低溫、低濁、低堿度水助凝效能

　　根據(jù)低溫、低濁水的水質(zhì)特點(diǎn)〔1〕，凈水廠在既有土建基礎(chǔ)上，通常采用投加助凝劑的方法來(lái)減少混凝劑投加量和污泥量，提高沉淀效率，從而節(jié)約制水成本〔2〕。生石灰(CaO)、聚丙烯酰胺(PAM)、活化硅酸(AS)以及改性活化硅酸等常見(jiàn)助凝劑，已在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。CaO 可以促進(jìn)混凝劑水解，同時(shí)緩解因混凝造成的出水pH 降低，尤其對(duì)低堿度水的助凝作用甚為明顯。Mingquan Yan 等〔3〕認(rèn)為，利用 CaO/NaHCO3 調(diào)節(jié)原水堿度后，再配合低鹽基度聚合氯化鋁(PACl)處理低堿度水，可以大大提高對(duì)天然有機(jī)物和顆粒物的去除效果。王桂榮等〔4〕也認(rèn)為，調(diào)節(jié)原水堿度/pH 后，能改善聚合氯化鋁對(duì)低溫、低濁、低堿度水的混凝效能。APAM 和AS 對(duì)低溫、低濁水具有較強(qiáng)的助凝作用，大量研究表明〔5, 6, 7, 8, 9〕，其投加量和投加點(diǎn)對(duì)混凝效果影響較大，且助凝效果與混凝劑種類密切相關(guān)，但有關(guān)APAM 和AS 對(duì)低堿度水的助凝效果的報(bào)道較少。

　　本研究結(jié)合低溫、低濁、低堿度水的特點(diǎn)，以 PACl 為絮凝劑，對(duì)CaO、APAM 和AS 的單獨(dú)助凝條件進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)一步考察了APAM 和AS 分別與CaO 聯(lián)用的助凝效果，旨在找出適合低溫、低濁、低堿度水的助凝技術(shù)。

　　1 試驗(yàn)材料與方法

　　1.1 試驗(yàn)材料

　　天然膠體儲(chǔ)備液( 用深層泥土配制，濁度為 1 000 NTU); 聚合氯化鋁(PACl，Al2O3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 28%);生石灰儲(chǔ)備液(CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%);陰離子型聚丙烯酰胺(APAM，相對(duì)分子質(zhì)量500 萬(wàn)以上);活化硅酸(AS，活化度為80%，活化時(shí)間為1 h)。上述儲(chǔ)備液在4 ℃條件下保存。

　　將天然膠體儲(chǔ)備液、濾后生活污水和某城市自來(lái)水按體積比3∶5∶142 混合，冷凍保存24 h，模擬低溫、低濁、微污染地表水。模擬水水質(zhì)：溫度為3~ 5 ℃，堿度(以CaO 計(jì))為0.31~0.44 mmol/L，pH 為 6.92~7.18，濁度為9.98~11.50 NTU，CODMn 為3.25~ 3.47 mg/L，TOC 為3.41~3.68 mg/L。

　　1.2 試驗(yàn)方法

　　分別取若干個(gè)1 L 模擬水樣于2 L 燒杯中，將其置于ZR4-6 六聯(lián)攪拌機(jī)上，先以300 r/min 快速攪拌1 min;然后以120 r/min 中速攪拌1 min;再以 50 r/min 慢速攪拌15 min;最后靜置20 min，測(cè)定上清液濁度、CODMn 和TOC 等指標(biāo)。于300 r/min 快速混合階段投加3~18 mg/L 的PACl，以確定其最佳投加量;然后在不同的投加位置投加不同量的助凝劑，考察助凝劑的助凝效能，以此優(yōu)化助凝條件。

　　1.3 分析方法

　　pH 采用pHS-3C 型酸度計(jì)進(jìn)行測(cè)定;濁度采用 HACH2100P 濁度儀進(jìn)行測(cè)定;TOC 采用TOC 測(cè)定儀(Shimadzu，TOC-VCPN)進(jìn)行測(cè)定;堿度和CODMn 的測(cè)定參照《水和廢水檢測(cè)分析方法》。

　　2 結(jié)果與討論

　　單獨(dú)采用PACl 處理模擬低溫、低濁、微污染地表水的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)PACl 投加量為9 mg/L 時(shí)，出水濁度最小為3.67 NTU，濁度去除率為65.1%。此時(shí)，CODMn 和TOC 的去除率分別為16.3%和14.3%。同時(shí)觀察到生成的礬花松而細(xì)，而且凝聚緩慢。

　　2.1 CaO 投加量的確定

　　鋁離子的水解反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，水溫低則水解速度慢，投加適量的CaO 能加快水解反應(yīng)速率，也可以使PACl 水解產(chǎn)物形態(tài)更佳。PACl 投加量為9 mg/L，在PACl 之前30 s 投加0.25、0.5、1.0 mmol/L 的CaO，原水pH 分別調(diào)至7.5、8.0 和9.0 左右。CaO 投加量對(duì)混凝處理效果的影響如圖 1 所示。

　　圖 1 CaO 投加量對(duì)混凝處理效果的影響

　　由圖 1 可知，當(dāng)CaO 投加量為0.5 mmol/L 時(shí)，濁度去除率達(dá)到80%，較單獨(dú)采用PACl 混凝提高了 14.9%;CODMn 和TOC 去除率分別在CaO 投加量為 0.5、0.25 mmol/L 時(shí)得到明顯提升，但隨后急劇下降，當(dāng)CaO 投加量增至1.0 mmol/L 時(shí)，出水CODMn 和 TOC 較單獨(dú)投加PACl 時(shí)還高。綜合考慮，確定CaO 投加量為0.5 mmol/L，此時(shí)出水pH 滿足GB 5749— 2006 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　2.2 APAM 投加量和投加點(diǎn)的確定

　　APAM 的水解產(chǎn)物中部分酰胺基帶負(fù)電，可改善絮體結(jié)構(gòu)，提高沉降速度和固液分離效率。由于單體丙烯酰胺具有毒性，APAM 投加量不宜過(guò)大。本研究在PACl 投加量為9 mg/L 的條件下，考察了 APAM 投加量及投加點(diǎn)對(duì)混凝處理效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖 2。

　　圖 2 APAM 投加量及其投加點(diǎn)對(duì)混凝處理效果的影響

　　由圖 2(b) 可知，在APAM 投加量為0.3 mg/L 時(shí)，其投加點(diǎn)對(duì)濁度、CODMn 去除率影響較小，不同投加點(diǎn)的濁度、CODMn 去除率分別維持在85%、24% 左右。但投加點(diǎn)對(duì)TOC 去除率影響較大，其投加點(diǎn)越接近PACl 投加點(diǎn)，TOC 去除率越大。延遲PACl 30 s 投加APAM 去除效果最好，濁度、CODMn 和TOC 去除率分別為88.1%、26.6%和25.3%，故APAM 最佳投加點(diǎn)為滯后PACl 30 s。

　　由此表明，APAM 不僅能改善絮體結(jié)構(gòu)，還能顯著提高濁度去除率并起到吸附架橋的作用，其本身可作為混凝劑進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)CODMn 和TOC 的去除效果。

　　2.3 AS 投加量和投加點(diǎn)的確定

　　水玻璃經(jīng)酸中和后形成具有絮凝作用的高聚硅酸，其分子鏈上的活性基團(tuán)可與膠體顆粒表面間的氫鍵相結(jié)合表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸附架橋作用。本研究以 PACl 為絮凝劑，在其投加量為9 mg/L 的條件下，考察了AS 投加量及其投加點(diǎn)對(duì)混凝處理效果的影響，結(jié)果如圖 3 所示。

　　圖 3 AS 投加量及其投加點(diǎn)對(duì)混凝處理效果的影響

　　由圖 3(a) 可知，當(dāng)AS 投加量為0.485~1.985 mg/L 時(shí)，濁度去除率基本穩(wěn)定在81.7%，比單獨(dú)采用PACl 混凝高16%左右。隨著AS 投加量的增加， CODMn 和TOC 去除率均先增大后減小，當(dāng)AS 投加量為1.485 mg/L 時(shí)，CODMn 和TOC 去除率最大，分別為31.8%和32.2%，較單獨(dú)采用PACl 混凝分別提高了16.2%和16.8%。同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，投加 AS 后形成礬花的速度比APAM 慢(約在投加PACl 之后7 min)，但絮體較投加APAM 時(shí)大，沉降更快。

　　由圖 3(b)可知，當(dāng)AS 投加量為1.485 mg/L 時(shí)，在1.5 min 的快速混合階段，濁度去除率基本穩(wěn)定，此后濁度去除率開(kāi)始降低，于混凝劑投加60 s 后投加AS，濁度去除率最高，達(dá)83%。CODMn 和TOC 去除率隨AS 投加點(diǎn)的變化基本相同，投加時(shí)間延遲 30~60 s，CODMn 和TOC 去除率最大，分別為32.6% 和34.2%。

　　由此可知，AS 對(duì)有機(jī)物有強(qiáng)化助凝作用，這可能是由于AS 與PACl 形成的多核高聚物和Al(OH)3(Alc)共同對(duì)有機(jī)物進(jìn)行電中和、絡(luò)合和吸附作用的結(jié)果。

　　2.4 APAM、AS 分別與CaO 聯(lián)用的助凝效果

　　CaO 與APAM、CaO 與AS 聯(lián)用的助凝效果如圖 4 所示。其中CaO 的投加量為0.5 mmol/L，將原水 pH 調(diào)節(jié)至8.0 左右，然后滯后PACl 30 s 和60 s 分別投加不同量的APAM 和AS。PACl 投加量為9 mg/L。

　　圖 4 APAM 與CaO、AS 與CaO 聯(lián)用的助凝效果

　　由圖 4 (a) 可知，在投加CaO 情況下，隨著 APAM 投加量的增加，濁度去除率先增加后急劇減少，當(dāng)APAM 投加量為0.05~0.1 mg/L 時(shí)效果較好，濁度去除率維持在82.3%，比單獨(dú)CaO 助凝時(shí)高。但隨著APAM 投加量的增加，CODMn 和TOC 去除率一直在減小直至持平，CODMn 和TOC 去除率最高點(diǎn)均在APAM 投加量為0 時(shí)，說(shuō)明CaO 與APAM 聯(lián)用對(duì)有機(jī)物的去除效果較單獨(dú)采用CaO 助凝時(shí)差。

　　由圖 4(b)可知，在投加CaO 情況下，隨著AS 投加量的增加，濁度去除率先降低再升高后一直降低，CODMn 和TOC 去除率則先增大后減小至持平。當(dāng)AS 投加量為0.495 mg/L 時(shí)，濁度、CODMn 和TOC去除率均較高，分別為80.5%、30.8%和32.1%，但濁度去除率較單獨(dú)采用CaO 助凝時(shí)低1.6%，而CODMn 和TOC 去除率則分別高5%和5.4%。

　　研究表明，在CaO 改變堿度/pH 的情況下，當(dāng) APAM 和AS 均處于較低投加量時(shí)混凝效果較好，整體而言，濁度和有機(jī)物去除效果不理想。

　　2.5 不同助凝劑助凝效能對(duì)比分析

　　不同助凝劑助凝效能對(duì)比分析結(jié)果如圖 5 所示。其中：A 為單獨(dú)PACl;B 為CaO 助凝;C 為 APAM 助凝，且APAM 延遲PACl 30 s 投加;D 為 APAM 與CaO 共同助凝;E 為AS 助凝，且在PACl 之后30~60 s 投加;F 為AS 與CaO 共同助凝。

　　圖 5 不同助凝劑助凝效能對(duì)比

　　由圖 5 可知：5 種助凝劑均能提高對(duì)濁度和有機(jī)物的去除效果，但APAM、AS 分別與CaO 聯(lián)用的助凝效果不理想。濁度去除率的大小順序?yàn)椋篈PAM (88.1%)>AS(83%)>CaO(80.1%)≈AS+CaO(80.5%)> APAM+CaO(75.2%)>單獨(dú)PACl(65.1%); 對(duì)CODMn 和TOC 的去除效能依次為：AS >AS +CaO >CaO > APAM+CaO≈APAM>單獨(dú)PACl。因此，兼顧除濁和除有機(jī)物，AS 助凝效果最佳。具體參見(jiàn)http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1)對(duì)低溫、低濁、低堿度水，以PACl 為絮凝劑，APAM 的助凝除濁能力最強(qiáng)，濁度去除率為 88.1%，其投加點(diǎn)對(duì)助凝效果影響較小;AS 的投加量和投加點(diǎn)對(duì)混凝處理效果影響顯著，延遲PACl 30~ 60 s 投加AS，當(dāng)AS 投加量(以SiO2 計(jì))為1.485 mg/L 時(shí)，對(duì)CODMn 和TOC 的去除效果最佳，去除率分別為32.6%和34.2%。

　　(2)APAM 、AS 分別與CaO 聯(lián)用的助凝效果不佳，這可能是由于PACl 水解產(chǎn)物平衡被打破及膠體顆粒與有機(jī)物表面電荷發(fā)生了變化造成的。

　　(3)兼顧除濁和除有機(jī)物，采用AS 助凝劑助凝是提高類似水體混凝沉淀工藝污染物去除率的有效途徑之一。