再生水回用倍受關注的問題之一就是輸配過程中管網的腐蝕，管網腐蝕的程度、種類與再生水處理工藝及出水水質直接相關。因此需從根源上優化再生水處理工藝，控制再生水管網腐蝕[1]。國際上常用拉森指數{LR，LR=([Cl-]+2[SO42-])/[HCO3-]}來衡量鐵管的腐蝕性。LR考慮了Cl-和SO42-等無機陰離子對腐蝕的影響[2]，LR越低，水的腐蝕性越小。Lason認為LR在 0.2～0.3 以下時，對鐵管的腐蝕性較小。D. T. Merrill等[3]認為LR<0.5屬于可接受范圍，王洋等認為拉森指數>1時水具有嚴重的腐蝕性，Cl-、SO42-對腐蝕影響較大[4]。然而現階段再生水的拉森指數往往>1，出水有嚴重的腐蝕傾向，尤其是傳統的再生水處理工藝很難有效去除Cl-、SO42-等陰離子，因此優化傳統再生水處理工藝，控制拉森指數，進而控制再生水管網腐蝕是至關重要的。混凝是傳統再生水處理工藝的關鍵環節之一，混凝效果直接影響后續流程的運行工況及最終出水水質[5]。筆者以控制城市再生水的輸配水管線腐蝕為目標，從混凝劑種類、投加量出發，調節并確定混凝過程的最佳運行工況，以降低腐蝕性離子含量，控制拉森指數，減輕管網腐蝕。
1 實驗材料與方法
1.1 原水水質
實驗水樣為某再生水廠原水，即污水處理廠二級出水，再生水廠采用常規處理工藝，其處理單元水質如表1所示。
1.2 材料與方法
混凝是控制配水管網腐蝕的重要環節之一[6]。混凝效果的好壞直接影響后續工藝的運行工況、出水水質以及處理成本[7]。傳統的再生水處理工藝常用的無機混凝劑以鋁鹽、鐵鹽為主。實驗對聚合氯化鋁(PAC)、聚硅酸鋁鐵(PSAF)、聚合硫酸鐵(SPFS)、三氯化鐵(FeCl3)、硫酸鋁[Al2(SO4)3]進行了篩選，選擇最佳混凝劑及最佳投加量。混凝劑規格如表2所示。
混凝靜態試驗采用ZR4-6型六聯混凝試驗攪拌機(深圳市中潤水工業技術發展有限公司)，攪拌機設置參數為快速300 r/min，轉動1 min，慢速60r/min，轉動15 min，靜沉30 min。測定上層清液的濁度、Cl-、SO42-、HCO3-等，其中Cl-、SO42-采用CM-05多參數水質測定儀(北京雙暉京承電子產品有限公司)測定，HCO3-采用中和滴定法測定。
2 結果與討論
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系，如圖1所示。
圖1 混凝劑投加量對濁度去除率的影響
圖1表明，SPFS對濁度的去除效果較差，其投加量較低時還會引起濁度增加;混凝劑投加量為0~12 mg/L時，PAC、Al2(SO4)3、PSAF、FeCl3對濁度的去除率呈逐步升高的趨勢;投加量為12 mg/L時，PAC對濁度的去除率最高，為72.48%，此時濁度最低為0.28 NTU;繼續增大投加量，PAC對濁度的去除率下降，水樣濁度迅速上升，而Al2(SO4)3、PSAF、FeCl3對濁度的去除率呈穩定趨勢，變化幅度很小;混凝劑>30 mg/L時，PAC、Al2(SO4)3、PSAF、FeCl3這4種混凝劑對濁度的去除效果均變差，去除率快速下降。總體來看，上述4種混凝劑對濁度的去除率隨投加量的增加呈現先升高后趨于平穩或降低的趨勢。低投加量下PAC降低水樣濁度有明顯優勢。
分析原因可能是投加量較低時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，沉降速度明顯加快，出水濁度逐漸降低;但投加量達到一定程度后，水樣原有濁度已基本去除，增大投藥量將引入新的濁度，絮體重新穩定而難以沉降[8]。
2.1.2 混凝劑投加量對陰離子的影響
Cl-、SO42-的積累對鐵腐蝕有較大影響，高Cl-、SO42-含量會加劇金屬管道表面的垢下腐蝕和點蝕，嚴重的可造成管道穿孔[9]。
因此優化混凝工藝以控制再生水中的Cl-、SO42-，對控制再生水管網腐蝕至關重要。考察了混凝劑投加量與Cl-、SO42-、HCO3-的濃度關系，如圖2所示。圖2(a)表明，混凝劑投加量在2~12 mg/L時，隨著混凝劑的增加，Cl-逐漸降低，其中鋁鹽混凝劑對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，Cl-分別為105.07、103.74 mg/L，去除率分別達28.99%、29.89%。鐵鹽混凝劑處理后Cl-較高，尤其是FeCl3水解產生的Cl-被引入水樣，導致水樣中Cl-增高，從而引起拉森指數升高，可能加劇管道腐蝕。總體來看，隨著混凝劑投加量的增加，Cl-呈現先迅速降低后平穩或增加的趨勢。
圖2 混凝劑投加量與離子濃度的關系
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Al2(SO4)3、FeCl3、PAC處理后水樣的SO42-出現1個低值，由于硫酸鋁混凝劑使用過程中會引入SO42-，因此硫酸鋁對SO42-的處理效果較其他混凝劑差。隨著混凝劑投加量的繼續增加，SO42-出現反彈。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-濃度的關系呈現相同變化趨勢，即隨著混凝劑投加量的增加，2種離子均呈現出先降低后逐漸升高的趨勢;在適宜投加量下，2種離子的濃度均較低。產生這種現象的原因可能與混凝劑的機理有關。
混凝劑用量低時主要作用機理是電性中和、吸附架橋，此時可獲得較好的混凝效果;當混凝劑投加量較高時，作用機理主要為吸附架橋、網捕卷掃。由于Cl-、SO42-帶負電，投加混凝劑后提供了大量正電荷與負電離子發生電性中和，有利于離子的去除，但投加量過大時，混凝劑與已形成的絮體帶有同種性質的電荷，使絮體重新穩定而難以沉降，且混凝劑水解過程中又會引入新的離子，從而形成再穩或濃度上升現象。
2.1.3 混凝劑投加量對拉森指數的影響
考察了混凝劑投加量與拉森指數的關系，見圖3。
圖3 混凝劑投加量與拉森指數的關系
由圖3可以看出，鋁鹽混凝劑的處理效果明顯優于鐵鹽混凝劑，PAC投加量為12 mg/L時，拉森指數為0.999，明顯低于再生水廠混凝沉淀出水的拉森指數(LR=1.436)。應用3種鐵鹽混凝劑時拉森指數較大，可能對管道產生較嚴重的腐蝕。在此基礎上對2種鋁鹽混凝劑進行對比研究。
2.1.4 混凝劑投加量與絮凝指數的關系
智能光散射分析儀(iPDA)可通過光學方法在線監測絮體生成情況，其輸出的R值能準確反映顆粒的絮凝性能，通常稱為絮凝指數(FI)[10]。M. A.Yukselen等[11]指出，FI是反映絮體大小和數量的重要指標，FI隨絮體的增大而增大。通過FI可分析水力條件變化時絮體尺寸的相對變化情況，能提供絮體增長、破碎、恢復的相關指示[12]，且能對比不同絮凝劑和不同剪切條件下的絮凝效果。采用iPDA在線監測 FI的變化，每隔 2 s采集1次數據。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，之后逐漸穩定;慢速攪拌時FI有所上升，表明顆粒聚集度進一步增大;隨著攪拌時間的延長FI呈穩定趨勢，表明顆粒聚集度有所下降;停止攪拌絮凝結束后，FI呈現逐漸降低的趨勢，表明絮體逐漸沉淀。在Al2(SO4)3投加量為12 mg/L條件下，FI變化無明顯規律，表明微小絮體并未結合成較大絮體，比較松散，不易沉降。對比可知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作為混凝劑更具優勢。
2.2 PAC最佳運行參數的確定
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生的現象，絮體破碎后會影響固液分離和后續處理效果[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尺寸相近的小絮體，不會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、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能力，其恢復程度與絮體形成機理有關[15]。
鑒于混凝劑投加量對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。由實驗結果可知，PAC投加量為12 mg/L時，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合在一起，絮體更穩定，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，表明絮體恢復能力較強，出水水質更好。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且易沉降，計算得出拉森指數<1，對管網的腐蝕傾向較小。
2.2.2 攪拌時間與攪拌強度的影響
投加混凝劑后，過低的攪拌強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;攪拌時間過長又容易將已形成的絮狀物攪碎，使其懸浮于水中，導致混凝效果下降。為保證混凝沉淀的效果，采用正交試驗，通過監測水中濁度、Cl-、SO42-、HCO3-等來確定最佳運行工況，試驗結果表明快速攪拌300 r/min、轉動60 s、慢速攪拌60 r/min、轉動15 min時，出水濁度較低，拉森指數也較低。
2.2.3 沉淀時間的影響
沉淀時間對混凝效果影響不大，當沉淀超過一定時間后混凝效果已趨于穩定，繼續延長沉淀時間對混凝效果意義不大。經過實驗確定沉淀30 min時出水各指標已基本穩定，因此確定最佳沉淀時間為30 min。通過實驗篩選出最佳混凝劑為PAC，最佳投加量為12 mg/L，為達到最佳處理效果可采用的水力參數為：快攪60 s、速度300 r/min，慢攪15 min、速度60 r/min，沉淀時間為30 min。
2.3 混凝優化效果與分析
在上述最佳工況下對再生水廠原水進行處理，并與原水廠工藝進行對比，結果見圖4。
圖4 優化后工藝與原水廠工藝的比較
圖4表明，優化后工藝對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，對陰離子的去除能力有限，但Cl-、SO42-去除率也有所增加，分別達到31.95%、29.78%。HCO3-去除率下降，但本實驗中HCO3-在一定范圍內濃度較高，理論上計算拉森指數將減小，有利于管網腐蝕的控制。具體參見http://m.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
3 結論
(1)PAC、Al2(SO4)3、FeCl3、PSAF對濁度去除率隨投加量的增加呈現先升高后趨于平穩或降低的趨勢。鋁鹽對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勢，PAC投加量為12 mgL時濁度去除率達72.48%。
(2)隨著混凝劑投加量的增加，Cl-、SO42-呈現先降低后平穩或增加的趨勢。綜合分析Cl-、SO42-、HCO3-以及拉森指數可知，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較小，有助于減輕管網腐蝕傾向。
(3)PAC投加量為12 mg/L時，絮凝指數隨時間增加呈先快速增加后逐漸降低的趨勢，說明絮體有明顯增大的過程，絮體粒徑大，結合微小絮體多，易于沉降，破碎再絮凝后的絮體也較大，表明絮體恢復能力較強，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時可增大絮體尺寸，能有效控制出水水質。
(4)經比選，再生水常規處理的最佳混凝劑為PAC，最佳投藥量為12 mg/L，最佳運行工況為：快速攪拌60 s、速度300 r/min，慢速攪拌15 min、速度60 r/min，沉淀時間30 min。在此工況下運行，再生水廠沉淀出水的拉森指數理論值為0.999，顯著低于再生水廠原工藝出水的拉森指數(1.436)，該運行工況能有效控制管網腐蝕，減小后續工藝壓力。
