凹凸棒石黏土處理受污染原水的應(yīng)用研究

孫瑞林，費(fèi)相琴，張寶萍

(淮安自來水有限公司，江蘇 淮安 223002)

凹凸棒石黏土處理受污染原水的應(yīng)用研究

孫瑞林，費(fèi)相琴，張寶萍

(淮安自來水有限公司，江蘇 淮安 223002)

針對目前水源污染比較普遍、水廠原水水質(zhì)不斷惡化的情況，在常規(guī)處理工藝的基礎(chǔ)上，選擇投加凹凸棒石黏土處理受污染的原水。介紹了凹凸棒石黏土的性能，對受污染原水進(jìn)行了試驗研究，并闡述了投加凹凸棒石黏土處理受污染原水的優(yōu)點。

凹凸棒石黏土;處理;受污染原水;江蘇淮安

0 引言

我國目前飲用水源受污染問題比較普遍，而大多數(shù)水廠仍然采用傳統(tǒng)的常規(guī)水處理方法和工藝進(jìn)行飲用水生產(chǎn)與供應(yīng)(王占生等，2011)。國家新頒布的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749—2006與GB5749—1985版相比，水質(zhì)指標(biāo)由原標(biāo)準(zhǔn)的35項增至106項，增加了71項，這使供水企業(yè)面臨著原水水質(zhì)惡化、處理工藝落后、供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提高的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。水源污染給人們飲水安全和身體健康帶來了嚴(yán)重隱患。解決的方法一是保護(hù)水源，控制污染;二是強(qiáng)化水處理工藝。在飲用水源已受到污染或存在季節(jié)性和突發(fā)性污染問題，又沒有其他水源可取用的情況下，將受污染原水處理成合格的自來水就顯得尤為重要。如何在較短時期內(nèi)充分利用現(xiàn)有工藝，積極應(yīng)對水源污染，保障飲用水水質(zhì)安全已成為一個突出課題。在處理受污染原水方面，國內(nèi)外科研人員做了大量研究，這些研究和應(yīng)用成果主要包括吹脫、生物預(yù)處理、物理和化學(xué)氧化、光化學(xué)處理、吸附法等。其中，吸附法是水處理中較為成熟有效的方法之一。目前，工程中常用水處理材料主要有：活性炭、沸石、反滲透膜、離子交換樹脂、人工分子篩等。其中活性炭是目前應(yīng)用最廣的水處理材料(張悅等，2009)，反滲透膜則是當(dāng)今最先進(jìn)和有效的水處理材料，但價格較貴。近年來，科技界越來越重視各種安全、高效、價廉吸附材料的研發(fā)，尤其是非金屬黏土礦物環(huán)保材料等。而凹凸棒石黏土具有吸附、絮凝、凈化等多種優(yōu)良特性于一體，經(jīng)試驗研究表明，用凹凸棒石黏土處理受污染原水具有較好的效果。筆者就近幾年來的研究和應(yīng)用實踐，介紹一種投產(chǎn)快、費(fèi)用低、效果好、環(huán)保型的水處理方法——投加凹凸棒石黏土應(yīng)對水源污染。

1 試驗用凹凸棒石黏土的性能

凹凸棒石黏土(凹土)是一種層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸鹽黏土礦物，其標(biāo)準(zhǔn)分子式為Mg5Si8O20(HO)2(OH2)·4H2O。凹凸棒石黏土集合體為土狀塊體構(gòu)造，顏色為灰白色、青灰、微黃或淺綠，油脂光澤，比重輕，摩氏硬度低，潮濕時呈黏性和可塑性，干燥收縮小，且不產(chǎn)生龜裂，吸水性強(qiáng)，pH值8.5左右，呈堿性，由于內(nèi)部多孔道，比表面積大，大部分陽離子、水分子和一定大小的有機(jī)分子均可直接被吸附進(jìn)孔道中。凹凸棒石黏土具有獨特的吸附、脫色、懸浮、觸變、充填、流變性、熱穩(wěn)定性和抗鹽性等理化特性，加工出來的產(chǎn)品，可以作為脫色吸附劑、澄清劑、凈化劑、分子篩、鉆井泥漿材料、飼料添加劑、黏結(jié)劑、載體、改良劑等，用于建材、化工、環(huán)保、輕紡、石油、冶金、醫(yī)藥、農(nóng)牧業(yè)等行業(yè)(鄭茂松等，2007)。

本試驗選用產(chǎn)自江蘇盱眙地區(qū)的凹凸棒石黏土礦，其晶體形狀為棒狀、纖維狀、針狀，為2∶1型黏土礦物，其主要氧化物成分、微量元素、工藝性能及衛(wèi)生指標(biāo)分別見表1、表2和表3，從分析結(jié)果判斷，采用的凹土具有較高的衛(wèi)生安全性。

表1 凹凸棒石黏土主要氧化物成分及微量元素含量

表2 凹凸棒石黏土工藝性能

表3 凹凸棒石黏土衛(wèi)生指標(biāo)

2 試驗地表水源污染的類型

如果水源受到人為或自然因素的影響，使水的感官性狀、理化指標(biāo)、有毒成分等超過了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的限值，則稱為“水污染”(張莉平等，2006)。一般地表水污染的類型主要有以下幾種：細(xì)菌與微生物污染、有機(jī)物污染、異臭、異味、有毒物質(zhì)污染、石油類污染、富營養(yǎng)化污染，還有其他如酸、堿、鹽類污染、激素、抗生素類污染、熱污染、放射性污染等一些污染。

本試驗地點設(shè)在淮安自來水有限公司城南水廠，城南水廠取水口位于二河(距洪澤湖約28km)。水源水質(zhì)主要受上游淮河和洪澤湖周邊水污染的影響較大，存在諸多不確定因素。20世紀(jì)90年代初期水源水質(zhì)介于國家地表水標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ—Ⅱ類之間，水質(zhì)很好，可以滿足生活飲用水源的要求。而目前水源水質(zhì)退化為國家地表水標(biāo)準(zhǔn)的Ш類，有些指標(biāo)還超過Ш類，總氮長期在IV—V類左右，石油類和化學(xué)需氧量經(jīng)常在Ш—IV，藻類長期存在(有時嚴(yán)重影響生產(chǎn))，存在富營養(yǎng)化趨勢，還經(jīng)常受上游淮河客水的污染，水源水質(zhì)惡化，影響安全供水。因此，試驗點水源水屬綜合性污染類型。

3 凹凸棒石黏土處理受污染原水試驗的研究

3.1 凈水工藝

自來水常規(guī)的生產(chǎn)工藝是混凝—沉淀—過濾—消毒，能有效去除原水中的懸浮物、膠體和細(xì)菌(嚴(yán)煦世等，2008)。但在水源受到污染的情況下，常規(guī)水處理工藝去除污染物的能力就相對不足了。原水中的有機(jī)物增加，會使水帶色、味等，也促進(jìn)水體富營養(yǎng)化進(jìn)程。原水中有機(jī)物的存在，改變了膠體顆粒的表面特性，使膠體更加穩(wěn)定，導(dǎo)致絮凝效果降低，而氯化消毒又與之反應(yīng)而形成一系列的鹵代有機(jī)副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物對人體健康非常有害。水體富營養(yǎng)化造成的藻類污染，不僅影響絮凝沉淀效果，縮短濾池運(yùn)行周期，大大降低水廠產(chǎn)水量，而且藻類代謝過程中產(chǎn)生的多種嗅味，使出水水質(zhì)嗅味異常，引起用戶反感，藻類分泌的藻毒素更對人體健康構(gòu)成威脅(王琳等，2005)。

本試驗點城南水廠設(shè)計供水規(guī)模10萬m3/d，分別于1992年和1997年分兩期建成，每期建設(shè)規(guī)模為5.0萬m3/d。主要凈水工藝見圖1。

圖1 城南水廠工藝流程圖

3.2 投加凹凸棒石黏土處理含藻類、氨氮、耗氧量等原水試驗

3.2.1 投加量的確定 由于水體富營養(yǎng)化日益嚴(yán)重，藻類爆發(fā)現(xiàn)象常有發(fā)生。原水中藻類含量較高時，對常規(guī)水處理廠的正常生產(chǎn)影響很大。因藻類的存在，投加混凝劑后形成的絮凝體細(xì)小，且密度很低，難以沉淀，導(dǎo)致絮凝沉淀效果很差。特別是在處理低濁度含藻原水時，會出現(xiàn)沉淀池進(jìn)水濁度和出水濁度基本相同的現(xiàn)象，大量的藻類進(jìn)入濾池，造成濾料結(jié)球和堵塞，濾池運(yùn)行周期縮短，反沖洗頻繁，嚴(yán)重時2h～4h就要反沖洗1次，甚至濾池完全被堵死不能運(yùn)行。而且一些細(xì)小絮凝體容易穿透濾料層，造成濾后水渾濁度超標(biāo)。所以原水受到藻類污染不僅影響水廠的制水產(chǎn)量，還會導(dǎo)致出廠水質(zhì)的下降。

根據(jù)原水水質(zhì)情況和凈水工藝參數(shù)，采用ZR4-6型混凝試驗攪拌機(jī)進(jìn)行混凝試驗，找出適宜的投加量，指導(dǎo)生產(chǎn)，再在生產(chǎn)過程中按照實際情況進(jìn)行調(diào)整，以取得最佳的凈水效果。如夏季連續(xù)多日晴天，日照強(qiáng)烈，原水水溫較高，水中氮、磷含量適宜，藻類會快速增長，影響水廠正常生產(chǎn)，同時，水廠出水會有異味，渾濁度超標(biāo)。為此做了多次混凝攪拌試驗，找出較佳的投加量，其結(jié)果見表4。原水渾濁度38 NTU，氨氮1.0mg/L，耗氧量6.9mg/L，藻細(xì)胞505.99萬個/L，混凝劑選用液體聚合氯化鋁。從表4以可看出該種原水投加35mg/L凹凸棒石黏土和23mg/L混凝劑較適宜。3.2.2 生產(chǎn)性對比試驗 2007年3月進(jìn)行生產(chǎn)性對比試驗：原水渾濁度18NTU，氨氮0.18mg/L，耗氧量4.6mg/L，藻細(xì)胞425.91萬個/L。試驗結(jié)果見表5。結(jié)果表明，利用凹凸棒石黏土具有的良好吸附性能，在反應(yīng)池投加凹凸棒石黏土可以形成較大的絮凝體，且沉淀效果好，將大部分(70% ～80%)的藻類在沉淀池中去除，沉淀池出水濁度可控制在5NTU以下，減輕了濾池的負(fù)擔(dān)，使濾池運(yùn)行正常，反沖洗次數(shù)減少，濾后水濁度低于0.8NTU，氨氮和耗氧量的去除效果明顯提高。

表4 處理含藻類、氨氮、耗氧量等原水混凝攪拌試驗結(jié)果

表5 投加凹凸棒石黏土生產(chǎn)性對比試驗結(jié)果

因此，在絮凝沉淀工序前投加凹凸棒石黏土可以提高絮凝沉淀效果和減輕藻類對過濾的干擾，同時可提高氨氮和耗氧量的去除效果，提高出廠水水質(zhì)。在后來的生產(chǎn)應(yīng)用中也驗證了投加凹凸棒石黏土有較好的強(qiáng)化處理效果。

3.3 處理低濁度原水

3.3.1 投加量的確定 原水渾濁度為16NTU，不加凹凸棒石黏土?xí)r渾濁現(xiàn)象很難去除，通過試驗，當(dāng)投加20mg/L～30mg/L凹凸棒石黏土、18mg/L混凝劑時，沉淀池出水濁度可以降到5NTU以下(表6)。

表6 處理低濁度原水混凝攪拌試驗結(jié)果

3.3.2 生產(chǎn)性試驗 通過生產(chǎn)性試驗：原水渾濁度為10NTU，水溫3℃，未投加凹凸棒石黏土?xí)r沉淀池出水和濾池出水濁度去除率分別只有5%和88%，投加凹凸棒石黏土20mg/L、混凝劑18mg/L后，沉淀池出水濁度去除率提高到61%，濾池出水濁度去除率提高到96%，去除濁度效果明顯(表7)。

表7 處理低溫低濁原水生產(chǎn)性試驗結(jié)果

4 投加凹凸棒石黏土處理受污染原水的優(yōu)點

(1)經(jīng)濟(jì)性較好。我國凹凸棒石黏土礦產(chǎn)資源豐富(現(xiàn)已探明的總儲量居世界首位)，采礦、加工也較容易，凹凸棒石黏土價格約是活性炭的1/7，所以采用凹凸棒石黏土進(jìn)行水處理有很好的經(jīng)濟(jì)性。

(2)不會產(chǎn)生新的污染物。因為凹凸棒石黏土屬于天然礦物所具有的良好基本性能，其對污染物的凈化功能主要體現(xiàn)在礦物表面的吸附作用、孔道的過濾作用、層間離子的交換作用等方面，無新的污染物產(chǎn)生。

(3)投加環(huán)境較好。凹凸棒石黏土為灰白色，運(yùn)輸、儲存和使用對周圍環(huán)境影響較小。

(4)安全性較好。凹凸棒石黏土不具有燃燒性能，所以在運(yùn)輸、儲存和使用過程中安全性較好。

(5)排泥和尾水處理的環(huán)境可接受性較好。用凹凸棒石黏土進(jìn)行水處理排出泥漿和泥水顏色為黃白色，和周圍的泥土顏色很接近，環(huán)境可接受性好。

5 結(jié)語

試驗結(jié)果表明，在絮凝沉淀工序前投加35mg/L凹凸棒石黏土可以提高絮凝沉淀效果和減輕藻類對過濾的干擾，有效去除濁度、氨氮、耗氧量等，對低濁度原水投加20mg/L～30mg/L凹凸棒石黏土?xí)r，沉淀池出水濁度可以降到5NTU以下，濾后水濁度小于0.8NTU，滿足生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求。凹凸棒石黏土處理受污染的原水具有較好的經(jīng)濟(jì)性和適用性，在供水行業(yè)有廣闊的應(yīng)用前景。今后要針對水源污染的不同類型，研究開發(fā)出多種高效凈水產(chǎn)品;要進(jìn)一步研究凹凸棒石黏土的投加計量和投加方式，以達(dá)到操作方便、處理效果好、保障供水水質(zhì)安全的目的。

王琳，王寶貞.2005.飲用水深度處理技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

王占生，劉文君.2011-05-30.我國水源水質(zhì)情況與凈水廠改造的適用工藝［EB/OL］.http：//www.ssj365.com/technology_end.aspx?id=391.

嚴(yán)煦世，范瑾初.2008.給水工程［M］.4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

張莉平，習(xí)晉.2006.特殊水質(zhì)處理技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

鄭茂松，王愛勤，詹庚申.2007.凹凸棒石黏土應(yīng)用研究［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

張悅，張曉健，陳超，等.2009.城市供水系統(tǒng)應(yīng)急凈水技術(shù)指導(dǎo)手冊(試行)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

Study on application of polluted raw water treatment with attapulgite clay

SUN Rui-lin，F(xiàn)EI Xiang-qin，ZHANG Bao-ping

(Huaian Water Supply Company Limited，Huaian 223002，Jiangsu)

In terms of water source pollution widely existed nowdays，the authors selected the treatment of attapulgite clay into the polluted raw water to protect water quality and discussed the effect and strong points of attapulgite additive.

Attapulgite clay;Treatment;Polluted raw water;Huaian，Jiangsu

G202

A

1674-3636(2011)04-0427-05

10.3969/j.issn.1674-3636.2011.04.427

2010-07-27;

2011-08-27;編輯：蔣艷

孫瑞林(1958—)，男，高級工程師，給水排水專業(yè)，E-mail：srlin2009@163.com