復(fù)合混凝劑強(qiáng)化混凝耦合過(guò)濾工藝的探索研究

＊周志遠(yuǎn) 謝燕 Olubunmi M.Olukowi Ismaeel O.Adebayo 張躍軍

（南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 江蘇 210094）

引言

我國(guó)飲用水資源主要包括水庫(kù)、河流、湖泊等地表水和地下水，而微污染水源水是被有機(jī)物污染，水質(zhì)超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求的自然水體[1]。其并不適合作為飲用水生產(chǎn)的原水。研究表明[2]我國(guó)長(zhǎng)江、太湖等水域地表水的氨氮、有機(jī)磷和化學(xué)耗氧量等水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)隨著季節(jié)和氣候的影響而產(chǎn)生變化，部分水質(zhì)指標(biāo)就在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)上下浮動(dòng)。然而，傳統(tǒng)混凝、過(guò)濾工藝在原水處理應(yīng)用中，對(duì)水體中可溶解的有機(jī)物去除效果有所受限。因此，提出了強(qiáng)化混凝等各種強(qiáng)化處理工藝[3-4]。其中使用新型混凝劑是一種最切實(shí)可行的和高效低成本的方法，具有操作簡(jiǎn)便、易于實(shí)施等工程應(yīng)用價(jià)值[5-6]。

聚合氯化鋁（Poly aluminum Chloride，簡(jiǎn)稱PAC）是常用的無(wú)機(jī)高分子混凝劑[7]，聚二甲基二烯丙基氯化銨（Polydimethyl dipropylene ammonium chloride，簡(jiǎn)稱PDM）是一種具有特殊功能的水溶性陽(yáng)離子型高分子聚合物[8]，和其他線性高分子相比，具有正電荷密度高、水溶性好、分子量易于控制、高效無(wú)毒[9-11]等特點(diǎn)。穩(wěn)定型PAC/PDM高分子復(fù)合混凝劑，其相比于無(wú)機(jī)混凝劑不僅在等沉出水時(shí)可節(jié)省藥劑或者等投加量下可顯著提高處理效能，而且還能取代預(yù)加氯氧化工序等[12]。在此之后，復(fù)合混凝劑的強(qiáng)化混凝工藝進(jìn)入了與過(guò)濾工藝耦合處理原水水體中各類污染物的研究時(shí)期[13]。但是，在已有的研究中，未見對(duì)在我國(guó)發(fā)達(dá)地區(qū)水廠的沉出水余濁條件（小于1.5NTU）下進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)去除效能的研究。

鑒于此，本研究選擇秋季長(zhǎng)江水為對(duì)象，選用含PDM特征黏度1.60dL/g、PAC（Al2O3計(jì)）與其質(zhì)量比20:1的PAC/PDM為復(fù)合混凝劑，首先，測(cè)定其與PAC在投加量-余濁曲線交點(diǎn)位置，并對(duì)交點(diǎn)處沉出水進(jìn)行濁度、CODMn、氨氮、Zeta電位等水質(zhì)參數(shù)的測(cè)定，對(duì)比無(wú)機(jī)藥劑與復(fù)合混凝劑在混凝階段對(duì)原水的處理效能；隨后，對(duì)交點(diǎn)沉出水進(jìn)行進(jìn)一步耦合過(guò)濾實(shí)驗(yàn)，并對(duì)濾后水進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)測(cè)定，對(duì)比過(guò)濾階段無(wú)機(jī)藥劑與復(fù)合混凝劑交點(diǎn)處沉出水的處理效能。最后，進(jìn)行復(fù)合混凝劑強(qiáng)化混凝耦合過(guò)濾工藝效能比較，并進(jìn)行初步的機(jī)理分析。

1.實(shí)驗(yàn)方法

(1)儀器與試劑

①儀器：散射式濁度儀，QZ201型，蘇州青安儀器有限公司；六聯(lián)程控?cái)嚢杵?，TA6-Ⅱ型，武漢恒嶺有限公司；可見分光光度計(jì)，WFZ UV-2000，尤尼柯（上海）儀器有限公司；微電泳儀，JS94J型，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司。

②藥劑：聚合氯化鋁（PAC）液體原液，含量以Al2O3計(jì)為10.0%；有機(jī)陽(yáng)離子高分子絮凝劑聚二甲基二烯丙基氯化銨（PDM），選取1.60dL/g特征黏度，實(shí)驗(yàn)室自制。

③原水水樣：于某年秋季取自南京市某水廠。

(2)混凝耦合過(guò)濾條件

①混凝劑準(zhǔn)備

A.PAC溶液的配制：按Al2O3計(jì)，把液體PAC原液配制成一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液投加。

B.復(fù)合藥劑的配制：PAC按Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)為10.0%，按20:1 PAC:PDM（m:m）質(zhì)量配比將PDM加入PAC中，獲得1.60dL/g/20:1的PAC/PDM復(fù)合混凝劑。復(fù)合混凝劑配方以下面方法表示：PAC/PDM（PDM特征黏度/PAC:PDM質(zhì)量比例），其中PDM特征黏度單位為dL/g。

②混凝攪拌條件選擇和燒杯實(shí)驗(yàn)

A.原水水質(zhì)分析

實(shí)驗(yàn)前對(duì)原水進(jìn)行濁度、CODMn、氨氮、Zeta電位測(cè)定。

B.混凝攪拌條件選擇

攪拌條件按照文獻(xiàn)條件[14]。

C.投加量-余濁曲線測(cè)定

在1組（12個(gè)混凝燒杯）燒杯中加入1L水樣置于六聯(lián)攪拌儀中，按照上述設(shè)定條件，采用PAC和復(fù)合混凝劑PAC/PDM，按濃度梯度投加，完成混凝沉淀操作。沉淀后在液面下2cm處取100mL上清液測(cè)定其濁度，完成2種藥劑的投加量-余濁曲線測(cè)試，并對(duì)交點(diǎn)處的沉出水進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)分析測(cè)定。

③過(guò)濾條件的選擇與耦合過(guò)濾工藝試驗(yàn)

參考文獻(xiàn)[15]采用內(nèi)徑為18mm、長(zhǎng)度50cm左右的玻璃柱，裝填時(shí)在下端固定一塊玻璃布作為支撐，在玻璃布上，填入粒徑0.8mm石英砂，填充高度24cm。

依據(jù)投加量-余濁曲線測(cè)試，確定等濁等加量點(diǎn)后，分別進(jìn)行無(wú)機(jī)藥劑和復(fù)合藥劑強(qiáng)化混凝耦合過(guò)濾實(shí)驗(yàn)，連續(xù)過(guò)濾6L水，每過(guò)濾1L取100mL水樣用于測(cè)定濁度、CODMn、氨氮、Zeta電位。

(3)水質(zhì)等參數(shù)測(cè)定和處理效果評(píng)價(jià)方法

①測(cè)定方法

濁度測(cè)定方法為散射法[16]（福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)），CODMn測(cè)定方法為酸性高錳酸鉀滴定法[17]；氨氮測(cè)定方法為納氏試劑分光光度法[18]；Zeta電位測(cè)定方法為顯微電泳法[19]。

②評(píng)價(jià)方法

濁度、CODMn和氨氮水質(zhì)參數(shù)用于評(píng)價(jià)強(qiáng)化混凝耦合過(guò)濾效能，Zeta電位用于進(jìn)行機(jī)理分析。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)交點(diǎn)探索試驗(yàn)

①實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)江水水質(zhì)。依據(jù)1.2.2.1，對(duì)長(zhǎng)江水從濁度、CODMn、氨氮、Zeta電位進(jìn)行水質(zhì)分析作為對(duì)照基礎(chǔ)，實(shí)測(cè)結(jié)果見表1。

表1 長(zhǎng)江水原水水質(zhì)條件表

②投加量-余濁曲線和等投加量等濁交點(diǎn)。按照1.2.2.3，對(duì)無(wú)機(jī)藥劑與復(fù)合混凝劑進(jìn)行投加量-余濁曲線測(cè)定，得到圖1。由圖1確定兩者交點(diǎn)，對(duì)交點(diǎn)處的水質(zhì)參數(shù)測(cè)定，得到表2。

圖1 PAC和PAC/PDM等加藥量等沉出水余濁交線

表2 交點(diǎn)處沉出水水質(zhì)參數(shù)

由圖1和表2可知，當(dāng)在等投加量為2.8mg/L時(shí)，復(fù)合藥劑與PAC產(chǎn)生交點(diǎn)的濁度為1.20NTU附近；曲線總體趨勢(shì)為沉出水余濁隨投加量的增大而降低，在交點(diǎn)余濁以上，復(fù)合混凝劑具有等濁點(diǎn)節(jié)省藥劑和等投加量下效能更佳的特征，和之前的研究規(guī)律相似[12]。PAC/PDM復(fù)合藥劑在高沉出水濁度下相對(duì)于投加PAC效果更明顯，如投加量為2.0mg/L時(shí)，兩者沉出水濁度相差0.52NTU；而其沉出水在1.20NTU附近時(shí)濁度達(dá)到最低值，所以交點(diǎn)下復(fù)合藥劑的脫濁效能與PAC的處理效果相差無(wú)幾，但CODMn、氨氮和NDMA的去除能力仍然優(yōu)于單獨(dú)使用無(wú)機(jī)藥劑PAC，相對(duì)于后者，水質(zhì)參數(shù)去除率提升分別為2.30%和12.48%。

③耦合過(guò)濾工藝試驗(yàn)。按照1.2.3設(shè)計(jì)，在以上交點(diǎn)處分別對(duì)使用復(fù)合藥劑和無(wú)機(jī)藥劑PAC后的沉出水進(jìn)一步進(jìn)行耦合過(guò)濾處理，濾后水各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)測(cè)定結(jié)果如下圖2～圖5。

由圖2可知，雖然交點(diǎn)處取無(wú)機(jī)藥劑沉出水濁度略低，但濾后水的濁度在第1L降低后開始緩慢升高，而復(fù)合藥劑在過(guò)濾6L水過(guò)程中，濁度不斷下降。6L隨后依舊有下降趨勢(shì)；由圖3可以看出，對(duì)于使用復(fù)合藥劑后的沉出水，經(jīng)過(guò)過(guò)濾后的CODMn去除效果優(yōu)于使用無(wú)機(jī)藥劑后的沉出水情況，兩種藥劑均在過(guò)濾4～5L水后，濾柱對(duì)CODMn的去除能力達(dá)到最大；由圖4可知，使用復(fù)合藥劑后的的沉出水，經(jīng)過(guò)過(guò)濾后氨氮去除效果明顯優(yōu)于使用無(wú)機(jī)藥劑后的沉出水情況，氨氮去除率最大相差30.24%。但是，也觀察到了無(wú)機(jī)藥劑和復(fù)合藥劑在過(guò)濾3L水之后，氨氮去除率受到了限制；由圖5可知，使用復(fù)合藥劑沉出水的濾后水其Zeta電位值一直高于使用無(wú)機(jī)藥劑的情況。

圖2 過(guò)濾過(guò)程濁度測(cè)定結(jié)果

圖3 過(guò)濾過(guò)程CODMn測(cè)定結(jié)果

圖4 過(guò)濾過(guò)程氨氮測(cè)定結(jié)果

圖5 過(guò)濾過(guò)程Zeta電位測(cè)定結(jié)果

由表2對(duì)交點(diǎn)沉出水和圖5濾后水的Zeta測(cè)定結(jié)果表明，復(fù)合混凝凝劑所含陽(yáng)離子聚合物PDM不僅有強(qiáng)化原水中懸浮膠體顆粒的混凝過(guò)程的電中和、壓縮雙電層作用，來(lái)達(dá)到強(qiáng)化水質(zhì)參數(shù)去除的效能，而且有強(qiáng)化沉出水中懸浮膠體顆粒在過(guò)濾過(guò)程中在濾料表面的吸附作用，達(dá)到進(jìn)一步強(qiáng)化水質(zhì)參數(shù)去除的效能。

3.結(jié)論

（1）采用含PDM特征黏度1.60dL/g、PAC（Al2O3計(jì)）與其質(zhì)量比20:1的PAC/PDM復(fù)合藥劑處理南京段長(zhǎng)江原水，當(dāng)投加量為2.8mg/L時(shí)，其與PAC的等投加量等沉出水余濁交點(diǎn)在1.20NTU附近；復(fù)合混凝劑不僅在達(dá)到交叉點(diǎn)前，仍然保持有強(qiáng)化混凝效能優(yōu)勢(shì)，而且在交點(diǎn)，其CODMn和氨氮的去除能力仍然優(yōu)于單獨(dú)使用無(wú)機(jī)藥劑PAC的情況，相對(duì)于后者，水質(zhì)參數(shù)去除率提升分別為2.30%和12.48%。

（2）對(duì)交點(diǎn)處沉出水耦合過(guò)濾實(shí)驗(yàn)，使用復(fù)合藥劑后的沉出水，在經(jīng)過(guò)過(guò)濾后對(duì)出水質(zhì)參數(shù)的處理效能仍然均優(yōu)于使用無(wú)機(jī)藥劑后的過(guò)濾效能。相比使用無(wú)機(jī)藥劑PAC，使用PAC/PDM復(fù)合混凝劑的強(qiáng)化混凝耦合過(guò)濾過(guò)程，過(guò)濾后濁度、CODMn和氨氮去除率分別提升到99.27%、64.81%和53.57%，應(yīng)用Zeta電位跟蹤測(cè)定結(jié)果對(duì)復(fù)合藥劑強(qiáng)化混凝耦合過(guò)濾的效能提升做了初步機(jī)理解釋。