低溫低濁寧波白溪水庫水處理中混凝劑的優(yōu)化

1、低溫低濁寧波白溪水庫水處理中混凝劑的優(yōu)化張躍軍，趙曉蕾，李瀟瀟，印東凱，吳曉莉  蘇功建(南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京210094) (寧波市自來水總公司，浙江寧波315041)摘要：本文報(bào)道了對優(yōu)質(zhì)低溫低濁寧波白溪水庫水進(jìn)行的強(qiáng)化混凝脫濁研究過程。通過混凝燒杯實(shí)驗(yàn)，考察了聚合氯化鋁(PAC)。聚合硫酸鐵(PFS)及它們與聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDM)復(fù)合物對低溫低濁白溪水庫水的除濁效果。結(jié)果表明：對濁度僅為15NTU左右的低溫低濁白溪水庫水，PFS的除濁效果較好，處理后剩余濁度可降到02NTU以下。而PAC混凝脫濁效果不佳，處理后剩余濁度最低僅為O7NTU。PDM對白

2、溪水的強(qiáng)化混凝脫濁效果不明顯，因此。PDM不適用于水質(zhì)較好的原水的強(qiáng)化混凝脫濁處理，其應(yīng)適用于有一定污染的原水的強(qiáng)化混凝脫濁處理。關(guān)鍵詞：寧波白溪水庫；原水；低溫低濁：混凝劑；強(qiáng)化混凝；脫濁低溫低濁水的處理一直是給水處理行業(yè)中備受關(guān)注的問題。由于水溫低，濁度低，粘度大，水中膠體粒子的電位高，給水廠處理帶來了較大的困難。目前，國內(nèi)外常用的低溫低濁水處理技術(shù)有氣浮技術(shù)、泥渣回流技術(shù)、微絮凝技術(shù)、磁力分離技術(shù)等，但由于這些方法往往工藝操作復(fù)雜或者因成本高而不能推廣使用。通過優(yōu)選受水溫影響小的混凝劑以及添加合適的助凝劑的強(qiáng)化混凝的辦法來改善混凝效果是解決低溫低濁水處理問題較為經(jīng)濟(jì)有效的一條途徑姑。實(shí)踐

3、證明，強(qiáng)化混凝不僅可為沉淀、過濾等工序創(chuàng)造良好的運(yùn)行操作條件，充分利用已有的設(shè)備條件，提高出水水質(zhì)，而且還能達(dá)到節(jié)能、節(jié)藥、降低運(yùn)行費(fèi)用的目的。浙江沿海城市寧波市主要靠周邊地區(qū)水庫供水，市區(qū)來自水庫的自來水水源占了75左右。白溪水庫位于寧波市寧?？h白溪干流的中游，將由即將完工的白溪水庫引水工程向?qū)幉ㄊ袇^(qū)年提供173億m3優(yōu)質(zhì)原水，承擔(dān)寧波市區(qū)40的供水任務(wù)。白溪水庫水水質(zhì)優(yōu)良，根據(jù)2003年4月的監(jiān)測報(bào)告(甬環(huán)監(jiān)報(bào)水-2003223號(hào))，白溪水除總氮(TN)為地表II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其余2l項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到地表水I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，白溪水的幾項(xiàng)主要水質(zhì)指標(biāo)見表l。但白溪水在冬春季節(jié)呈現(xiàn)典型的低溫低濁特點(diǎn)，水

4、溫在10以下，濁度僅1-3NTU，因此其混凝脫濁處理困難。寧波各水廠對于這一新開辟的原水水源，需要尋找合適的混凝劑進(jìn)行處理，但是原有混凝劑對其處理效果不明顯，即使混凝劑的投加量，凈化后的水質(zhì)仍很難達(dá)到國家飲用水的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果會(huì)給水廠自來水生產(chǎn)帶來較大困難。聚二甲基二烯丙基氯化銨，簡稱PDM，是一種水溶性陽離子高分子，其作為助凝劑，通過與鋁鹽、鐵鹽混凝劑的復(fù)合使用和選擇合適的混凝條件，可能對多種難處理原水達(dá)到強(qiáng)化混凝的效果。因此，針對低溫低濁自溪水庫水，本文擬采用聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鐵(PFS)及其與PDM復(fù)合混凝劑進(jìn)行混凝脫濁試驗(yàn)，以比較這兩種無機(jī)混凝劑及其與有機(jī)試劑復(fù)合對白溪水庫原水

5、的脫濁效果，了解水質(zhì)與藥劑性質(zhì)之間關(guān)系對脫濁效果的影響，并且找出能實(shí)際應(yīng)用的藥劑，為改進(jìn)水廠用藥提供參考依據(jù)。1試驗(yàn)方法11儀器與試劑儀器：散射式濁度儀，QZ201型，蘇州青安儀器有限公司生產(chǎn)；六聯(lián)程控?cái)嚢杵?，TA6一II型，武漢恒嶺有限公司生產(chǎn)。藥劑：聚合氯化鋁(PAC)，固體粉末，含量以A1203計(jì)為33(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，蕪湖自來水總公司生產(chǎn)：聚合硫酸鐵(PFS)，液體，含量以Fe3+計(jì)為12，南京市化學(xué)工業(yè)總公司精細(xì)化工廠生產(chǎn)：以上均為工業(yè)品。有機(jī)陽離子高分子絮凝劑聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDM)，選取高、中、低三種特征粘度產(chǎn)品，均為本組實(shí)驗(yàn)室自制。藥劑的配置：a無機(jī)藥劑的配制：按A1

6、203或Fe3計(jì)，把各無機(jī)藥劑配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1的溶液投加；b復(fù)合藥劑的配制：無機(jī)藥劑按Al203或Fe3+計(jì)，把無機(jī)和有機(jī)配成質(zhì)量比為高低兩種配比的復(fù)合藥劑，使用時(shí)一次性投加。水樣：白溪水庫水水樣取自寧波白溪水庫，把水庫以壩區(qū)為起點(diǎn)向上游劃分為三段，分別在起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)取水，然后混合，以盡量保證水質(zhì)的一致性。共取兩批水樣，分為批次l與批次2，批次l水樣濁度為15NTU左右，溫度約為8，批次2水樣濁度為12NTU左右，溫度在lO左右。12混凝除濁性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)121基本步驟在一組燒杯中加入1000mL水樣置于六聯(lián)攪拌儀中。于快速攪拌(300rmin)下加入一定量的混凝劑。以快速攪拌(300rm

7、in)一定時(shí)間，后以100rmin中速攪拌一定時(shí)間，再以30rmin慢速攪拌一定時(shí)間后停止，最后靜置沉淀30min，于液面下約2cm處取上清液測定其濁度。122處理效果評價(jià)方法投加不同量無機(jī)混凝劑或復(fù)合藥劑于原水中，采用選定的攪拌條件攪拌，考察各藥劑在不同投加量時(shí)所能達(dá)到的剩余濁度和每一種藥劑所能達(dá)到的最低剩余濁度，以比較不同混凝劑對低溫低濁白溪水的混凝脫濁效果。2結(jié)果與討論21自溪水庫水混凝攪拌強(qiáng)度的選擇在300rmin攪拌15s時(shí)投加PAC于原水濁度為1、40NTU、溫度為13的白溪水庫水樣，劑量均為2。OmgL，操作條件按121基本步驟，其它條件不變，改變不同快速攪拌時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得上清

8、濁度，結(jié)果見表2。表2可以看出，對于白溪水庫水，在同樣的藥劑投加量下，剩余濁度能隨快速攪拌時(shí)間適當(dāng)增加而下降，快速攪拌時(shí)間為4min時(shí)，剩余濁度達(dá)到最低073NTU，快攪時(shí)間進(jìn)一步增加，剩余濁度反而又上升。這是因?yàn)榭鞌嚂r(shí)間適當(dāng)延長，藥劑分散更均勻，使藥劑水解速度加快，與分散在水中的懸浮顆粒越易碰撞，使在同樣投加量下達(dá)到的效果更好。而快速攪拌時(shí)間過長，由于剪切力的作用，不利于較大絮凝體的生成，致使混凝效果變差，剩余濁度就會(huì)又升高。根據(jù)以上結(jié)果，選用混凝攪拌條件：在300rmin攪拌15s時(shí)，投加混凝劑，先以300rmin攪拌4min，再以lOOrmin攪拌5min，再以30rmin攪拌5 rai

9、n，最后沉降30min為本次研究混凝操作的基本條件。22各種藥劑對白溪水庫水混凝除濁的效果選擇低、中、高三種特征粘度的PDM與無機(jī)混凝劑PAC、PFS進(jìn)行復(fù)合，無機(jī)混凝劑與PDM選取高低兩種質(zhì)量配比。低、中特征粘度的PDM的復(fù)合混凝劑選用批次1水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，高特征粘度的PDM的復(fù)合混凝劑選用批次2水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。投加不同劑量無機(jī)混凝劑或復(fù)合混凝劑于原水中，采用21節(jié)選定的攪拌條件進(jìn)行混凝脫濁處理，所得結(jié)果見圖1圖3：從圖1圖3看，白溪水經(jīng)不同的藥劑混凝沉淀處理后，剩余濁度相應(yīng)的變化，具體有如下三種情況：(1)隨著藥劑投加量的增加，剩余濁度先下降，達(dá)到一個(gè)剩余濁度最低點(diǎn)。隨著藥劑投加量進(jìn)一步增加，

10、剩余濁度又上升。如圖1、2、3中的余濁曲線1、5；(2)隨著藥劑投加量增加，剩余濁度呈現(xiàn)先增加，再下降，達(dá)到其晟低余濁點(diǎn)后，又開始上升。如圖l、2、3中的余濁曲線4、6；(3)隨著藥劑投加量的增加，剩余濁度經(jīng)過或不經(jīng)過一段不明顯的下降過程，就一直處于不斷上升過程，如圖1、2、3中的余濁曲線2、3。出現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因，可能應(yīng)結(jié)合被處理的白溪水庫水的特點(diǎn)，混凝藥劑性質(zhì)和混凝脫濁原理加以解釋。23 PAC和PFS對白溪水脫濁效果對比分析良好的混凝處理效果基于混凝過程中微粒具有較多的碰撞機(jī)會(huì)，提高了碰撞幾率，也就提高了微粒間的凝聚機(jī)會(huì)，如果水中微粒濃度太低，勢必影響混凝處理過程的正常進(jìn)行。白溪水庫

11、水水質(zhì)較好，水中懸浮顆粒少而輕，顆粒問碰撞幾率極??；而且，由于低溫的影響，水的粘度大，增大了水流的剪切力，不利于水中微小顆粒碰撞、凝聚和絮凝體的成長。這一水質(zhì)特征決定了白溪水難以混凝脫濁。從圖l、2、3中的PAC余濁曲線l可以看出，受白溪水庫水水質(zhì)及低溫的影響，PAC對白溪水庫水混凝脫濁效果不理想。隨加藥量增加，余濁先下降，在25mgL達(dá)到僅為07NTU的剩余濁度最低值，加藥量進(jìn)一步增加，余濁又上升。這是由于白溪水中顆粒較少，在低溫下PAC的水解速度又顯著變慢，礬花生成的連續(xù)反應(yīng)不強(qiáng)烈，所形成的絮體非常細(xì)、小、輕又不堅(jiān)韌，難于沉淀，造成脫濁效果不佳。肆然而，對比圖I、2、3中的曲線1和曲線4可

12、知，對低溫低濁白溪水庫水，PFS的脫濁效果明顯優(yōu)于PAC，其剩余濁度最低可達(dá)02NTU以下，且最佳投藥范圍寬，加藥量從2mgL至4mgL均可將濁度降至04NTU以下。為何PFs在白溪水的處理過程中脫濁效果遠(yuǎn)優(yōu)于PAC，這可以根據(jù)自溪水的具體特征，及聚鋁聚鐵在混凝中的水解反應(yīng)過程得到解釋。聚合鋁或聚合鐵在水溶膠中的存在形式，實(shí)際是鋁或鐵鹽類水解、形成溶膠到沉淀這一過程的中間產(chǎn)物，它們均含多種多核羥基絡(luò)合物。在混凝過程中，這些絡(luò)合物會(huì)進(jìn)一步發(fā)生水解和聚合反應(yīng)，原水中膠粒能強(qiáng)烈吸附反應(yīng)的各種產(chǎn)物。被吸附的帶正電荷的多核絡(luò)離子能夠壓縮雙電層、降低電位，使膠粒間最大排斥勢能降低，從而使膠粒脫穩(wěn)；同時(shí)多核

13、絡(luò)離子還可以發(fā)揮架橋作用粘結(jié)兩個(gè)或多個(gè)膠粒而產(chǎn)生絮體。水解反應(yīng)最終產(chǎn)物為氫氧化物沉淀，氫氧化物沉淀表面積大，吸附能力強(qiáng)，可吸附水中細(xì)小顆粒與部分溶解污染物。通過以上的電中和脫穩(wěn)、吸附架橋和卷掃的共同作用，在一般情況下，聚鋁聚鐵均可以有效去除水中膠體及各種懸浮物顆粒。它們的區(qū)別在于，鋁鹽聚合物的反應(yīng)較緩和，形態(tài)較穩(wěn)定，鐵的水解聚合則較迅速，容易失去穩(wěn)定而發(fā)生沉淀。另外，鐵鹽水解過程受水溫的影響相對于鋁鹽要小，生成的最終產(chǎn)物氫氧化鐵比重較大，表面積更大，更具吸附力。由此，對水中顆粒較少，水溫較低的白溪水庫水來說，PFS水解過程受溫度影響較PAC小，形成的絮體較PAC形成的絮體吸附量大、結(jié)構(gòu)緊湊致密

14、，密度大，易沉淀，從而大大提高了混凝效果。24 PDM白溪水助凝效果分析作為一種水溶性陽離子聚合物，PDM除了具有一般高分子混凝劑的架橋、卷掃功能外，還因其分子鏈中正電荷密度高而具有相當(dāng)強(qiáng)的電中和能力，因此，其作為助凝劑，通過與鋁鹽、鐵鹽混凝劑的復(fù)合使用，能對多種難處理原水達(dá)到強(qiáng)化混凝的效果。在低溫低濁水的處理中，國內(nèi)外均有文獻(xiàn)研究闡明PDM良好的助凝效果。但是，從圖1圖3中的曲線2、3可以發(fā)現(xiàn)，各相對分子質(zhì)量的PI)M與PAC的復(fù)合藥劑對低溫低濁白溪水庫水的處理效果并不好，隨著藥劑投加量的增加，剩余濁度經(jīng)過或不經(jīng)過一段不明顯的下降過程，就一直處于不斷上升過程，其脫濁效果不如單純使用PAC的脫

15、濁效果，配入PDM較多的復(fù)合藥劑剩余濁度還高于PDM配入量少的復(fù)合藥劑。這可能是由于PDM主要是以其巨大的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸附、網(wǎng)捕、架橋等作用，使水中粒徑較大顆粒結(jié)成團(tuán)絮沉淀而達(dá)到除濁效果，但白溪水水質(zhì)條件較好，水體中含懸浮顆粒少且粒徑較小，PAC本身對水中顆粒難以起到凝聚作用，PDM也就難以繼續(xù)發(fā)揮作用。從圖1圖3中的曲線4、5、6可以看出，各相對分子質(zhì)量的PDM與PFS的復(fù)合藥劑對白溪水庫水處理效果較好，但均不及PFS的處理效果。引起這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因可能是：雖然PFS能夠?yàn)镻DM提供凝聚體以絮凝形成較大絮團(tuán)，但白溪水中有機(jī)物污染極少，懸浮顆粒上電荷密度相對較低，為達(dá)到電中和點(diǎn)所需的混

16、凝劑劑量本身不大在PFS中配入PDM后，由于PDM正電荷密度大，膠體粒子會(huì)因吸附的PDM迅速帶上相反電荷而相互排斥，同時(shí)PDM吸附層有助于分散，空間位阻增大，而且吸附層相互滲透，因而也增大了顆粒間的排斥作用，從而使顆粒出了再懸浮，再穩(wěn)定的現(xiàn)象，導(dǎo)致脫濁效果降低。復(fù)合藥劑中PDM含量越多，這種作用越明顯。圖1圖3中的曲線4、6有一個(gè)有趣的現(xiàn)象，在PFS與高復(fù)合配比的復(fù)合藥劑較低藥劑投加量的情況下，剩余濁度會(huì)有一個(gè)明顯增加的過程。這可能是由于這兩種藥劑在較低的加藥量下形成難以沉淀的微小絮體，大量的微小絮體能引起比原來微小顆粒更強(qiáng)的光散射，導(dǎo)致了濁度的上升。由此可知，PDM不適用于水質(zhì)較好的原水的強(qiáng)化混凝脫濁處理，其應(yīng)適用于有一定污染的原水的強(qiáng)化混凝脫濁處理。3結(jié)論考察了聚合氯化鋁(PAC)，聚合硫酸鐵(PFs)及它們與聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDM)復(fù)合物對低溫低濁白溪水庫水的除濁