聚合氯化鋁對(duì)高濁度水源水的絮凝效果及機(jī)理研究

張友宏，陳萌萌，王 鄭，仲米貴，黃 雷，薛 僑，韓庭葦

（南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

環(huán)保與三廢利用

聚合氯化鋁對(duì)高濁度水源水的絮凝效果及機(jī)理研究

張友宏，陳萌萌，王 鄭，仲米貴，黃 雷，薛 僑，韓庭葦

（南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

本研究以聚合氯化鋁（PAC）為絮凝劑處理高濁度水源水。以超純水配高嶺土為水樣，水樣濁度為200NTU。考察了PAC投加量、水樣pH值、攪拌速度和自由沉降時(shí)間對(duì)絮凝出水濁度的影響。結(jié)果表明，pH為強(qiáng)堿性，PAC濃度為30mg·L-1，攪拌速度200 r·min-1，自由沉降時(shí)間30min時(shí)，絮凝效果最佳。

高濁度水源水；聚合氯化鋁；絮凝效果；機(jī)理研究

高濁度水源水是指水中含有高濃度泥沙和細(xì)顆粒的水體，如我國的黃河水系、長江上游和遼河水系等[1]。其水質(zhì)特點(diǎn)之一為濁度高，懸浮物質(zhì)粒度小，顆粒比重不均勻，難以采用生物處理技術(shù)處理。高濁度水的自然沉淀，由于絮凝體小、結(jié)構(gòu)松散、密度較低等原因，泥沙的自然沉淀速度很小，一般在0.05mm·s-1以下。如此小的自沉速度，在實(shí)際凈化過程中效率很低，而隨著原水含沙量增加到一定數(shù)值后便產(chǎn)生渾液面，同時(shí)沉速進(jìn)一步變小。因此對(duì)于高濁度水來說，單純靠自然沉淀不能滿足生產(chǎn)要求。運(yùn)行實(shí)踐表明，欲使高濁度水泥沙沉速增大，必須人工投入一定數(shù)量的絮凝劑，實(shí)現(xiàn)絮凝沉淀[2]。針對(duì)高濁度水源水，普通絮凝劑難以保障出廠水水質(zhì)。出水水質(zhì)濁度高時(shí)不僅會(huì)使飲用者感到不快，而且細(xì)菌、病毒及其它有害物質(zhì)往往會(huì)附著于形成濁度的懸浮物中，影響細(xì)菌和病毒的測定，促進(jìn)細(xì)菌的生長繁殖，同時(shí)會(huì)削弱消毒劑對(duì)微生物的滅殺效果，增加需氯量[3]。

目前國內(nèi)外對(duì)高濁度水大多采用強(qiáng)化常規(guī)工藝、預(yù)處理工藝和深度處理工藝[4]。從凈化機(jī)理上，常用物理吸附法、生物分解法、化學(xué)氧化法和膜分離法等[5]。其中，沉淀預(yù)處理+常規(guī)工藝（混凝、沉淀、過濾、消毒）是應(yīng)用的重點(diǎn)[6]。傳統(tǒng)的絮凝劑如硫酸鋁等無機(jī)絮凝劑，用量大，易產(chǎn)生大量的污泥，且絮凝效果不佳。聚丙烯酰胺等有機(jī)高分子絮凝劑，絮凝效果較好，但價(jià)格昂貴，大大增加了水處理的成本[7]。

聚合氯化鋁（PAC）又稱堿式氯化鋁，可以用通式Aln(OH)mCl3n-m表示，是一種具有代表性的無機(jī)高分子絮凝劑（IPF）[8]。較之硫酸鋁、硫酸亞鐵、三氯化鐵等絮凝劑，聚合氯化鋁具有用量少、效率高、絮體大、沉降快和凈水性能好等優(yōu)點(diǎn)[9]。除此之外，PAC含有更高的正電荷，能夠更有效地中和水源水中帶負(fù)電的膠體顆粒，引起更多的膠體失穩(wěn)，對(duì)水源水濁度和有機(jī)物的去除效果更好[10-12]。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，嘗試采用聚合氯化鋁（PAC）來處理高濁度源水，探尋PAC對(duì)高濁度源水濁度去除效果的最佳條件。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

JJ-4A六聯(lián)攪拌器，TG328-A分析天平，MERCK MILLIPOREAquelix 5實(shí)驗(yàn)室純水機(jī)，2100AN型濁度儀，PD320型pH計(jì)，GZX-9140MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱。

聚合氯化鋁：AR，棕黃色粉末，鹽基度45%～96%，pH（1%水溶液）：3.5～5.0。

高嶺土（白色粉末）。

實(shí)驗(yàn)期間，水源水平均濁度為200NTU，pH為7.3±0.1，水溫為28±1℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

考慮到在絮凝過程中，絮體尺寸逐漸增大，粒徑變化可從微米級(jí)增到毫米級(jí)，變化幅度達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，由于大的絮體容易破碎，故自絮凝開始至絮凝結(jié)束，攪拌強(qiáng)度應(yīng)逐漸減小[13]。

據(jù)此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在6個(gè)1L燒杯中分別加入1000mL攪勻水源水，源水200NTU左右。向水樣中加入一定量的絮凝劑后，調(diào)節(jié)pH，然后將燒杯置于六聯(lián)攪拌器上，攪拌程序?yàn)椋嚎焖伲?00～300r·min-1）攪拌2min，慢速（50r·min-1）攪拌10min，靜置30min，然后取上清液測定NTU，實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 單獨(dú)投加PAC對(duì)絮凝效果的影響

對(duì)于200NTU、pH為7.3的源水，經(jīng)過數(shù)次預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，取5個(gè)大燒杯各加入1000mL源水，直接投加PAC至 50mg·L-1、100mg·L-1、150mg·L-1、200mg·L-1、250mg·L-1，經(jīng)過快速（100 r～300r·min-1）攪拌2min，慢速（50r·min-1）攪拌10min，靜置30min，然后取上清液測定NTU，NTU并無顯著降低。故先將源水pH在試驗(yàn)前統(tǒng)一調(diào)至12。

取 10個(gè) PAC濃 度（10mg·L-1、20mg·L-1、30mg·L-1、40mg·L-1、50mg·L-1、60mg·L-1、70mg·L-1、80mg·L-1、90mg·L-1、100mg·L-1）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工況的快速攪拌速度采用200r·min-1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 單獨(dú)投加PAC對(duì)濁度的去除效果

從圖1可看出，在pH為12的情況下，隨PAC投加量的增加，絮凝后出水的剩余濁度逐漸降低，濁度去除率迅速增長后穩(wěn)定在99%。在PAC投加量從10mg·L-1增加至30mg·L-1階段，絮凝后出水濁度迅速降低，從10mg·L-1的182NTU降至30mg·L-1的25.8NTU，去除率相應(yīng)地從10mg·L-1的9%升高至30mg·L-1的87.1%。而繼續(xù)增加PAC投加量至60mg·L-1階段，絮凝后出水的剩余濁度緩慢降低，從30mg·L-1的25.8NTU降至60mg·L-1的3.05NTU，去除率相應(yīng)地從30mg·L-1的87.1%升高至60mg·L-1的96.05%。此時(shí)，繼續(xù)增加PAC投加量至100mg·L-1，絮凝后出水濁度基本保持不變。由于本實(shí)驗(yàn)是針對(duì)高濁度源水的初步處理，在PAC投加量為50mg·L-1時(shí)，出水剩余濁度7.9NTU已經(jīng)降至10NTU以下，濁度去除率也達(dá)到91.75%，此時(shí)繼續(xù)增加PAC投加量，處理效果增加并不明顯，故選取50mg·L-1為PAC最佳投加量。

2.2 pH對(duì)絮凝效果的影響

pH值是影響絮凝效果的重要因素之一。pH值對(duì)膠體顆粒表面的電荷（Zeta電位）、絮凝劑的性質(zhì)和作用以及絮凝作用本身都有很大的影響，它會(huì)改變絮凝劑聚合物的帶電狀態(tài)及中和電荷的能力，同時(shí)改變被絮凝物的顆粒表面性質(zhì)，從而影響絮凝能力[14]。

實(shí)驗(yàn)固定PAC用量為50mg·L-1，實(shí)驗(yàn)工況的快速攪拌速度采用200r·min-1，研究水樣初始pH值對(duì)絮凝效果的影響。用HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)水樣pH，研究pH=4～12對(duì)絮凝效果的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 pH值對(duì)濁度的去除效果

從圖2可看出，水樣初始pH在4～10時(shí)，出水濁度基本在190NTU左右，沒有效果，與源水水樣相比，降低的10NTU為靜置30min后的結(jié)果。當(dāng)水樣初始pH達(dá)到10～11時(shí)，出水濁度迅速降低。為使實(shí)驗(yàn)更加精細(xì)，特意多取了pH=10.3、10.7、11.3、11.6這4組值進(jìn)行附加實(shí)驗(yàn)。很明顯，在pH=10.3時(shí)，出水剩余濁度為189NTU，絮凝劑沒有效果；而當(dāng)pH=11時(shí)，出水剩余濁度為4.36NTU，出水濁度迅速降低，效果十分明顯，此時(shí)去除率為97.82%。而當(dāng)pH從11增長到11.3、11.6、12時(shí)，出水剩余濁度基本穩(wěn)定在10NTU以內(nèi)。從中我們不難發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)堿性的水環(huán)境中，PAC才能夠?qū)Ω邼岫人l(fā)揮其較好的絮凝作用，且在此范圍內(nèi)，pH對(duì)其性能的影響很小，但弱堿性、中性、酸性水環(huán)境則會(huì)抑制PAC的性能，使其無法發(fā)揮絮凝作用。pH過高會(huì)造成藥劑浪費(fèi)，pH過低則無法發(fā)揮PAC的絮凝作用，因此，確定水樣最佳初始pH為11。

2.3 在最佳pH下考察PAC投加量對(duì)絮凝效果的影響

由于此前PAC的相對(duì)最佳投加量是在預(yù)設(shè)pH=12的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得到的，而在進(jìn)行完上述pH對(duì)絮凝效果的影響實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)水樣最佳初始pH=11，故在此對(duì)先前實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正。

取5個(gè)1000mL大燒杯，分別加入200NTU的高濁度源水1000mL，將水樣pH調(diào)至11。PAC投加量依次為10、20、30、40、50mg·L-1，實(shí)驗(yàn)工況的快速攪拌速度采用200r·min-1，考察PAC投加量對(duì)絮凝效果的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 pH為11時(shí)PAC投加量對(duì)濁度的去除效果

從圖3可看出，PAC投加量從10mg·L-1增加到20mg·L-1時(shí)，剩余濁度迅速從105NTU下降至13.5NTU，而當(dāng)PAC投加量從20mg·L-1增加到50mg·L-1時(shí)，剩余濁度緩慢降低至4～5NTU?？紤]到對(duì)高濁度源水的處理，出水濁度控制在10NTU以下較好，同時(shí)考慮到節(jié)省藥劑的原則，在初始水樣pH=11的情況下，最佳PAC投加量取30mg·L-1。

2.4 攪拌速度對(duì)絮凝效果的影響

在初始水樣pH為11，PAC投加量為30mg·L-1的情況下，考察攪拌速度對(duì)絮凝效果的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 攪拌速度對(duì)濁度的去除效果

從圖4可看出，在實(shí)驗(yàn)研究的5個(gè)快速攪拌轉(zhuǎn)速下，剩余濁度是逐漸降低的，但降低幅度有限，從9.72NTU降至4.88NTU，相對(duì)應(yīng)的去除率則是從95.14%提高至97.56%。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在開始時(shí)轉(zhuǎn)速越小絮體越大越明顯，但隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，靜置時(shí)間的推移，轉(zhuǎn)速越大，沉淀越明顯，水體越清澈。雖然攪拌速度越快，出水剩余濁度越低，但是變化差異并不大，剩余濁度均在10NTU以下，去除率均達(dá)到95%以上。考慮到泵的配備與能源損耗，此實(shí)驗(yàn)攪拌速度折中采用200r·min-1較為合適。

2.5 自由沉降時(shí)間絮凝效果的影響

經(jīng)過處理后的高濁度源水中會(huì)含有大量絮體，在重力作用下，粒徑較大的絮體會(huì)自然沉降，水樣濁度明顯降低，但是粒徑較小的則會(huì)懸浮在水中難以沉降下來，水體依然呈渾濁狀態(tài)。取200NTU高濁度源水1000mL，初始水樣pH為11，PAC投加量為30mg·L-1，在經(jīng)過快速（200r·min-1）攪拌2min，慢速（50r·min-1）攪拌10min后，靜置自由沉降，每隔5min測定1次上清液濁度，考察沉降時(shí)間對(duì)濁度去除效果的影響，結(jié)果見圖5。

從圖5可看出，隨著自由沉降時(shí)間的延長，其上清液濁度不斷降低，在前25min內(nèi)降低幅度較大，但25min以后濁度減小幅度較小，尤其是在30min以后濁度去除率達(dá)到96%以上。故實(shí)驗(yàn)水樣最后靜置自由沉降時(shí)間取30min。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究了不同參數(shù)條件下，PAC對(duì)高濁度源水的濁度去除效果，得出了以下結(jié)論：

圖5 自由沉降時(shí)間對(duì)濁度的去除效果

1）當(dāng)pH≥11時(shí)，能有效發(fā)揮PAC對(duì)高濁度源水的絮凝效果，且隨PAC投加量的增加，濁度去除率有顯著提升，PAC處理高濁度源水的最佳投加量為30mg·L-1，pH為11。

2）隨著攪拌速度的增加，絮體越來越多，但粒徑相對(duì)變小，水體越清澈，但總體效果差異不大。

3）根據(jù)pH從4增加至12的絮凝出水濁度，得出本絮凝過程適宜的pH范圍是強(qiáng)堿性水樣。

4）隨著自由沉降時(shí)間的延長，出水濁度顯著下降，前后視覺效果較為明顯，一般在30min左右最為適宜。

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Flocculation Effect of Polyaluminium Chloride to High Turbidity Source Water and its Mechanism Study

ZHANG Youhong, CHEN Mengmeng, WANG Zheng, ZHONG Migui, HUANG Lei, XUE Qiao, HAN Tingwei
(School of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

In this study, polyaluminium chloride (PAC) was used as focculant in high turbidity source water treatment. The kaolin and ultrapure water was used in preparation of water samples, the experiment water turbidity was 200NTU. The effects of PAC dosage, water pH, stirring speed and free settling time on the effect of focculation effuent turbidity were investigated. The results showed that the focculation effciency was the best when the pH value was strong alkaline, the concentration of PAC was 30mg/L, the stirring speed was 200 r/min and the free settling time was 30min.

high turbidity source water; polyaluminum chloride; focculation effect; mechanism study

X 703

A

1671 -9905(2016)12 -0039-04

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016-K4-65)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PAPD）；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2015-146）；南京林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2016-173）

王鄭（1978-），男，博士，副教授，從事水處理理論與技術(shù)方面的研究。電話：13951687455，E-mail: wangzheng@ njfu.edu.cn

2016-10-18