聚丙烯酰胺在常規(guī)處理工藝凈水廠中的應(yīng)用

李建勤，李祥林，李崢嶸

(蕪湖華衍水務(wù)有限公司，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人民生活品質(zhì)越來越高，隨著原水水質(zhì)污染的加劇與飲用水水質(zhì)指標(biāo)日益提高，凈水廠常規(guī)水處理工藝不能滿足人民日益增長的生活品質(zhì)追求。凈水廠工藝技術(shù)的升級(jí)或改造對(duì)于提高水質(zhì)具有顯著效果，但需要大量的資金和時(shí)間投入，高昂的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)對(duì)于供水體量較小的水廠來說是無力承擔(dān)的，因此如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)又高效的技術(shù)提升滿足水廠運(yùn)行是一個(gè)重要且可行的課題，強(qiáng)化混凝是對(duì)現(xiàn)有工藝技術(shù)潛力發(fā)掘的可實(shí)施技術(shù)改造，也是目前最高效便捷的技術(shù)手段之一。通過投加合適且適量的混凝劑或混凝劑與助凝劑配合使用以加強(qiáng)混凝與絮凝效果，達(dá)到常規(guī)處理工藝在絮凝平流沉淀池階段盡可能多地去除水中的雜質(zhì)和有機(jī)物[1]。

蕪湖某水廠采用的是混凝—沉淀—過濾—消毒的常規(guī)凈水處理工藝，設(shè)計(jì)處理水量為150 000 m3/d，原水取自長江蕪湖段，長江水質(zhì)長期穩(wěn)定在Ⅱ類水質(zhì)，水廠工藝運(yùn)行穩(wěn)定。受供水區(qū)域變化影響，2022 年開始每日供水量增加到15 萬～19 萬m3之間，高負(fù)荷供水直接縮短混凝劑與水接觸時(shí)間，原水與混凝劑無法充分反應(yīng)，導(dǎo)致混凝劑的絮凝能力降低，形成的“礬花”細(xì)小，結(jié)構(gòu)松散，形成的速度較為緩慢，因“礬花”自身重力小導(dǎo)致下沉速度慢，混凝效果大大降低，大量的細(xì)小“礬花”聚集在集水槽處出現(xiàn)跑“礬花”現(xiàn)象，導(dǎo)致沉淀池出水濁度增加。V 型濾池因沉淀池出水濁度增加大大增加運(yùn)行負(fù)荷，縮短了氣-水反沖洗周期，水廠自用水率也有所提升，出廠水濁度也有所提高[2]。為了強(qiáng)化混合絮凝沉淀效果，提高常規(guī)凈水處理工藝處理能力，提升出廠水水質(zhì)品質(zhì)，蕪湖某水廠采用陰離子型聚丙烯酰胺助凝劑與聚合氯化鋁混合使用，取得良好效果。

1 試驗(yàn)儀器和方法

1.1 主要試驗(yàn)儀器

儀器：分析天平(PA1004)；混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)(ZR4-6)；臺(tái)式濁度儀(HACH 2100N)；助凝劑加注設(shè)備(普羅名特流體控制(大連)有限公司)。

試驗(yàn)：氧化鋁含量10%的混凝劑聚合氯化鋁(PAC)，助凝劑聚丙烯酰胺(PAM)：包括陽離子型、中離子型、陰離子型；氫氧化鈉(分析級(jí))。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)員根據(jù)《水處理工程理論與應(yīng)用》和《給水處理》推介使用的混凝攪拌實(shí)驗(yàn)方法[3]，模擬凈水廠處理工藝的混合絮凝沉淀階段，第一階段為快速混合階段，實(shí)現(xiàn)混凝劑與原水充分混合反應(yīng)，聚合氯化鋁在電性中和的作用下，帶負(fù)電荷的膠體電位降至臨界點(diǎn)產(chǎn)生聚結(jié)形成細(xì)密的小“礬花”，設(shè)定攪拌器轉(zhuǎn)速為150 r/min，設(shè)置時(shí)間為3 min；第二階段為絮凝反應(yīng)段，此階段細(xì)密的“礬花”在高分子吸附架橋和網(wǎng)捕的作用下形成顆粒較大的“礬花”，設(shè)定攪拌器轉(zhuǎn)速為50 r/min，設(shè)置時(shí)間為5 min,觀察并記錄“礬花”形成情況；第三階段為沉淀階段，較大顆粒的礬花在自身重力的作用下沉降至沉淀池的底部，實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)、有機(jī)物的去除，設(shè)定攪拌器轉(zhuǎn)速為0 r/min，設(shè)置時(shí)間為15 min。當(dāng)凈水廠常規(guī)處理工藝無法滿足出廠水水質(zhì)要求時(shí)，實(shí)驗(yàn)室模擬水廠下運(yùn)行情況進(jìn)行混凝劑最佳投加量實(shí)驗(yàn)，得出最佳加藥量，但混凝劑最佳投加量無法滿足此時(shí)水廠生產(chǎn)水質(zhì)要求時(shí)，再進(jìn)行助凝劑與混凝劑配合使用混凝沉降試驗(yàn)，最后將助凝劑混凝攪拌試驗(yàn)最佳結(jié)果運(yùn)用到凈水廠實(shí)際生產(chǎn)中。

1.2.2 生產(chǎn)性試驗(yàn)研究

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用到設(shè)計(jì)處理水量為150 000 m3/d的蕪湖某水廠。

2 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 聚丙烯酰胺的選型

聚丙烯酰胺根據(jù)離子類型分為陰離子、陽離子和非離子型。陽離子型因含有微量毒性一般運(yùn)用在污水處理等工藝中，凈水廠采用的助凝劑聚丙烯酰胺為安全等級(jí)較高的非離子型或陰離子型。

通過小樣燒杯試驗(yàn)分析，由表1 可知陰離子聚丙烯酰胺助凝效果更好，這是因?yàn)殛庪x子分子鏈中含有一定數(shù)量的極性基團(tuán)，極性集團(tuán)可以吸附水中懸浮的帶電固體粒子，在電中和的作用下帶電固體形成不帶電的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在吸附架橋或網(wǎng)捕的作用下粒子凝聚形成大的絮凝物，明顯增加“礬花”的粒徑及重量，加速沉降速度達(dá)到加速澄清效果。

表1 不同類型聚丙烯酰胺濁度去除試驗(yàn)

2.2 最佳加注點(diǎn)試驗(yàn)

聚丙烯酰胺作為長鏈大分子需要外力作用下才能展開分子鏈，作為助凝劑主要依靠長分子鏈吸附架橋作用實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化絮凝效果。如圖1 所示，投加適量聚合氯化鋁后，其水解產(chǎn)物與原水帶電膠體產(chǎn)生絮凝效果，形成一定數(shù)量一定粒徑的微小“礬花”后，此時(shí)投加聚丙烯酰胺，在攪拌器的作用下，長鏈大分子均勻分散在水中，增強(qiáng)吸附架橋效果，使得小“礬花”快速聚集成大顆粒絮凝體。通過混凝攪拌小樣試驗(yàn)分析可知，投加聚合氯化鋁后120 s 投加聚丙烯酰胺效果較好，即折板絮凝池的第一絮凝段和第二絮凝段交界處。

圖1 不同類型聚丙烯酰胺加注點(diǎn)試驗(yàn)

2.3 聚丙烯酰胺最佳投加量

選用聚合氯化鋁投加量為24.50 kg/kt，按不同陰離子型聚丙烯酰胺投加量在2.2 實(shí)驗(yàn)的最佳投加點(diǎn)投加，按照1.2.1 實(shí)驗(yàn)方法重復(fù)實(shí)驗(yàn)從而確定聚丙烯酰胺最佳投加量范圍(如圖2 所示)。

圖2 聚丙烯酰胺投加量

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)聚丙烯酰胺投加量過少時(shí)，長鏈分子吸附架橋效果有限，“礬花”數(shù)量無明顯增多，粒徑也無明顯增大，導(dǎo)致濁度無顯著降低；聚丙烯酰胺投加量過大時(shí)，“礬花”快速形成大顆粒絮凝體快速沉降至底部，缺少“礬花”在下降過程中的相互作用，使得“礬花”大小不一，小“礬花”懸浮在上清液中，導(dǎo)致濁度上升，同時(shí)過量的聚丙烯酰胺分子將微絮體包裹在里面，使不穩(wěn)定的絮體重新帶電穩(wěn)定，失去成長的機(jī)會(huì)，濁度反而出現(xiàn)上揚(yáng)。由圖2 可知聚丙烯酰胺最佳投加量范圍為0.04～0.12 mg/L。

3 聚丙烯酰胺堿化

聚丙烯酰胺直接投入水中溶解形成塊狀無法溶解，在溶解過程中加入一定比例的氫氧化鈉可以加速溶解，溶解后需靜置8 h 使其充分堿化，充分堿化后卷曲的聚丙烯酰胺高分子鏈充分展開，展開后的分子鏈與水充分混勻，大大增強(qiáng)吸附架橋效果，充分發(fā)揮聚丙烯酰胺的助凝效果[4]。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，需要現(xiàn)配現(xiàn)用聚丙烯酰胺，一般采用堿化比為1.0∶0.2，即溶解1 g 聚丙烯酰胺的同時(shí)加入0.2 g 氫氧化鈉固體。

4 凈水廠生產(chǎn)性應(yīng)用研究

在混凝攪拌實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)性試驗(yàn)，蕪湖某水廠有可獨(dú)立的兩組沉淀池和V 型濾池，水廠利用原有的助凝劑投加設(shè)備溶解聚丙烯酰胺，按照1.0∶0.2 的比例加入氫氧化鈉促進(jìn)堿化，堿化溫度為55 ℃，配置好的0.1% 的備用溶液在耐腐蝕泵加壓下，通過不銹鋼管道輸送至折板絮凝池第一、第二階段交界處，投加量根據(jù)原水流量及濁度調(diào)整，原水在不同濁度下聚丙烯酰胺的最佳投加量(如圖3 所示)。

圖3 聚丙烯酰胺的投加量與原水濁度關(guān)系折線圖

在取水流量為173 000 m3/d 時(shí)，東沉淀池按照?qǐng)D3 投加聚丙烯酰胺，西沉淀池不投加助凝劑，比較兩組沉淀池出水濁度及“礬花”沉降區(qū)長度，結(jié)果如表2所示，可知沉淀池出水濁度降低了40%左右，“礬花”沉降區(qū)縮短了8 m 左右，助凝效果明顯，同期同側(cè)1-5號(hào)V 型濾池濾后水濁度達(dá)到0.1 NTU 以下。兩組濾池濾后水濁度對(duì)比如圖4 所示。

圖4 兩組濾池濾后水濁度對(duì)比圖

表2 沉淀池出水濁度和“礬花”沉降區(qū)統(tǒng)計(jì)表

5 聚丙烯酰胺應(yīng)用凈水處理的安全性驗(yàn)證

聚丙烯酰胺作為凈水廠常用的混凝助凝劑，本身是無毒的，水解后的聚丙烯酰胺單體毒性一直是我們非常高度關(guān)注的問題。根據(jù)國內(nèi)外動(dòng)物毒理大量實(shí)驗(yàn)表明，PAM 高分子絮凝劑屬于無致癌、無致畸、無致突變的“三無”產(chǎn)品。由小白鼠和大白鼠急性灌胃給藥實(shí)驗(yàn)可知，聚丙烯酰胺劑量高達(dá)7.5 g/kg 時(shí)白鼠未出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，也未出現(xiàn)任何中毒癥狀[5]。

根據(jù)新版GB 5749—2022 《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：飲用水中丙烯酰胺單體殘留量限值為0.000 5 mg/L，對(duì)前期小樣燒杯試驗(yàn)靜止水和生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)的出廠水樣品進(jìn)行高效液相色譜檢測(cè)，未檢測(cè)出丙烯酰胺單體，因而聚丙烯酰胺的使用是安全的。丙烯酰胺單體檢測(cè)圖譜如圖5 所示。

圖5 丙烯酰胺檢測(cè)圖譜

6 結(jié)語

(1)陽離子型聚丙烯酰胺一般不用于飲用水處理，同分子量的陰離子聚丙烯酰胺比非離子型助凝效果好，使用安全性得到驗(yàn)證。

(2)助凝劑聚丙烯酰胺應(yīng)投加在距聚合氯化鋁投加點(diǎn)后120 s 左右的位置距離，聚合氯化鋁水解后作用下形成的細(xì)碎“礬花”在聚丙烯酰胺的長鏈分子的吸附架橋作用下形成加大粒徑的絮體，絮體在自身重力作用快速沉降。

(3) 助凝劑聚丙烯酰胺的投加量的最佳范圍為0.04～0.12 mg/L。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)聚合氯化鋁的投加量，原水濁度、溫度、流量等因素調(diào)整PAM 投加量。

(4)在水廠高負(fù)荷運(yùn)行的情況下，投加聚丙烯酰胺具有良好的助凝效果，出廠水水質(zhì)穩(wěn)定，濁度可達(dá)到0.1 NTU 以下。