凈水混凝劑比選優(yōu)化試驗(yàn)研究

陳卓然， 張怡然， 趙 宇

(1.天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院，天津300457；2.天津泰達(dá)水業(yè)有限公司，天津300457；3.天津泰達(dá)津聯(lián)自來水有限公司，天津300457)

水處理過程中的混凝效果決定了后續(xù)工藝的持續(xù)運(yùn)行、出水水質(zhì)和水廠的運(yùn)行成本[1]。若混凝效果不佳，沉淀池出水濁度較高，容易阻塞濾池，增加后續(xù)過濾單元的處理難度，進(jìn)而影響水廠的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。目前水廠普遍使用的凈水藥劑多為無機(jī)混凝劑，但使用鋁鹽混凝劑可能使濾后水殘余鋁離子增加，導(dǎo)致飲用水安全問題，鐵鹽混凝劑則存在腐蝕性強(qiáng)和出水色度偏高的問題[3]，選擇合適、高效的混凝劑對保證水廠出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)至關(guān)重要。筆者通過開展混凝小試，進(jìn)行凈水混凝劑的比選優(yōu)化，以期為水廠實(shí)際生產(chǎn)和工藝優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 原水水質(zhì)

試驗(yàn)所在水廠采用“原水—預(yù)臭氧化—混凝—脈沖澄清—過濾—消毒”工藝[4]。試驗(yàn)用水為水廠預(yù)氧化出水，與實(shí)際生產(chǎn)中的混凝用水保持一致，其水質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)Tab.1 Quality of experiment water

1.2 試驗(yàn)方法

所有混凝小試均在六聯(lián)攪拌機(jī)上進(jìn)行，模擬水廠實(shí)際生產(chǎn)過程設(shè)置攪拌程序，具體設(shè)定參數(shù)和操作條件如表2所示。

表2 混凝小試攪拌程序Tab.2 Program set for the bench-scale coagulation experiment

試驗(yàn)中所采用的混凝劑包括三氯化鐵(FeCl3)、聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鐵(PFS)和聚合氯化鋁鐵(PAFC)，取樣檢測分析混凝沉淀后上清液。水廠目前采用FeCl3和PAC復(fù)合投加的方式，試驗(yàn)中投藥量和不同藥劑復(fù)合投加比例的設(shè)計，充分考慮了水廠實(shí)際生產(chǎn)工藝和出水水質(zhì)要求，且為了防止水樣變化和藥劑變質(zhì)，在取樣后盡快開展混凝小試。

1.3 分析項(xiàng)目與方法

濁度：分光光度法，HACH 2100N 型濁度儀；pH：玻璃電極法，Mettler Toledo 320 型 pH 計；溫度：JM222L型便攜式數(shù)字溫度計。

2 結(jié)果與分析

2.1 FeCl3和PFS復(fù)合PAC的混凝效果

試驗(yàn)原水的溫度為16.0～16.4 ℃、pH值為8.81～8.97、濁度為10.7～12.3 NTU，進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。單獨(dú)投加FeCl3和PFS，投加量分別為35或40 mg/L均可使出水濁度明顯降低，混凝絮體沉降情況相似，但FeCl3的混凝效果優(yōu)于PFS，濁度去除率約為95%，礬花形成和沉降的速度更快。

對比可知，在總投藥量相同的條件下，復(fù)合投加15 mg/L FeCl3+20 mg/L PAC即可實(shí)現(xiàn)更好的混凝效果，20 min后余濁小于0.5 NTU。復(fù)合投加PFS和PAC可強(qiáng)化單獨(dú)投加PFS的混凝效果，使出水濁度由2.7 NTU左右降低至約0.5 NTU，如表3所示。

表3 單獨(dú)投加FeCl3和PFS以及復(fù)合PAC的混凝結(jié)果Tab.3 Coagulation results of dosing FeCl3 and PFS alone and combined with PAC

進(jìn)一步調(diào)整PFS投加量復(fù)合PAC進(jìn)行混凝試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。濁度去除率隨著投藥量的增大而升高，但需要加量投加2種藥劑且總投藥量為65 mg/L時才能達(dá)到與水廠現(xiàn)用藥劑(15 mg/L FeCl3+20 mg/L PAC)接近的出水濁度。增大PFS投加量對進(jìn)一步提高濁度去除率的效果不明顯，且在工藝段大量投加藥劑也會增大后續(xù)水處理難度，不符合生產(chǎn)的實(shí)際要求和經(jīng)濟(jì)原則。

2.2 PAFC的混凝效果

PAFC是通過鋁鹽和鐵鹽復(fù)合共聚形成新型結(jié)構(gòu)的無機(jī)復(fù)合型高分子絮凝劑，集合了鋁鹽和鐵鹽的優(yōu)點(diǎn)，依據(jù)協(xié)同增效原理，能改善混凝性能[5]。試驗(yàn)期間處于低溫低濁期，原水濁度為1.97～2.83 NTU，溫度為3.2～4.1 ℃，pH值為8.35～8.41，水質(zhì)情況較好。PAFC在混凝小試過程中形成的礬花體積較大，沉降速度較快。

圖1 PFS和PAC復(fù)合投加對濁度的去除效果Fig.1 Removal effect of turbidity by combined dosing PFS and PAC

由圖2可以看出，當(dāng)PAFC投加量分別為20，30，40和50 mg/L時，對濁度的去除率隨著投加量增大先上升后下降，在40 mg/L時達(dá)到最大去除率72%。復(fù)合投加10 mg/L FeCl3+20 mg/L PAFC時，濁度去除率達(dá)到74%，優(yōu)于單獨(dú)使用PAFC，并且降低了總投藥量。

同時，在試驗(yàn)原水中加入15 mg/L FeCl3+15 mg/L PAC進(jìn)行對照試驗(yàn)，結(jié)果表明同等水力條件下，總投藥量30 mg/L即可達(dá)到82%的濁度去除率，綜合考慮去除效果和投藥量認(rèn)為PAFC并不適合水廠使用。

圖2 PAFC對濁度的去除效果Fig.2 Removal effect of turbidity by PAFC

2.3 不同廠家FeCl3和PAC的比選優(yōu)化

2.3.1 PAC對比試驗(yàn)結(jié)果

水廠目前正在使用的2種鋁系混凝劑記為PAC1(Al2O3%11.5，鹽基度75.7%)、PAC2(Al2O3%11.5，鹽基度75.2%)，新藥劑(不同廠家生產(chǎn))記為PAC3(Al2O3% 10.5，鹽基度70.5%)。模擬生產(chǎn)復(fù)合投加水廠現(xiàn)用FeCl3進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 現(xiàn)用/新PAC藥劑混凝效果對比試驗(yàn)Tab.4 Comparison test results of coagulation effect of existing PAC/new PAC

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)用投加量設(shè)計投藥比例，原水濁度為10.4 NTU時(試驗(yàn)I)的結(jié)果顯示，投加等量FeCl3和PAC，PAC3的聯(lián)合混凝效果略優(yōu)。投加20 mg/L PAC3復(fù)合15 mg/L FeCl3的濁度去除率最好，形成的絮體粗大，沉降速度快。

試驗(yàn)Ⅱ(原水濁度為10.4 NTU)、試驗(yàn)Ⅲ(原水濁度為7.91 NTU)的結(jié)果表明，單獨(dú)投加PAC時，水廠目前使用的藥劑略優(yōu)于新藥劑，聯(lián)合投加10 mg/L FeCl3+20 mg/L PAC以及2種藥劑投加量均為15 mg/L時，都可達(dá)到96%以上的濁度去除率，表現(xiàn)較好的混凝效果。這說明在現(xiàn)有水質(zhì)條件下，少量投加PAC和FeCl3也可實(shí)現(xiàn)較低的出水濁度，保證供水安全。在實(shí)際生產(chǎn)中可以適當(dāng)減少混凝劑投藥量，降低運(yùn)行成本。

2.3.2 同時使用新FeCl3和新PAC對比試驗(yàn)結(jié)果

水廠正在使用的藥劑記為PAC現(xiàn)(Al2O3% 10.2，鹽基度79.8%)、FeCl3現(xiàn)(Fe3+13.89%，F(xiàn)e2+0.08%)，新廠家藥劑記為PAC新(Al2O3%11.1，鹽基度61.5%)、FeCl3新(Fe3+14.11%，F(xiàn)e2+0.01%)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 現(xiàn)用/新FeCl3和PAC藥劑的混凝效果Tab.5 Coagulation effect of dosing current/new FeCl3 and PAC

試驗(yàn)Ⅰ(原水濁度為8.12 NTU)使用20 mg/L FeCl3現(xiàn)+15 mg/L PAC現(xiàn)，達(dá)到最佳濁度去除率。單獨(dú)改變PAC藥劑時，聯(lián)合混凝形成的絮體最大，沉降速度最快，濁度去除率為95.7%。進(jìn)一步驗(yàn)證FeCl3和PAC新藥劑的混凝效果可知，原水濁度為8.51 NTU(試驗(yàn)Ⅱ)時，聯(lián)合投加2種新藥劑的混凝效果整體良好，濁度去除率均可達(dá)95%，總投藥量為25 mg/L時的出水濁度在0.42 NTU，投藥量增加至40 mg/L可進(jìn)一步降低出水濁度至0.25 NTU。

單獨(dú)投加2種藥劑時，PAC的除濁效果優(yōu)于FeCl3，試驗(yàn)III中嘗試投加少量FeCl3和較多PAC藥劑，發(fā)現(xiàn)原水濁度為7.90 NTU時，在總投藥量相同條件下，較多量PAC可使?jié)岫冗M(jìn)一步降低，去除率達(dá)97%，聯(lián)合投加采用鋁多鐵少的方式混凝效果更佳。

此外，嘗試投加5 mg/L FeCl3+10 mg/LPAC 時出水濁度為0.70 NTU，投加10 mg/L FeCl3+10 mg/L PAC時出水濁度為0.46 NTU，也可滿足水廠出水指標(biāo)要求。實(shí)際生產(chǎn)中可以考慮降低混凝劑投加量，2種新藥劑的混凝效果優(yōu)良，可以作為水廠備選混凝劑使用。

3 結(jié)論

① 適當(dāng)增大混凝藥劑投加量可以提高濁度去除率，復(fù)合投加鐵、鋁藥劑可以加強(qiáng)單獨(dú)投加某類藥劑的混凝效果。PFS和PAFC的除濁效果不佳，總體上不及復(fù)合投加FeCl3和PAC，不建議水廠在實(shí)際生產(chǎn)中使用。

② 藥劑的選擇和使用要綜合考慮混凝效果、出廠水水質(zhì)要求和經(jīng)濟(jì)成本，對比分析水廠現(xiàn)用FeCl3、PAC和新藥劑的使用情況，以便及時對生產(chǎn)運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整。如果減少同類藥劑投藥量能達(dá)到同等除濁效果，可將新藥劑應(yīng)用于生產(chǎn)或作為生產(chǎn)備用藥劑。

③ 原水濁度為8～10 NTU時，各類混凝劑配合使用均可取得較好的濁度去除效果，但冬季低溫低濁期的混凝效果反而不理想，需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究。