ® (整体滤料支撑) 滤帽 、反冲洗槽、砂和无烟煤滤料及三滤料控制柜来提供滤池操作和反冲洗顺序自动控制和监控。同时，新的过滤系统还增加了空气反冲洗的程序。

系统启动前，公用设施部门为蓄水池增加了曝气系统，帮助锰氧化，以便锰沉淀后在DAF 工艺中轻松去除。曝气减少了KMnO4 的添加，从每年9 个月减至每年夏季的短短几周。无机絮凝剂的剂量也已降至8 ～15 mg/L 。当然，这个削减既归功于操作人员技术经验的不断增加，同时，也是由于DAF 通过气浮去除小直径微粒比澄清池的沉淀更有效。

DAF 出水的浊度保持在0.2 NTU 以下，并且滤池运行时间比宾夕法尼亚州最多72 小时的建议时间更长。此前使用上流澄清池时，反冲洗周期之间的滤池运行时间为24 小时。臭味问题已经解决，最终出水中可溶性锰的含量低于0.02 mg/L 。这一工艺至少可去除进入水中的85%的藻类。

使用目前水厂的设计及900 万加仑（4.10万m³）的平均流量，DAF 单元的负荷率为3.6 gpm/ft²（2.44 L/sec•m²），加压回流量为10%，同时仍可保持去除浊度、藻类和颗粒锰。

采用DAF 的巨大好处之一是悬浮污泥中的固体含量较高。随着固体离开DAF 单元的顶部，为了便于泵送，污泥被稀释到了2%的浓度，然后被送到替代了真空干化床的带式压滤机上。采用阴离子聚合物作为污泥添加剂的带式压滤机可生成含固量达16% 至22% 的泥饼。这要比只生成5%的污泥块并需要使用锯屑填充并将之运至垃圾填埋厂进行处理的干化床更好。而且，带式压滤机可在10～14小时•人内处理堆积一周的污泥，之前的干化床则需要48～60小时•人。这将降低总体的污泥处理处置成本高达60% 以上。

下表比较了Evitts Creek 水厂两种澄清工艺的实际效果。

表1  Evitts Creek 水厂两种澄清工艺的实际效果比较

Tab 1  Comparison of the actual performance that has been achieved with the two clarification processes at the Evitts Creek Treatment plant

现在，DAF 系统的出水水质和滤池的运行时间均超过预期水平。且无需进行过多的DAF单元维护，运行要求也不高，这样，工厂操作人员有额外的时间完成更多任务。

结论

Clari-DAF工艺可以有效去除低密度颗粒，对于含溶解性锰及藻类较多的水源水有高效的处理效果。可以显著降低出水浊度和锰含量，大幅度延长滤池反冲洗周期之间的运行时间。维护简单，运行方便，在目前原水水质原来越恶化的环境下该工艺具有广泛的应用前景。