低温、低浊、低碱度水助凝效能
2015-07-13 10:12 分类：技术应用 来源：中国污水处理工程网
根据低温、低浊水的水质特点〔1〕，净水厂在既有土建基础上，通常采用投加助凝剂的方法来减少混凝剂投加量和污泥量，提高沉淀效率，从而节约制水成本〔2〕。生石灰(CaO)、聚丙烯酰胺(PAM)、活化硅酸(AS)以及改性活化硅酸等常见助凝剂，已在实际生产中得到广泛应用。CaO 可以促进混凝剂水解，同时缓解因混凝造成的出水pH 降低，尤其对低碱度水的助凝作用甚为明显。Mingquan Yan 等〔3〕认为，利用 CaO/NaHCO3 调节原水碱度后，再配合低盐基度聚合氯化铝(PACl)处理低碱度水，可以大大提高对天然有机物和颗粒物的去除效果。王桂荣等〔4〕也认为，调节原水碱度/pH 后，能改善聚合氯化铝对低温、低浊、低碱度水的混凝效能。APAM 和AS 对低温、低浊水具有较强的助凝作用，大量研究表明〔5, 6, 7, 8, 9〕，其投加量和投加点对混凝效果影响较大，且助凝效果与混凝剂种类密切相关，但有关APAM 和AS 对低碱度水的助凝效果的报道较少。
本研究结合低温、低浊、低碱度水的特点，以 PACl 为絮凝剂，对CaO、APAM 和AS 的单独助凝条件进行了优化，并进一步考察了APAM 和AS 分别与CaO 联用的助凝效果，旨在找出适合低温、低浊、低碱度水的助凝技术。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
天然胶体储备液( 用深层泥土配制，浊度为 1 000 NTU); 聚合氯化铝(PACl，Al2O3 质量分数为 28%);生石灰储备液(CaO 质量分数为50%);阴离子型聚丙烯酰胺(APAM，相对分子质量500 万以上);活化硅酸(AS，活化度为80%，活化时间为1 h)。上述储备液在4 ℃条件下保存。
将天然胶体储备液、滤后生活污水和某城市自来水按体积比3∶5∶142 混合，冷冻保存24 h，模拟低温、低浊、微污染地表水。模拟水水质：温度为3~ 5 ℃，碱度(以CaO 计)为0.31~0.44 mmol/L，pH 为 6.92~7.18，浊度为9.98~11.50 NTU，CODMn 为3.25~ 3.47 mg/L，TOC 为3.41~3.68 mg/L。
1.2 试验方法
分别取若干个1 L 模拟水样于2 L 烧杯中，将其置于ZR4-6 六联搅拌机上，先以300 r/min 快速搅拌1 min;然后以120 r/min 中速搅拌1 min;再以 50 r/min 慢速搅拌15 min;最后静置20 min，测定上清液浊度、CODMn 和TOC 等指标。于300 r/min 快速混合阶段投加3~18 mg/L 的PACl，以确定其最佳投加量;然后在不同的投加位置投加不同量的助凝剂，考察助凝剂的助凝效能，以此优化助凝条件。
1.3 分析方法
pH 采用pHS-3C 型酸度计进行测定;浊度采用 HACH2100P 浊度仪进行测定;TOC 采用TOC 测定仪(Shimadzu，TOC-VCPN)进行测定;碱度和CODMn 的测定参照《水和废水检测分析方法》。
2 结果与讨论
单独采用PACl 处理模拟低温、低浊、微污染地表水的试验结果表明，当PACl 投加量为9 mg/L 时，出水浊度最小为3.67 NTU，浊度去除率为65.1%。此时，CODMn 和TOC 的去除率分别为16.3%和14.3%。同时观察到生成的矾花松而细，而且凝聚缓慢。
2.1 CaO 投加量的确定
铝离子的水解反应是吸热反应，水温低则水解速度慢，投加适量的CaO 能加快水解反应速率，也可以使PACl 水解产物形态更佳。PACl 投加量为9 mg/L，在PACl 之前30 s 投加0.25、0.5、1.0 mmol/L 的CaO，原水pH 分别调至7.5、8.0 和9.0 左右。CaO 投加量对混凝处理效果的影响如图 1 所示。
图 1 CaO 投加量对混凝处理效果的影响
由图 1 可知，当CaO 投加量为0.5 mmol/L 时，浊度去除率达到80%，较单独采用PACl 混凝提高了 14.9%;CODMn 和TOC 去除率分别在CaO 投加量为 0.5、0.25 mmol/L 时得到明显提升，但随后急剧下降，当CaO 投加量增至1.0 mmol/L 时，出水CODMn 和 TOC 较单独投加PACl 时还高。综合考虑，确定CaO 投加量为0.5 mmol/L，此时出水pH 满足GB 5749— 2006 标准的要求。
2.2 APAM 投加量和投加点的确定
APAM 的水解产物中部分酰胺基带负电，可改善絮体结构，提高沉降速度和固液分离效率。由于单体丙烯酰胺具有毒性，APAM 投加量不宜过大。本研究在PACl 投加量为9 mg/L 的条件下，考察了 APAM 投加量及投加点对混凝处理效果的影响，结果见图 2。
图 2 APAM 投加量及其投加点对混凝处理效果的影响
由图 2(b) 可知，在APAM 投加量为0.3 mg/L 时，其投加点对浊度、CODMn 去除率影响较小，不同投加点的浊度、CODMn 去除率分别维持在85%、24% 左右。但投加点对TOC 去除率影响较大，其投加点越接近PACl 投加点，TOC 去除率越大。延迟PACl 30 s 投加APAM 去除效果最好，浊度、CODMn 和TOC 去除率分别为88.1%、26.6%和25.3%，故APAM 最佳投加点为滞后PACl 30 s。
由此表明，APAM 不仅能改善絮体结构，还能显著提高浊度去除率并起到吸附架桥的作用，其本身可作为混凝剂进一步增强对CODMn 和TOC 的去除效果。
2.3 AS 投加量和投加点的确定
水玻璃经酸中和后形成具有絮凝作用的高聚硅酸，其分子链上的活性基团可与胶体颗粒表面间的氢键相结合表现出很强的吸附架桥作用。本研究以 PACl 为絮凝剂，在其投加量为9 mg/L 的条件下，考察了AS 投加量及其投加点对混凝处理效果的影响，结果如图 3 所示。
图 3 AS 投加量及其投加点对混凝处理效果的影响
由图 3(a) 可知，当AS 投加量为0.485~1.985 mg/L 时，浊度去除率基本稳定在81.7%，比单独采用PACl 混凝高16%左右。随着AS 投加量的增加， CODMn 和TOC 去除率均先增大后减小，当AS 投加量为1.485 mg/L 时，CODMn 和TOC 去除率最大，分别为31.8%和32.2%，较单独采用PACl 混凝分别提高了16.2%和16.8%。同时试验过程中发现，投加 AS 后形成矾花的速度比APAM 慢(约在投加PACl 之后7 min)，但絮体较投加APAM 时大，沉降更快。
由图 3(b)可知，当AS 投加量为1.485 mg/L 时，在1.5 min 的快速混合阶段，浊度去除率基本稳定，此后浊度去除率开始降低，于混凝剂投加60 s 后投加AS，浊度去除率最高，达83%。CODMn 和TOC 去除率随AS 投加点的变化基本相同，投加时间延迟 30~60 s，CODMn 和TOC 去除率最大，分别为32.6% 和34.2%。
由此可知，AS 对有机物有强化助凝作用，这可能是由于AS 与PACl 形成的多核高聚物和Al(OH)3(Alc)共同对有机物进行电中和、络合和吸附作用的结果。
2.4 APAM、AS 分别与CaO 联用的助凝效果
CaO 与APAM、CaO 与AS 联用的助凝效果如图 4 所示。其中CaO 的投加量为0.5 mmol/L，将原水 pH 调节至8.0 左右，然后滞后PACl 30 s 和60 s 分别投加不同量的APAM 和AS。PACl 投加量为9 mg/L。
图 4 APAM 与CaO、AS 与CaO 联用的助凝效果
由图 4 (a) 可知，在投加CaO 情况下，随着 APAM 投加量的增加，浊度去除率先增加后急剧减少，当APAM 投加量为0.05~0.1 mg/L 时效果较好，浊度去除率维持在82.3%，比单独CaO 助凝时高。但随着APAM 投加量的增加，CODMn 和TOC 去除率一直在减小直至持平，CODMn 和TOC 去除率最高点均在APAM 投加量为0 时，说明CaO 与APAM 联用对有机物的去除效果较单独采用CaO 助凝时差。
由图 4(b)可知，在投加CaO 情况下，随着AS 投加量的增加，浊度去除率先降低再升高后一直降低，CODMn 和TOC 去除率则先增大后减小至持平。当AS 投加量为0.495 mg/L 时，浊度、CODMn 和TOC去除率均较高，分别为80.5%、30.8%和32.1%，但浊度去除率较单独采用CaO 助凝时低1.6%，而CODMn 和TOC 去除率则分别高5%和5.4%。
研究表明，在CaO 改变碱度/pH 的情况下，当 APAM 和AS 均处于较低投加量时混凝效果较好，整体而言，浊度和有机物去除效果不理想。
2.5 不同助凝剂助凝效能对比分析
不同助凝剂助凝效能对比分析结果如图 5 所示。其中：A 为单独PACl;B 为CaO 助凝;C 为 APAM 助凝，且APAM 延迟PACl 30 s 投加;D 为 APAM 与CaO 共同助凝;E 为AS 助凝，且在PACl 之后30~60 s 投加;F 为AS 与CaO 共同助凝。
图 5 不同助凝剂助凝效能对比
由图 5 可知：5 种助凝剂均能提高对浊度和有机物的去除效果，但APAM、AS 分别与CaO 联用的助凝效果不理想。浊度去除率的大小顺序为：APAM (88.1%)>AS(83%)>CaO(80.1%)≈AS+CaO(80.5%)> APAM+CaO(75.2%)>单独PACl(65.1%); 对CODMn 和TOC 的去除效能依次为：AS >AS +CaO >CaO > APAM+CaO≈APAM>单独PACl。因此，兼顾除浊和除有机物，AS 助凝效果最佳。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3 结论
(1)对低温、低浊、低碱度水，以PACl 为絮凝剂，APAM 的助凝除浊能力最强，浊度去除率为 88.1%，其投加点对助凝效果影响较小;AS 的投加量和投加点对混凝处理效果影响显著，延迟PACl 30~ 60 s 投加AS，当AS 投加量(以SiO2 计)为1.485 mg/L 时，对CODMn 和TOC 的去除效果最佳，去除率分别为32.6%和34.2%。
(2)APAM 、AS 分别与CaO 联用的助凝效果不佳，这可能是由于PACl 水解产物平衡被打破及胶体颗粒与有机物表面电荷发生了变化造成的。
(3)兼顾除浊和除有机物，采用AS 助凝剂助凝是提高类似水体混凝沉淀工艺污染物去除率的有效途径之一。
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本研究结合低温、低浊、低碱度水的特点，以 PACl 为絮凝剂，对CaO、APAM 和AS 的单独助凝条件进行了优化，并进一步考察了APAM 和AS 分别与CaO 联用的助凝效果，旨在找出适合低温、低浊、低碱度水的助凝技术。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
天然胶体储备液( 用深层泥土配制，浊度为 1 000 NTU); 聚合氯化铝(PACl，Al2O3 质量分数为 28%);生石灰储备液(CaO 质量分数为50%);阴离子型聚丙烯酰胺(APAM，相对分子质量500 万以上);活化硅酸(AS，活化度为80%，活化时间为1 h)。上述储备液在4 ℃条件下保存。
将天然胶体储备液、滤后生活污水和某城市自来水按体积比3∶5∶142 混合，冷冻保存24 h，模拟低温、低浊、微污染地表水。模拟水水质：温度为3~ 5 ℃，碱度(以CaO 计)为0.31~0.44 mmol/L，pH 为 6.92~7.18，浊度为9.98~11.50 NTU，CODMn 为3.25~ 3.47 mg/L，TOC 为3.41~3.68 mg/L。
1.2 试验方法
分别取若干个1 L 模拟水样于2 L 烧杯中，将其置于ZR4-6 六联搅拌机上，先以300 r/min 快速搅拌1 min;然后以120 r/min 中速搅拌1 min;再以 50 r/min 慢速搅拌15 min;最后静置20 min，测定上清液浊度、CODMn 和TOC 等指标。于300 r/min 快速混合阶段投加3~18 mg/L 的PACl，以确定其最佳投加量;然后在不同的投加位置投加不同量的助凝剂，考察助凝剂的助凝效能，以此优化助凝条件。
1.3 分析方法
pH 采用pHS-3C 型酸度计进行测定;浊度采用 HACH2100P 浊度仪进行测定;TOC 采用TOC 测定仪(Shimadzu，TOC-VCPN)进行测定;碱度和CODMn 的测定参照《水和废水检测分析方法》。
2 结果与讨论
单独采用PACl 处理模拟低温、低浊、微污染地表水的试验结果表明，当PACl 投加量为9 mg/L 时，出水浊度最小为3.67 NTU，浊度去除率为65.1%。此时，CODMn 和TOC 的去除率分别为16.3%和14.3%。同时观察到生成的矾花松而细，而且凝聚缓慢。
2.1 CaO 投加量的确定
铝离子的水解反应是吸热反应，水温低则水解速度慢，投加适量的CaO 能加快水解反应速率，也可以使PACl 水解产物形态更佳。PACl 投加量为9 mg/L，在PACl 之前30 s 投加0.25、0.5、1.0 mmol/L 的CaO，原水pH 分别调至7.5、8.0 和9.0 左右。CaO 投加量对混凝处理效果的影响如图 1 所示。
图 1 CaO 投加量对混凝处理效果的影响
由图 1 可知，当CaO 投加量为0.5 mmol/L 时，浊度去除率达到80%，较单独采用PACl 混凝提高了 14.9%;CODMn 和TOC 去除率分别在CaO 投加量为 0.5、0.25 mmol/L 时得到明显提升，但随后急剧下降，当CaO 投加量增至1.0 mmol/L 时，出水CODMn 和 TOC 较单独投加PACl 时还高。综合考虑，确定CaO 投加量为0.5 mmol/L，此时出水pH 满足GB 5749— 2006 标准的要求。
2.2 APAM 投加量和投加点的确定
APAM 的水解产物中部分酰胺基带负电，可改善絮体结构，提高沉降速度和固液分离效率。由于单体丙烯酰胺具有毒性，APAM 投加量不宜过大。本研究在PACl 投加量为9 mg/L 的条件下，考察了 APAM 投加量及投加点对混凝处理效果的影响，结果见图 2。
图 2 APAM 投加量及其投加点对混凝处理效果的影响
由图 2(b) 可知，在APAM 投加量为0.3 mg/L 时，其投加点对浊度、CODMn 去除率影响较小，不同投加点的浊度、CODMn 去除率分别维持在85%、24% 左右。但投加点对TOC 去除率影响较大，其投加点越接近PACl 投加点，TOC 去除率越大。延迟PACl 30 s 投加APAM 去除效果最好，浊度、CODMn 和TOC 去除率分别为88.1%、26.6%和25.3%，故APAM 最佳投加点为滞后PACl 30 s。
由此表明，APAM 不仅能改善絮体结构，还能显著提高浊度去除率并起到吸附架桥的作用，其本身可作为混凝剂进一步增强对CODMn 和TOC 的去除效果。
2.3 AS 投加量和投加点的确定
水玻璃经酸中和后形成具有絮凝作用的高聚硅酸，其分子链上的活性基团可与胶体颗粒表面间的氢键相结合表现出很强的吸附架桥作用。本研究以 PACl 为絮凝剂，在其投加量为9 mg/L 的条件下，考察了AS 投加量及其投加点对混凝处理效果的影响，结果如图 3 所示。
图 3 AS 投加量及其投加点对混凝处理效果的影响
由图 3(a) 可知，当AS 投加量为0.485~1.985 mg/L 时，浊度去除率基本稳定在81.7%，比单独采用PACl 混凝高16%左右。随着AS 投加量的增加， CODMn 和TOC 去除率均先增大后减小，当AS 投加量为1.485 mg/L 时，CODMn 和TOC 去除率最大，分别为31.8%和32.2%，较单独采用PACl 混凝分别提高了16.2%和16.8%。同时试验过程中发现，投加 AS 后形成矾花的速度比APAM 慢(约在投加PACl 之后7 min)，但絮体较投加APAM 时大，沉降更快。
由图 3(b)可知，当AS 投加量为1.485 mg/L 时，在1.5 min 的快速混合阶段，浊度去除率基本稳定，此后浊度去除率开始降低，于混凝剂投加60 s 后投加AS，浊度去除率最高，达83%。CODMn 和TOC 去除率随AS 投加点的变化基本相同，投加时间延迟 30~60 s，CODMn 和TOC 去除率最大，分别为32.6% 和34.2%。
由此可知，AS 对有机物有强化助凝作用，这可能是由于AS 与PACl 形成的多核高聚物和Al(OH)3(Alc)共同对有机物进行电中和、络合和吸附作用的结果。
2.4 APAM、AS 分别与CaO 联用的助凝效果
CaO 与APAM、CaO 与AS 联用的助凝效果如图 4 所示。其中CaO 的投加量为0.5 mmol/L，将原水 pH 调节至8.0 左右，然后滞后PACl 30 s 和60 s 分别投加不同量的APAM 和AS。PACl 投加量为9 mg/L。
图 4 APAM 与CaO、AS 与CaO 联用的助凝效果
由图 4 (a) 可知，在投加CaO 情况下，随着 APAM 投加量的增加，浊度去除率先增加后急剧减少，当APAM 投加量为0.05~0.1 mg/L 时效果较好，浊度去除率维持在82.3%，比单独CaO 助凝时高。但随着APAM 投加量的增加，CODMn 和TOC 去除率一直在减小直至持平，CODMn 和TOC 去除率最高点均在APAM 投加量为0 时，说明CaO 与APAM 联用对有机物的去除效果较单独采用CaO 助凝时差。
由图 4(b)可知，在投加CaO 情况下，随着AS 投加量的增加，浊度去除率先降低再升高后一直降低，CODMn 和TOC 去除率则先增大后减小至持平。当AS 投加量为0.495 mg/L 时，浊度、CODMn 和TOC去除率均较高，分别为80.5%、30.8%和32.1%，但浊度去除率较单独采用CaO 助凝时低1.6%，而CODMn 和TOC 去除率则分别高5%和5.4%。
研究表明，在CaO 改变碱度/pH 的情况下，当 APAM 和AS 均处于较低投加量时混凝效果较好，整体而言，浊度和有机物去除效果不理想。
2.5 不同助凝剂助凝效能对比分析
不同助凝剂助凝效能对比分析结果如图 5 所示。其中：A 为单独PACl;B 为CaO 助凝;C 为 APAM 助凝，且APAM 延迟PACl 30 s 投加;D 为 APAM 与CaO 共同助凝;E 为AS 助凝，且在PACl 之后30~60 s 投加;F 为AS 与CaO 共同助凝。
图 5 不同助凝剂助凝效能对比
由图 5 可知：5 种助凝剂均能提高对浊度和有机物的去除效果，但APAM、AS 分别与CaO 联用的助凝效果不理想。浊度去除率的大小顺序为：APAM (88.1%)>AS(83%)>CaO(80.1%)≈AS+CaO(80.5%)> APAM+CaO(75.2%)>单独PACl(65.1%); 对CODMn 和TOC 的去除效能依次为：AS >AS +CaO >CaO > APAM+CaO≈APAM>单独PACl。因此，兼顾除浊和除有机物，AS 助凝效果最佳。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3 结论
(1)对低温、低浊、低碱度水，以PACl 为絮凝剂，APAM 的助凝除浊能力最强，浊度去除率为 88.1%，其投加点对助凝效果影响较小;AS 的投加量和投加点对混凝处理效果影响显著，延迟PACl 30~ 60 s 投加AS，当AS 投加量(以SiO2 计)为1.485 mg/L 时，对CODMn 和TOC 的去除效果最佳，去除率分别为32.6%和34.2%。
(2)APAM 、AS 分别与CaO 联用的助凝效果不佳，这可能是由于PACl 水解产物平衡被打破及胶体颗粒与有机物表面电荷发生了变化造成的。
(3)兼顾除浊和除有机物，采用AS 助凝剂助凝是提高类似水体混凝沉淀工艺污染物去除率的有效途径之一。
有污水需要处理的单位，如需了解完整污水处理方案或报价，可以通过污水宝发布方案报价海选公告；全国几千家环保公司供您选择，污水宝资深工程师团队帮您寻找最省钱的污水处理方案，货比三家花最少的钱将污水处理达标。
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