基于鄭州某水廠原水的聚合鋁強(qiáng)化混凝研究

李永勤，劉增軍

(1.濟(jì)南城建集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250031； 2.山東省城建設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250021)

0 引言

聚合氯化鋁(PAC)又名堿式氯化鋁或羥基氯化鋁，是20世紀(jì)60年代后期正式投入工業(yè)生產(chǎn)的一種新型無(wú)機(jī)高分子混凝劑。PAC與無(wú)機(jī)鹽類混凝劑相比，具有絮體形成速度快、沉降性能好、對(duì)水質(zhì)適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。但近年來(lái)，隨著水中污染的加劇，單獨(dú)投加PAC已不能滿足水質(zhì)處理要求，特別是對(duì)有機(jī)物的去除并不理想[1]，常需要投加助凝劑或其他預(yù)處理劑來(lái)提高出水水質(zhì)。

本實(shí)驗(yàn)以河南鄭州某水廠進(jìn)廠水為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，PAC是該水廠最常用的混凝劑，水廠出水常會(huì)面臨消毒副產(chǎn)物超標(biāo)或者是嗅味問(wèn)題，而單獨(dú)投加混凝劑很難解決此類問(wèn)題，而且單獨(dú)增大混凝劑投加量還會(huì)造成生產(chǎn)成本增加。本實(shí)驗(yàn)考察單獨(dú)投加PAC與PAC+助凝劑對(duì)原水的處理效果差別，PAC在投加助凝劑的基礎(chǔ)上分別用活性炭和高錳酸鉀作預(yù)處理劑對(duì)原水的處理效果差別。

1 實(shí)驗(yàn)材料及檢測(cè)方法

1)原水水質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2021年3月～2022年4月，水廠進(jìn)廠水黃河水的某二級(jí)沉砂池中層水，約為水面下3 m～4 m，試驗(yàn)期間原水水質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)期間原水水質(zhì)

2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器。

實(shí)驗(yàn)所用的中試設(shè)備處理水量為1 m3/h，主要由預(yù)處理罐、機(jī)械絮凝反應(yīng)池、斜管沉淀池、砂濾池組成。圖1為所用中試設(shè)備的工藝流程簡(jiǎn)圖。

3)實(shí)驗(yàn)試劑。

聚合氯化鋁(PAC)：液態(tài)，密度1.26 g/mL，氧化鋁(Al2O3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.3%，鹽基度80%，pH=4.0，不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.18%。

活化硅酸：液態(tài)，密度1.37 g/mL，二氧化硅(SiO2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)26.8%。

pH=2.4，氧化鈉(Na2O)質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.4%；粉末活性炭，高錳酸鉀(KMnO4)，分析純。

試驗(yàn)中其他檢測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)與方法、儀器如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 投加助凝劑與單獨(dú)投加混凝劑處理效果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)測(cè)試水樣為中試設(shè)備斜管沉淀池出水，測(cè)試數(shù)據(jù)為多次檢測(cè)后平均值。實(shí)驗(yàn)先單獨(dú)投加PAC，之后用活化硅酸作助凝劑，在相同混凝劑投加量下，通過(guò)小試實(shí)驗(yàn)，確定混凝劑∶助凝劑=4∶1聯(lián)合投加。實(shí)驗(yàn)選取濁度，CODMn,UV254三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，出水指標(biāo)如表3所示。

表2 水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目分析方法及儀器

單獨(dú)投加PAC，隨著投藥量增加，濁度去除率逐步提高，當(dāng)投藥量為60 mg/L時(shí)，濁度去除率達(dá)到最大，為63.2%。之后隨著投藥量增加，濁度去除率基本不變，出水濁度基本穩(wěn)定在4 NTU左右。這是因?yàn)槔^續(xù)增大混凝劑投加量，膠體顆粒的吸附面全部被高分子覆蓋，多余的混凝劑正離子吸附于顆粒表面，形成帶正電的膠體顆粒，使膠體顆粒不能聚集，從而導(dǎo)致出水濁度難以進(jìn)一步降低。

表3 投加助凝劑對(duì)比試驗(yàn)

混凝劑與助凝劑聯(lián)合投加，當(dāng)混凝劑投藥量小于30 mg/L時(shí)，其處理效果不如單獨(dú)投加助凝劑，這是因?yàn)榛罨杷嶂闹饕獧C(jī)理是吸附架橋，而混凝劑在低投藥量下，形成的絮體較少，不利于活化硅酸發(fā)揮助凝作用，而此時(shí)向水中投加助凝劑，也可能會(huì)一定程度增大原水濁度。之后隨著投加量升高，濁度的去除率也隨之升高。在投加助凝劑情況下，當(dāng)PAC投加量為40 mg/L時(shí)，濁度去除率66%已經(jīng)優(yōu)于單獨(dú)投加PAC的最大濁度去除率?？梢?jiàn)投加助凝劑能減少混凝劑投加量。

高錳酸鹽指數(shù)是指在酸性或堿性介質(zhì)中,以高錳酸鉀為氧化劑，處理水樣時(shí)所消耗的量，以O(shè)2mg/L表示。它表征大部分還原性有機(jī)物和還原性無(wú)機(jī)污染物的含量。在表3中，單獨(dú)投加PAC，CODMn的去除率隨投藥量增加而增加，投藥量為80 mg/L時(shí)，CODMn去除率達(dá)到最大為36.1%。PAC與活化硅酸聯(lián)合投加，隨著投藥量增加，去除率整體也是呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，相比較單獨(dú)投加PAC，它的去除率增長(zhǎng)趨勢(shì)較緩。在低投藥量下(<30 mg/L)，它對(duì)CODMn的去除效率要明顯優(yōu)于單獨(dú)投加PAC。之后隨著投藥量增加，活化硅酸的助凝效果不再明顯，兩者對(duì)CODMn的去除效率差別不大。

UV254代表水中含羧基和羥基等極性基團(tuán)的有機(jī)物。研究發(fā)現(xiàn)，UV254不僅與水中有機(jī)物有關(guān)，而且與消毒副產(chǎn)物的前體物有較好的相關(guān)性。由表3可知，單獨(dú)投加PAC，隨著投藥量增加，出水UV254逐步降低，但降低趨勢(shì)較緩。投藥量為80 mg/L時(shí)，去除率最大，僅為27.6%。當(dāng)投加助凝劑后，可以看到，在相同PAC投加量下，對(duì)UV254的去除率明顯提高，PAC投藥量為90 mg/L時(shí)，UV254去除率達(dá)到最大49%。

綜合比較CODMn和UV254，可以看出PAC與活化硅酸聯(lián)用，對(duì)于CODMn和UV254的去除效率都有進(jìn)一步的提高，在低投加量下兩者去除效率提高明顯，高投加量下UV254的去除效率進(jìn)一步提高，而CODMn的去除率變化不大。經(jīng)分析，這種差異主要是因?yàn)榻M成CODMn和UV254的有機(jī)物分子量不同。CODMn中小分子有機(jī)物比例要高于UV254，組成UV254的有機(jī)物分子量大都在3 000以上，在混凝過(guò)程中易被氫氧化鋁絮體所吸附，投加活化硅酸增加了吸附架橋作用，更有利于UV254去除[2]。

2.2 投加預(yù)處理劑處理效果

在各種完善水質(zhì)處理效果的深度處理技術(shù)中，活性炭吸附和高錳酸鉀預(yù)氧化是完善常規(guī)處理工藝以去除水中有機(jī)污染物比較成熟有效的方法。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)合水廠實(shí)際，選定這兩種預(yù)處理劑，其中活性炭投加范圍為0 mg/L～10 mg/L，高錳酸鉀投加量為0 mg/L～1.0 mg/L。預(yù)處理劑在混凝劑與助凝劑投加之前投加，預(yù)接觸時(shí)間為1 h，選定的評(píng)價(jià)指標(biāo)除濁度，CODMn,UV254外，增加嗅閾值，以考察兩種預(yù)處理劑對(duì)水中嗅味物質(zhì)的去除情況。聚合氯化鋁、活化硅酸投藥量分別為40 mg/L,10 mg/L。兩種預(yù)處理劑對(duì)水中各指標(biāo)的去除效果如圖2～圖5所示。其中投加指標(biāo)1,2,3,4,5,6所對(duì)應(yīng)的活性炭投加量為0 mg/L,2 mg/L,4 mg/L,6 mg/L,8 mg/L,10 mg/L，對(duì)應(yīng)的高錳酸鉀投加量為0 mg/L,0.2 mg/L,0.4 mg/L,0.6 mg/L,0.8 mg/L,1.0mg/L。

由圖2～圖5可以看出，以PAC投加活性炭能一定程度的增加對(duì)濁度，CODMn，UV254，嗅閾值的去除率。且隨著活性炭投加量的增加，上述指標(biāo)的去除率逐步升高。活性炭投加量為8 mg/L時(shí)，出水濁度為1.40 NTU，與不投加活性炭對(duì)比降低了約1 NTU。當(dāng)活性炭投加量小于8 mg/L時(shí)，CODMn和UV254的去除率隨活性炭投加量增加去除率降低比較緩慢，超過(guò)8 mg/L時(shí)，去除率增加較快。當(dāng)活性炭投加量為10 mg/L時(shí)，出水CODMn為0.92 mg/L，比不投加活性炭降低了約64%，出水UV254為0.032，比不投加活性炭降低了50%。嗅閾值隨著活性炭投加量的增加，去除率也逐步提高，當(dāng)活性炭投加量為10 mg/L時(shí)，出水嗅閾值為3.5，而不投加活性炭時(shí)，出水嗅閾值為8，嗅閾值明顯降低。

綜合來(lái)看，投加粉末活性炭對(duì)于上述四個(gè)指標(biāo)均有一定程度的提高。隨著投加量的增大，對(duì)于有機(jī)物指標(biāo)(CODMn,UV254)和水中嗅味均有良好的去除效果。這是因?yàn)榛钚蕴康陌l(fā)達(dá)微孔結(jié)構(gòu)以及巨大的比表面積，對(duì)于水中溶解度低、親水性差、弱極性的有機(jī)物可以進(jìn)行有效吸附[3-4]。

相比較活性炭，高錳酸鉀作預(yù)處理劑時(shí)，對(duì)于濁度，CODMn，UV254，高錳酸鉀投加量為0.2 mg/L時(shí)，三者比不投加高錳酸鉀都有一定程度的降低，之后隨著投加量的增加，三者的去除率變化不大，當(dāng)高錳酸鉀投加量過(guò)高時(shí)，都會(huì)有一定程度的上升。由圖4可知，投加高錳酸鉀可以提高嗅閾值去除率，并且隨著投加量的增加，嗅閾值也逐步降低。由此可見(jiàn)，高錳酸鉀作預(yù)處理劑，對(duì)于常規(guī)指標(biāo)的去除效果并不明顯，但可以一定程度降低水中嗅閾值。

研究證實(shí)，高錳酸鉀預(yù)氧化是由氧化和新生態(tài)水與二氧化錳共同作用[5]。當(dāng)高錳酸鉀投加量過(guò)大時(shí)，過(guò)高的氧化作用使水中大分子有機(jī)物變?yōu)樾》肿佑袡C(jī)物，使有機(jī)物濃度升高，而過(guò)高濃度的有機(jī)物會(huì)附著在膠體顆粒表面，形成有機(jī)保護(hù)膜，提高了膠體在水中的穩(wěn)定性[6]?？赡苷腔诖朔N原因，當(dāng)高錳酸鉀投加量過(guò)高時(shí)，會(huì)使有機(jī)物指標(biāo)(CODMn和UV254)去除率出現(xiàn)一定程度的降低。

用PAC作混凝劑，分別投加活性炭和高錳酸鉀作預(yù)處理劑，從以上四個(gè)指標(biāo)來(lái)看，隨著投加量的增加，活性炭對(duì)濁度，CODMn,UV254的去除效果要優(yōu)于高錳酸鉀，從有機(jī)物分子量來(lái)看，這主要是因?yàn)橥都覲AC時(shí)，混凝劑主要是對(duì)大分子量有機(jī)物的去除[7-9]，投加活性炭后，它的吸附作用主要是去除小分子有機(jī)物，兩者能形成明顯的互補(bǔ)，因此可以使水中CODMn,UV254等有機(jī)物指標(biāo)去除率提高，而高錳酸鉀和活性炭對(duì)嗅閾值的去除率效果相差不大。

3 結(jié)論

1)在上述水源水質(zhì)下，單獨(dú)投加PAC的最佳投加量為60 mg/L。投加活化硅酸能明顯提高濁度、UV254的去除率，降低混凝劑使用量，對(duì)于CODMn，在混凝劑高投量下，活化硅酸助凝效果不明顯。2)當(dāng)用PAC作混凝劑，活化硅酸作助凝劑時(shí)，活性炭和高錳酸鉀作預(yù)處理劑都能有效降低水中嗅閾值。而兩者相比，活性炭對(duì)于水中濁度，CODMn,UV254的去除效果要優(yōu)于高錳酸鉀。3)建議水廠在水質(zhì)無(wú)重大問(wèn)題時(shí)，采用活化硅酸助凝的方式來(lái)提升出廠水水質(zhì)。當(dāng)水廠出現(xiàn)水質(zhì)問(wèn)題時(shí)，如消毒副產(chǎn)物超標(biāo)或者嗅味問(wèn)題，可采用預(yù)投加活性炭的方式來(lái)進(jìn)行處理。