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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 15NTU 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 02NTU 以下。而 PAC混凝脱浊效果不佳，处理后剩余浊度最低仅为 O7NTU。PDM 对白溪
2、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理问题较为经济有效的一条途径姑。实践
3、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 173 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-2003223 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 类水质标准，白溪水的几项主要水质指标见表l。但白溪水在
4、冬春季节呈现典型的低温低浊特点，水温在 10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(PFS)及其与 PDM 复合混凝剂进行混凝脱浊试验，以比较这两
5、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11 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 一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
6、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 Al203 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 l 水样浊度为 15NTU 左右，温度约为 8，批次 2 水样浊度为12NTU 左右，温度在 lO左右。12 混凝除浊性能评价实验121 基本步骤在一组烧杯中加入
7、1000mL 水样置于六联搅拌仪中。于快速搅拌(300rmin)下加入一定量的混凝剂。以快速搅拌(300rmin)一定时间，后以 100rmin 中速搅拌一定时间，再以30rmin 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。122 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浊效果。2 结果与讨论21 自溪水库水混凝搅拌强度的选择在 300rmin 搅拌 15s 时投加 PAC 于原水浊度为
8、1、40NTU、温度为 13的白溪水库水样，剂量均为 2。OmgL，操作条件按 121 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 073NTU，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
9、结果，选用混凝搅拌条件：在 300rmin 搅拌 15s 时，投加混凝剂，先以 300rmin 搅拌4min，再以 lOOrmin 搅拌 5min，再以 30rmin 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 PAC、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 21 节选定的搅拌条件
10、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
11、点，混凝药剂性质和混凝脱浊原理加以解释。23 PAC 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白溪水难以混凝脱浊。从图 l、2、3 中的 PAC 余浊曲线 l 可以看出，受白溪水库水水质及低温的影响，PAC 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 25
12、mgL 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，矾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 PAC，其剩余浊度最低可达 02NTU 以下，且最佳投药范围宽，加药量从2mgL 至 4mgL 均可将浊度降至 04NTU 以下。为何 PFs 在白溪水的处理过程中脱浊效果远优于 PAC，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。
13、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，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
14、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。24 PDM 白溪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
15、达到强化混凝的效果。在低温低浊水的处理中，国内外均有文献研究阐明 PDM 良好的助凝效果。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 PI)M 与 PAC 的复合药剂对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，剩余浊度经过或不经过一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
16、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 PFS 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
