微污染窖水處理中混凝劑篩選的實驗研究

郭譯文 武福平 張國珍

摘要：采用正交試驗，對微污染窖水混凝預處理中的藥劑及水力條件進行了研究，考察了聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鋁（PAS）、聚合硫酸鐵（PFS）和聚合氯化鋁鐵（PAFC）四種混凝劑對微污染窖水中濁度去除率的影響，并比選出最優混凝劑，結合Zeta電位和分形維數考察指標確定了最佳投加量及水力條件，探究了窖水預混凝機理。結果表明：最優混凝劑為PAC;當投加量30mg/L，絮凝轉速40r/min，絮凝時間30min時，微污染窖水的預混凝效果最好;實驗中絮體凝聚受網捕卷掃作用影響較大。

關鍵詞：微污染窖水;正交實驗法;混凝;Zeta電位;分形維數

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）6-0000-04

1引言

中國西北地處中國內陸干旱、半干旱區域，淡水資源短缺，降雨量稀少 ，供水管道覆蓋困難。隨著甘肅省“雨水集流工程”的實行以及政府的正確引導，集雨水窖在西北村鎮廣泛推廣。但隨之而來的水質安全問題牽制著人們的飲水健康和當地工、農業的發展。雨水在集流、貯存過程中易受地面泥沙、雜草、枯落葉、糞便等雜質的污染，造成窖水中濁度、氨氮、有機物含量超標。當地水質長期不達標嚴重影響了居民的飲用，為此，保證該地區飲用水水質達到要求已迫在眉睫。

在水處理工程中被廣泛應用的混凝技術，對后續處理工藝有著直接的影響 。為達到高效利用、經濟合理的目的，尋找到適用于當下水質條件的最優混凝劑及其最佳投加量和最佳水力條件是水處理研究中的重要課題。本實驗以西北村鎮微污染窖水為研究對象，運用可解決多因素對比問題的正交實驗法考察聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鋁（PAS）、聚合硫酸鐵（PFS）和聚合氯化鋁鐵（PAFC）四種不同混凝劑下的投加量、絮凝階段的轉速與時間，得出每種混凝劑的最佳投量與最佳水力條件，結合藥劑經濟評價比選出最優混凝劑并通過Zeta電位和分形維數確定各因素的最佳水平值，旨在提升此類微污染窖水的處理效果并為其提供參考，以期為混凝預處理的實際應用提供改進思路和技術支撐。

2材料與方法

2.1實驗材料

2.1.1原水水質

實驗期間原水采用甘肅省慶陽環縣寨柯村某農戶典型集雨特征的窖水。西北地區微污染窖水中含有較多的黃土顆粒和泥沙，濁度較高可達到20～40NTU;Zeta電位：-16～-12 mV。

2.1.2試劑配制

PAC（有效成分Al2O3>29%）、PAS（Al203>29%）、PFS（Fe2O3>19%）、PAFC（Al2O3>29%，Fe2O3>4%）分別于110℃恒溫干燥箱中干燥2h，配制成濃度1g/L的使用液。

2.2實驗方法

2.2.1儀器方法

濁度采用便攜式濁度儀HACH2100P（美國哈希公司）測量;Zeta電位采用Zeta電位儀Nano-ZS90（英國馬爾文公司）測量;分形維數采用顯微圖像法測量。

2.2.2混凝實驗

采用六聯攪拌器（JJ-4A型國華電器有限公司）進行靜態燒杯實驗?？焖贁嚢柁D速和時間恒定為200r/min和2min，沉淀時間恒定為30min。采樣點位于液面下2cm處并及時測定相關指標。

2.2.3正交比選實驗

選取混凝劑投加量、絮凝階段的轉速以及時間為正交實驗的因素，通過查閱文獻初步選取各因素的水平值，盡量使其覆蓋要考察的范圍。以濁度為考察指標，采用L9（34）型正交實驗.因素與水平的具體確定情況見表1。

2.2.4單因素分析實驗

在正交實驗基礎上進行，以Zeta電位和分形維數為考察指標對比選出最優混凝劑的投加量和水力條件進行驗證和分析，確定出每個因素的最佳水平值。

3結果與分析

3.1正交實驗結果與極差分析

通過三次平行實驗數據的均值得出四種混凝劑濁度去除率的數據，四組正交實驗結果如表2所示，極差分析結果如表3所示。

在PAC正交實驗中，各因素對窖水中濁度去除率影響的主次順序為PAC投加量>絮凝轉速>絮凝時間;最佳水平選取為：A3B1C3，即PAC投加量30mg/L，絮凝轉速20r/min，絮凝時間30min，去除率可達97.89%。

當PAC投加量為2～16mg/L時K值急劇上升，16～30mg/L時K值增長幅度較緩，PAC投加量的較好范圍應在16～30 mg/L之間。通過實驗可得，投加量為16mg/L時的最佳去除率96.65%，30mg/L時最佳去除率可達97.89%。表3中絮凝轉速由20r/min增至100r/min的過程中K值呈明顯下降趨勢，且絮凝轉速為20r/min時PAC對濁度的去除率平均可達90.500%，而絮凝轉速為100r/min時其濁度平均去除率下降至83.573%。因此，在20～100r/min范圍內轉速越高，PAC對濁度的平均去除率越低。這是由于在混凝過程中，絮凝轉速的增加會導致已形成的絮體由于水力梯度過大而發生破碎或者無法形成大而密實的絮體，造成出水濁度的上升。而當絮凝時間為10～20min時K值增長幅度較緩，20～30 min時K值急劇上升，并結合PAC對濁度的平均去除率在20min時為84.770%，而在30min時上升至90.907%，可得到在20--30min范圍內絮凝時間越長PAC對濁度的平均去除率越高。分析可知，絮凝時間的增長可以使PAC與窖水中的雜質充分結合，更利于形成大而密實的絮體。

PAS正交實驗中，各影響因素主次順序為PAS投加量>絮凝轉速>絮凝時間;各因素中的最佳水平：A2B1C2.即PAS投加量16mg/L，絮凝轉速20r/min，絮凝時間20min，去除率可達94.53%。

PAS投加量2～16mg/L時K值呈上升趨勢，在16mg/L之后再增加投加量反而會使濁度去除率有明顯的下降。由于PAS投加量增加超過一定范圍后，窖水中處于脫穩狀態的雜質會產生“膠體保護”，改變其電性，從而使得PAS對濁度的去除率不升反降。絮凝轉速從20r/min增至60r/min K值緩慢下降趨于穩定，但60r/min增至100r/min的過程中K值呈明顯下降趨勢，即在20～100r/min范圍內絮凝轉速越高PAS對濁度的平均去除率越低。當絮凝時間處于10～20min時K值增長幅度較大，20～30min時K值有所下降，即在10～20min范圍內絮凝時間越長PAS對濁度的平均去除率越高，在20～30min范圍內絮凝時間越長PAS對濁度的平均去除率越低。說明對于PAS，絮凝時間的合理增長可使其與窖水中的雜質充分結合，但絮凝時間過長會導致已形成的絮體破碎造成出水濁度的升高。

PFS正交實驗中，各因素影響的主次順序為絮凝時間> PFS投加量>絮凝轉速;最佳水平組合為A3B2C3，即PFS濃度30mg/L，絮凝轉速60r/min，絮凝時間30min;實驗中濁度去除率都處于90%以下，其中最佳去除率為88.53%。

濁度去除率隨投加量的增加以16mg/L為節點呈現先降后增的趨勢。當PFS投加量處于2～16mg/L 時，由于脫穩雜質產生的“膠體保護”，改變了電性，使濁度去除率降低;而投加量16～30mg/L時，PFS又和窖水中的雜質形成大量沉淀加強卷掃網捕作用，使去除率再次升高。濁度去除率隨絮凝轉速的增加以60r/min為節點先極速上升后緩慢降低。即在20～60r/min范圍內轉速越高PFS對濁度去除率越高。由于混凝過程中，絮凝轉速的增加會使PFS與窖水中的雜質充分接觸，增加絮體顆粒之間相互碰撞的機會，有利于絮體的形成。濁度去除率隨絮凝時間的增加以20min為節點先降后增，即在10～20min范圍內絮凝時間越長濁度去除率越低，在20～30min范圍內絮凝時間越長濁度去除率越高。由于絮凝時間過短會使得PFS無法與窖水中的雜質充分接觸發生反應，形成的絮體顆粒較小，造成出水濁度的升高;但絮凝時間的合理增長可使其與雜質充分吸引相互結合，形成大而密實的絮體。

PAFC正交實驗中，各因素影響的主次順序為PAFC投加量>絮凝時間>絮凝轉速;最佳水平組合為A3B1C3，即PAFC投加量30mg/L，絮凝轉速20r/min，絮凝時間30min時，去除率為97.12%。濁度去除率PAFC投加量呈現增長趨勢，且在16～30mg/L范圍內趨于穩定;隨絮凝轉速的增加呈下降趨勢，在60～100r/min范圍內，由88.753%降至84.370%;隨絮凝時間的增加持續增長。

3.2最優混凝劑及水平值的確定

通過混凝正交試驗分析可得，實驗的四種混凝劑中，PAC和PAFC對濁度的去除效果較好，去除率均可達到97%以上;PFS所需轉速較高且處理效果最差，去除率不足90%。對四種混凝劑各進行五家公司的價格調查，可得PAC均價3200元八，PAS均價3519.6元/t，PFS均價2543.5元/t，PAFC均價3689元/t。結合實驗結果與經濟分析，選擇PAC作為處理微污染窖水實驗中的最優混凝劑開展單因素實驗。為驗證實驗的準確性，按照PAC投加量30 mg/L、絮凝轉速20r/min及絮凝時間30min的條件分別進行了6次重復實驗，實際濁度去除率平均值97.53%與實驗值相近，相對誤差均小于0.5%。

3.2.1投加量的最佳水平值

Zeta電位反應顆粒之間相互吸引或排斥的程度，其數值的絕對值與溶液中膠態分散體系的穩定性密切相關。數值越大，說明絮體粒徑越小，體系越穩定，絮凝效果越差;反之，數值越接近0，絮凝效果越好。分形維數反應絮體的密實程度，其數值與絮體的形態密切相關。數值一般在0～2的范圍內，數值越接近2，說明形成的絮體越密實、越粗大，其沉降性能越好。

如圖1所示，當PAC投加量為30mg/L時，Zeta電位值更接近0，此時靜電斥力小，絮體更容易聚集凝結;分形維數值更接近2，說明其絮體較為密實。隨著PAC投加量的增加，Zeta電位值趨于0。這是由于PAC水解的高電荷多核絡合離子壓縮膠粒雙電層可以中和微粒上電位離子所帶電荷，膠粒之間排斥程度減小，使沉淀效果達到最佳，此時絮凝效果最佳。分形維數隨PAC投加量的增加而增加，在30mg/L后達到穩定。PAC投加量的增加使絮體顆粒更密實，沉淀粒子更大，此時絮體凝聚更多的是由網捕卷掃作用產生的。PAC的最佳投加量為30mg/L。

3.2.2水力條件的最佳水平值

PAC預處理微污染窖水的水力條件單因素實驗結果如圖2、3所示。當絮凝轉速為30～40r/min時，Zeta電位值更接近O，這個階段的靜電斥力較小，絮體更容易凝聚。而分形維數值變化趨勢顯示轉速為40r/min時數值更接近于2，30r/min時的絮體較細小。所以，PAC的最佳絮凝轉速應為40r/min。圖3中Zeta電位與分形維數變化趨勢相同，呈現先增后降，在絮凝時間為30min處達到最大，即此時絮體更易凝聚且密實。

在Zeta電位變化折線圖中，由原水至混凝后出水.Zeta電位數值始終為負數，即電性中和并不是微污染窖水于混凝實驗的主要原因。而分形維數隨絮凝階段轉速或時間的增加而先后減。窖水中含有大量黃土和泥沙，其膠體上帶有負電荷，可以吸附PAC中的活性基團，逐漸形成橋連，絮體增大，使PAC與絮體間達到平衡;但絮凝階段轉速過高，時間過長，會時絮體破碎且無法形成大而密實的絮體，從而打破之前的平衡，使分形維數數值下降。

PAC的最佳水力條件為：絮凝轉速40r/min，絮凝時間30min。

4結論

（1）正交實驗結果表明，PAC和PAFC對濁度的去除效果最佳，均可達到97%以上;PAS次之;PFS最差。但綜合去除效果、水力條件以及經濟分析考慮，選取PAC為實驗的最優混凝劑。

（2）當PAC投加量為30mg/L ，絮凝轉速為40r/min，絮凝時間為30min時，微污染窖水的預混凝效果最好。

（3）微污染窖水的預混凝實驗中絮體凝聚受網捕卷掃作用影響較大，受電性中和影響較小。