低温低浊宁波白溪水库水处理中混凝剂的优化

1、低温低浊宁波白溪水库水处理中混凝剂的优化 张跃军，赵晓蕾，李潇潇，印东凯，吴晓莉 苏功建 （ 南京理工大学化工学院，江苏南京 210094） （ 宁波市自来水总公司，浙江宁波 315041） 摘要： 本文报道了对优质低温低浊宁波白溪水库水进行的强化混凝脱浊研究过程。通过混凝烧杯实验，考察了聚合氯化铝（PAC）。聚合硫酸铁（PFS）及它们与聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDM）复合物对低温低浊白溪水库水的除浊效果。结果表明：对浊度仅为1. 5NTU左右的低温低浊白溪水库水，PFS的除浊效果较好，处理后剩余浊度可降到0. 2NTU以下。而PAC混凝脱浊效果不佳，处理后剩余浊度最低仅为O. 7NTU PD

2、M寸白溪水的强化混凝脱浊效果不明显，因此。PDM不适用于水质较好的原水的强化混凝脱浊处理，其应适用于有一定污染的 原水的强化混凝脱浊处理。.关键词：宁波白溪水库；原水；低温低浊：混凝剂；强化混凝；脱浊 低温低浊水的处理一直是给水处理行业中备受关注的问题。由于水温低，浊度低，粘度大， 水中胶体粒子的电位高， 给水厂处理带来了较大的困难。 目前， 国内外常用的低温低浊水 处理技术有气浮技术、 泥渣回流技术、 微絮凝技术、 磁力分离技术等， 但由于这些方法往往 工艺操作复杂或者因成本高而不能推广使用。 通过优选受水温影响小的混凝剂以及添加合适 的助凝剂的强化混凝的办法来改善混凝效果是解决低温低浊水处

3、理问题较为经济有效的一 条途径姑。 实践证明， 强化混凝不仅可为沉淀、 过滤等工序创造良好的运行操作条件， 充分 利用已有的设备条件，提高出水水质，而且还能达到节能、节药、降低运行费用的目的。 浙江沿海城市宁波市主要靠周边地区水库供水， 市区来自水库的自来水水源占了 75左右。 白溪水库位于宁波市宁海县白溪干流的中游， 将由即将完工的白溪水库引水工程向宁波市区 年提供1 . 73亿m3优质原水，承担宁波市区 40%的供水任务。白溪水库水水质优良，根据 2003年4月的监测报告（甬环监报水-2003 223号），白溪水除总氮（TN）为地表II类水质标 准，其余 2l 项指标均达到地表水 I 类水

4、质标准，白溪水的几项主要水质指标见表 l 。但白 溪水在冬春季节呈现典型的低温低浊特点，水温在10C以下，浊度仅1-3NTU,因此其混凝脱浊处理困难。宁波各水厂对于这一新开辟的原水水源，需要寻找合适的混凝剂进行处理， 但是原有混凝剂对其处理效果不明显， 即使混凝剂的投加量， 净化后的水质仍很难达到国家 饮用水的标准，结果会给水厂自来水生产带来较大困难。聚二甲基二烯丙基氯化铵，简称PDM是一种水溶性阳离子高分子，其作为助凝剂，通过与铝盐、铁盐混凝剂的复合使用和选择合适的混凝条件， 可能对多种难处理原水达到强化混凝 的效果。因此，针对低温低浊自溪水库水，本文拟采用聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铁（

5、PFS）及其与PDM复合混凝剂进行混凝脱浊试验，以比较这两种无机混凝剂及其与有机试剂复合对 白溪水库原水的脱浊效果， 了解水质与药剂性质之间关系对脱浊效果的影响， 并且找出能实 际应用的药剂，为改进水厂用药提供参考依据。1 试验方法1 . 1 仪器与试剂仪器：散射式浊度仪， QZ201型，苏州青安仪器有限公司生产；六联程控搅拌器，TA6 II型，武汉恒岭有限公司生产。药剂：聚合氯化铝(PAC)，固体粉末，含量以 A1203计为33% (质量分数，下同)，芜湖自来 水总公司生产：聚合硫酸铁(PFS),液体，含量以Fe3+计为12%,南京市化学工业总公司精 细化工厂生产： 以上均为工业品。 有机阳

6、离子高分子絮凝剂聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDM)，选取高、中、低三种特征粘度产品，均为本组实验室自制。药剂的配置：a.无机药剂的配制：按A1203或Fe3+计，把各无机药剂配制成质量分数为1 %的溶液投加；b .复合药剂的配制：无机药剂按A1203或Fe3+计，把无机和有机配成质量比为高低两种配比的复合药剂，使用时一次性投加。水样： 白溪水库水水样取自宁波白溪水库， 把水库以坝区为起点向上游划分为三段，分别在起点、中点和终点取水，然后混合，以尽量保证水质的一致性。共取两批水样，分为批次l与批次2，批次I水样浊度为1. 5NTU左右，温度约为8C,批次2水样浊度为1 . 2NTU左 右，温度在1

7、0 C左右。1. 2 混凝除浊性能评价实验1 . 2. 1 基本步骤在一组烧杯中加入 1000mL 水样置于六联搅拌仪中。 于快速搅拌 (300r min) 下加入一定量的 混凝剂。以快速搅拌 (300r min) 一定时间，后以 100r min 中速搅拌一定时间，再以 30r /min慢速搅拌一定时间后停止，最后静置沉淀30min，于液面下约2cm处取上清液测定其浊度。1 . 2. 2 处理效果评价方法.投加不同量无机混凝剂或复合药剂于原水中， 采用选定的搅拌条件搅拌， 考察各药剂在不同 投加量时所能达到的剩余浊度和每一种药剂所能达到的最低剩余浊度，以比较不同混凝剂对低温低浊白溪水的混凝脱

8、浊效果。2 结果与讨论2. 1 自溪水库水混凝搅拌强度的选择在300r/min搅拌15s时投加PAC于原水浊度为1、40NTU温度为13C的白溪水库水样，剂量均为2。Omg/L,操作条件按1. 2. 1基本步骤，其它条件不变，改变不同快速搅拌时 间进行实验，得上清浊度，结果见表 2。表 2 可以看出， 对于白溪水库水， 在同样的药剂投加量下， 剩余浊度能随快速搅拌时间适当 增加而下降，快速搅拌时间为4min时，剩余浊度达到最低 0. 73NTU快搅时间进一步增加， 剩余浊度反而又上升。这是因为快搅时间适当延长， 药剂分散更均匀， 使药剂水解速度加快， 与分散在水中的悬浮 颗粒越易碰撞， 使在同

9、样投加量下达到的效果更好。 而快速搅拌时间过长， 由于剪切力的作 用，不利于较大絮凝体的生成，致使混凝效果变差，剩余浊度就会又升高。根据以上结果， 选用混凝搅拌条件：在 300r min 搅拌 15s 时，投加混凝剂，先以 300r min 搅拌 4min ， 再以lOOr/min搅拌5min,再以30r /min搅拌5 rain，最后沉降30min为本次研究混凝操 作的基本条件。22 各种药剂对白溪水库水混凝除浊的效果选择低、中、高三种特征粘度的PDM与无机混凝剂PAG PFS进行复合，无机混凝剂与 PDM选取高低两种质量配比。低、中特征粘度的PDM的复合混凝剂选用批次 1水样进行实验，高

10、特征粘度的PDM的复合混凝剂选用批次 2水样进行实验。投加不同剂量无机混凝剂或复合混 凝剂于原水中，采用 2. 1节选定的搅拌条件进行混凝脱浊处理，所得结果见图1图3:从图1图3看，白溪水经不同的药剂混凝沉淀处理后，剩余浊度相应的变化，具体有如下 三种情况： (1) 随着药剂投加量的增加,剩余浊度先下降,达到一个剩余浊度最低点。随着 药剂投加量进一步增加,剩余浊度又上升。如图 1、 2、 3 中的余浊曲线 1、 5；(2) 随着药剂 投加量增加,剩余浊度呈现先增加,再下降,达到其晟低余浊点后,又开始上升。如图l 、2、 3 中的余浊曲线 4、 6；(3) 随着药剂投加量的增加,剩余浊度经过或不

11、经过一段不明显的下降过程,就一直处于不 断上升过程,如图 1、 2、 3 中的余浊曲线 2、 3。出现上述实验现象的原因, 可能应结合被处理的白溪水库水的特点, 混凝药剂性质和混凝脱 浊原理加以解释。2. 3 PAG和PFS对白溪水脱浊效果对比分析良好的混凝处理效果基于混凝过程中微粒具有较多的碰撞机会,提高了碰撞几率, 也就提高了微粒间的凝聚机会, 如果水中微粒浓度太低, 势必影响混凝处理过程的正常进行。 白溪水 库水水质较好,水中悬浮颗粒少而轻,颗粒问碰撞几率极小；而且,由于低温的影响,水的 粘度大, 增大了水流的剪切力, 不利于水中微小颗粒碰撞、 凝聚和絮凝体的成长。 这一水质 特征决定了

12、白溪水难以混凝脱浊。从图I、2、3中的PAG余浊曲线I可以看出，受白溪水库水水质及低温的影响，PAG对白溪水库水混凝脱浊效果不理想。随加药量增加,余浊先下降,在25mg/L 达到仅为 07NTU的剩余浊度最低值, 加药量进一步增加, 余浊又上升。 这是由于白溪水中颗粒较少, 在低温 下PAC的水解速度又显著变慢，矶花生成的连续反应不强烈，所形成的絮体非常细、小、轻又不坚韧,难于沉淀,造成脱浊效果不佳。肆然而，对比图I、2、3中的曲线1和曲线4可知，对低温低浊白溪水库水，PFS的脱浊效果明显优于PAG其剩余浊度最低可达 0. 2NTU以下，且最佳投药范围宽， 加药量从2mg/L 至4mg/ L均

13、可将浊度降至 0. 4NTU以下。为何PFs在白溪水的处理过程中脱浊效果远优于 PAG这可以根据自溪水的具体特征，及聚铝聚铁在混凝中的水解反应过程得到解释。 聚合铝或聚合铁在水溶胶中的存在形式， 实际是铝或铁盐类水解、 形成溶胶到沉淀这一过程 的中间产物， 它们均含多种多核羟基络合物。 在混凝过程中， 这些络合物会进一步发生水解 和聚合反应， 原水中胶粒能强烈吸附反应的各种产物。 被吸附的带正电荷的多核络离子能够压缩双电层、降低电位，使胶粒间最大排斥势能降低，从而使胶粒脱稳；同时多核络离子还可以发挥架桥作用粘结两个或多个胶粒而产生絮体。水解反应最终产物为氢氧化物沉淀， 氢氧化物沉淀表面积大，

14、吸附能力强， 可吸附水中细小颗粒与部分溶解污染物。 通过以上的 电中和脱稳、 吸附架桥和卷扫的共同作用， 在一般情况下， 聚铝聚铁均可以有效去除水中胶 体及各种悬浮物颗粒。 它们的区别在于， 铝盐聚合物的反应较缓和， 形态较稳定， 铁的水解 聚合则较迅速， 容易失去稳定而发生沉淀。 另外， 铁盐水解过程受水温的影响相对于铝盐要 小，生成的最终产物氢氧化铁比重较大， 表面积更大， 更具吸附力。 由此， 对水中颗粒较少， 水温较低的白溪水库水来说，PFS水解过程受温度影响较 PAC小，形成的絮体较 PAC形成的絮体吸附量大、结构紧凑致密，密度大，易沉淀，从而大大提高了混凝效果。2. 4 PDM白溪

15、水助凝效果分析作为一种水溶性阳离子聚合物，PDM除 了具有一般高分子混凝剂的架桥、卷扫功能外，还因在低温低浊水的处理中，其分子链中正电荷密度高而具有相当强的电中和能力，因此，其作为助凝剂，通过与铝盐、 铁盐混凝剂的复合使用， 能对多种难处理原水达到强化混凝的效果。国内外均有文献研究阐明PDM良好的助凝效果。PI）M与PAC的复合药剂对但是，从图1图3中的曲线2、3可以发现，各相对分子质量的剩余浊度经过或不经过一低温低浊白溪水库水的处理效果并不好， 随着药剂投加量的增加，段不明显的下降过程，就一直处于不断上升过程， 其脱浊效果不如单纯使用 PAC的脱浊效果， 配入PDM较多的复合药剂剩余浊度还高

16、于PDM配入量少的复合药剂。这可能是由于PDM主要是以其巨大的分子结构产生强烈的吸附、 网捕、 架桥等作用， 使水中粒径较大颗粒结成团絮 沉淀而达到除浊效果，但白溪水水质条件较好，水体中含悬浮颗粒少且粒径较小，PAC本身对水中颗粒难以起到凝聚作用，PDM也就难以继续发挥作用。从图1图3中的曲线4、5、6可以看出，各相对分子质量的 PDM与 PFS的复合药剂对白溪 水库水处理效果较好，但均不及 PFS 的处理效果。引起这一实验现象的原因可能是：虽然PFS能够为PDM提供凝聚体以絮凝形成较大絮团，但白溪水中有机物污染极少，悬浮颗粒上 电荷密度相对较低， 为达到电中和点所需的混凝剂剂量本身不大.在P

17、FS中配入PDM后,由于PDM正电荷密度大，胶体粒子会因吸附的PDM迅速带上相反电荷而相互排斥，同时PDM吸附层有助于分散， 空间位阻增大， 而且吸附层相互渗透， 因而也增大了颗粒间的排斥作用， 从而使颗粒出了再悬浮， 再稳定的现象，导致脱浊效果降低。 复合药剂中PDM含量越多，这 种作用越明显。图1图3中的曲线4、6有一个有趣的现象，在 PFS与高复合配比的复合药剂较低药剂投 加量的情况下， 剩余浊度会有一个明显增加的过程。 这可能是由于这两种药剂在较低的加药 量下形成难以沉淀的微小絮体， 大量的微小絮体能引起比原来微小颗粒更强的光散射， 导致 了浊度的上升。由此可知，PDM不适用于水质较好的原水的强化混凝脱浊处理，其应适用于 有一定污染的原水的强化混凝脱浊处理。3 结论考察了聚合氯化铝（PAC），聚合硫酸铁（PFs）及它们与聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDM）复合物 对低温低浊白溪水库水的除浊效