PAC和PDM聯用對湘江原水藻類去除的生產性試驗

湯 婷，鄭 恒，黃 慶，賴 涵，李亞城，周耀渝

(1.中南水務科技有限公司，湖南長沙 410000；2.湖南農業大學資源環境學院，湖南長沙 410128)

近年來，湘江流域富營養化日趨嚴重，藻類時有暴發，威脅到人們的用水安全[1]。藻類暴發一方面會給水質帶來不良影響，如釋放藻毒素、嗅味物質、消毒副產物前體物等[2-3]；另一方面，還會影響水廠的正常運行，比如干擾混凝過程，進而堵塞或穿透濾池，增加消毒劑用量等[4-5]。因此，根據湘江水質，探究合理有效的除藻方法成為人們的迫切需求。

針對高藻水，水廠常規的方法為使用氧化劑進行預處理，通過滅活藻細胞達到提高混凝除藻效果的目的[6-7]。然而，這些氧化劑可能會使得藻類細胞破裂，釋放藻源有機物，造成二次污染[8-9]。相比于預氧化方法，投加助凝劑強化混凝是一種物理方法，不破壞藻細胞，具有更高的安全性[10]。聚二甲基二烯丙基氯化銨(polydimethyldiallyl ammonium chloride，PDM)是一種新型有機高分子助凝劑，帶有強陽離子基團，通過電中和及吸附架橋作用使得水中帶負電顆粒失穩絮凝，可直接用于飲用水處理，獲得美國食品和藥物管理局(FDA)批準[11-12]。

國內已有用無機絮凝劑和PDM聯合投加除藻的研究[13-14]，但大多僅開展混凝攪拌試驗。考慮到水廠實際情況和混凝攪拌試驗的差異性，本研究在混凝攪拌試驗的基礎上，進一步在水廠開展生產性試驗，考察聚合氯化鋁(PAC)和PDM聯合投加對渾濁度、藻類、OD680(680 nm波長處的吸光值)、UV254、CODMn的去除效果，為高藻期間水廠藻類去除提供參考。

1 材料與方法

1.1 原水水質

試驗于2021年8月在湘江水源長沙段某水廠進行，共運行72 h，試驗運行期間具體水質相關指標(平均值)如表1所示。

表1 原水水質

1.2 試驗藥劑

PAC：液體工業品，Al2O3質量分數為10%；PDM：液體工業品，固體質量分數為40%。

1.3 試驗方法

1.3.1 混凝攪拌試驗方法

混凝攪拌試驗均在六聯攪拌器(ZR4-6，深圳中潤)中進行，每個燒杯裝液量為500 mL。步驟如下：(1)90 r/min快速攪拌10 s使水樣混合均勻；(2)添加混凝劑后，90 r/min快速攪拌3 min；(3)60 r/min慢速攪拌6 min；(4)40 r/min慢速攪拌6 min；(5)靜置30 min。靜置結束后在液面以下2 cm處取上清液分析。

1.3.2 生產性試驗方法

該水廠工藝流程如圖1所示，設計處理規模為20萬m3/d，分為Ⅰ期和Ⅱ期，每期處理規模為10萬m3/d，主要工藝為折板絮凝+斜管沉淀。Ⅰ期設為對照組，僅投加PAC，Ⅱ期為試驗組，采用PAC和PDM聯合投加。PAC投加量固定為12 mg/L，試驗組PDM的投加量設置3個質量濃度梯度，分別為0.25、0.50、1.00 mg/L，每個濃度梯度運行24 h，共運行72 h。每隔4 h分別取原水、試驗組沉淀池出水、對照組沉淀池出水，檢測藻類數量、渾濁度、UV254、OD680、CODMn。

圖1 水廠工藝流程

1.4 檢測及分析方法

藻類數量采用顯微鏡計數法，渾濁度采用哈希2100Q濁度儀測定，OD680和UV254采用紫外可見分光光度計測定(島津，UV2600)，CODMn根據《水和廢水的生物監測方法》(第四版)相關方法進行檢測。

2 結果及分析

2.1 混凝攪拌試驗

混凝攪拌試驗在六聯混凝攪拌器上進行，分別對PAC和PDM的投加量進行了優化，為下一步生產性試驗藥劑投加量提供參考。

2.1.1 PDM投加量優化

根據水廠的投加經驗，針對目前水質情況，PAC投加量暫設定為16 mg/L，PDM設置5個質量濃度梯度，分別為0、0.25、0.50、0.75、1.00 mg/L。比較不同PDM投加量下沉后水渾濁度、絮體大小和沉降時間。

由混凝攪拌試驗結果可知(表2和圖2)，當PDM投加量為0.25 mg/L時，不足以形成吸附架橋作用，形成的絮體較小。隨著PDM投加量增大，沉后水渾濁度和OD680逐漸降低，絮體粒徑逐漸變大，但當PDM投加量大于0.50 mg/L時，渾濁度和OD680略有升高，絮體粒徑增大不明顯。這可能是因為PDM投加過量，產生“膠體保護”作用[15]。因此，PDM的建議投加量為0.50 mg/L。

表2 PDM投加量優化結果(PAC：16 mg/L)

圖2 不同PDM投加量下絮體形態

2.1.2 PAC投加量優化

固定PDM投加量為0.50 mg/L，PAC投加量設置質量濃度梯度為0、4、8、12、16、20 mg/L，對PAC投加量進行優化，考察不同PAC投加量下沉后水渾濁度、絮體大小和沉降時間。

結果如表3和圖3所示，當PAC投加量為0～4 mg/L時，絮體粒徑非常細小，懸浮在溶液中，難以沉降，沉后水渾濁度較大。這主要是因為PAC投加量過低時，其水解帶來的正電荷較少，電中和作用不充分，即使添加了足量的PDM，助凝效果仍然不佳。隨著PAC投加量增大，沉后水渾濁度和OD680逐漸降低，絮體粒徑逐漸增大，沉降速度加快，易形成絮團。當PAC投加量大于12 mg/L時，絮體粒徑增大不明顯，且渾濁度和OD680也出現逐漸增大的趨勢，這可能是因為膠粒表面吸附的正電荷離子過多，電荷變號，有可能發生再穩現象[16]。因此，建議PAC的投加量為12 mg/L。

表3 PAC投加量優化結果(PDM：0.50 mg/L)

圖3 不同PAM投加量下絮體形態

以上研究結果表明，針對該水質情況，混凝攪拌試驗結果藥劑建議投加量為12 mg/L PAC+0.50 mg/L PDM，可以為下一步的生產性試驗提供參考。

2.2 生產性試驗

本研究主要探討不同PDM投加量下藻類去除情況，因此，在生產性試驗中主要優化PDM投加量，PAC投加量根據混凝攪拌試驗和水廠投加經驗設置為12 mg/L。根據2.1小節混凝攪拌試驗結果，PDM的最佳投加量為0.50 mg/L，生產性試驗圍繞該值設置0.25、0.50、1.00 mg/L這3個質量濃度梯度，每個濃度梯度運行24 h，共運行72 h,根據1.3.2小節所述方法開展生產性試驗。

2.2.1 絮體大小

分別在對照組和試驗組反應池末端觀察絮體形成情況，結果如圖4所示，對照組形成的絮體非常細小，大部分懸浮在水中，沉降效率較低，甚至沉淀池出水中還會有部分懸浮的絮體。試驗組投加PDM后，在其助凝作用下形成了較大的絮團，最大的絮體粒徑可達到1 cm，沉降速度加快。

圖4 反應池絮體形成(12 mg/L PAC+0.50 mg/L PDM)

2.2.2 沉淀池出水

原水經過絮凝反應池后，進入斜管沉淀池沉淀，分別觀察試驗組和對照組沉淀池出水以及斜管沉淀池斜管蜂窩堵塞情況。結果如圖5所示，對照組出水非常渾濁，沉淀效果不佳，絮體容易上浮停留在斜管中，造成斜管蜂窩堵塞，斜管需要每3 d清洗一次。試驗組出水水質良好，池水清澈見底，因絮體粒徑大、沉淀效果好，大大減緩了斜管蜂窩的堵塞程度，清洗頻率可延長至14 d一次。

圖5 斜管沉淀池出水(12 mg/L PAC+0.50 mg/L PDM)

2.2.3 藻類去除效果

藻類去除效果如圖6所示，原水藻類數量在1.74×105～3.14×105cells/mL，均值為2.11×105cells/mL。對照組沉淀池出水藻類數量較高，均值在4.5×104cell/mL左右，藻類平均去除率為78.67%。試驗組中，當PDM投加量為0.25、0.50、1.00 mg/L時，沉淀池出水中藻類數量分別為2.00×104、4.83×103、5.66×103cells/mL，去除率分別為90.52%、97.71%、97.32%。當PDM投加量為0.50 mg/L時，除藻率達到最高，繼續提高PDM投加量至1.00 mg/L，除藻率略有降低。當原水藻類數量波動較大時，試驗組沉淀池出水藻類的數量始終保持在較為平穩的水平，而對照組波動性較大。由以上結果可知，PAC和PDM聯合投加的方式可大幅度提高除藻率，其主要原因可能為：(1)PDM每個結構單元帶有一個正電荷，增強了電中和作用，使得帶負電的藻類細胞脫穩[17]；(2)PDM為鏈狀高分子，在電中和作用的基礎上，可進一步發揮較好的吸附架橋能力，從而更容易將脫穩的藻類細胞絮凝沉淀[18]。

圖6 不同PDM投加量下藻類去除效果

因藻類在680 nm處有特征吸收峰，因此，用OD680可間接表征藻類去除效果，結果如圖7所示。試驗運行期間，原水OD680在0.005 0～0.025 2 cm-1，均值為0.013 6 cm-1。對照組沉淀池出水OD680均值為0.003 2 cm-1，平均去除率為76.47%。試驗組中，當PDM投加量為0.25、0.50、1.00 mg/L時，沉淀池出水OD680平均值分別為0.001 7、0.000 3、0.001 8 cm-1，去除率分別達到87.50%、97.79%、86.76%。以上結果表明，隨著PDM投加量升高，OD680去除率呈現先升高后降低的趨勢，這和藻類數量及去除率的變化趨勢保持一致。

圖7 不同PDM投加量下OD680變化

2.2.4 渾濁度去除效果

渾濁度通常反映光線通過水體時被懸浮物阻礙的程度，本試驗使用的水源中主要懸浮物是藻類，因此，可通過渾濁度的變化來反映藻類數量的變化，渾濁度變化結果如圖8所示。原水渾濁度在5.41～13.40 NTU，均值為8.21 NTU。對照組沉淀池出水渾濁度均值在2.02 NTU，且波動較大，最高時可高達4.14 NTU，平均渾濁度去除率為75.40%。試驗組中，當PDM投加量為0.25、0.50、1.00 mg/L時，沉淀池出水渾濁度平均值均能達到1.00 NTU以下，分別為0.94、0.69、0.52 NTU，渾濁度去除率分別為88.55%、91.60%、93.67%。試驗結果表明，隨著PDM投加量升高，沉淀池出水渾濁度逐漸降低，渾濁度去除率逐漸升高。

圖8 不同PDM投加量下渾濁度去除效果

2.2.5 UV254和CODMn去除效果

夏季藻類暴發期間，有機污染明顯，除了藻類數量和渾濁度外，UV254和CODMn也是反映水體受有機污染程度的重要指標。因此，對試驗組和對照組出水UV254和CODMn進行了考察。UV254變化結果如圖9所示，原水UV254在0.053 8～0.108 1 cm-1，均值為0.079 2 cm-1。對照組沉淀池出水UV254均值為0.045 5 cm-1，平均去除率為42.55%。試驗組投加0.25、0.50、1.00 mg/L PDM，沉淀池出水UV254分別為0.044 7、0.030 3、0.038 6 cm-1，去除率分別為43.56%、61.74%、51.26%。試驗結果表明，當PDM投加量較低(0.25 mg/L)時，UV254去除率和對照組相差不大。隨著PDM投加量升高，UV254去除率呈現先升高后略微降低的趨勢，當PDM投加量為0.50 mg/L時，UV254去除率達到最高。

圖9 不同PDM投加量下UV254去除效果

CODMn變化結果如圖10所示，原水CODMn質量濃度在2.21～3.08 mg/L，均值為2.55 mg/L。對照組沉淀池出水CODMn平均質量濃度為2.07 mg/L，平均去除率為18.82%。試驗組投加0.25、0.50、1.00 mg/L PDM，沉淀池出水CODMn質量濃度分別為1.82、1.58、1.61 mg/L，去除率分別為28.63%、38.04%、36.86%。隨著PDM投加量升高，CODMn去除率呈現先升高后略微降低的趨勢，當PDM投加量為0.50 mg/L時，CODMn去除率達到最高。由以上結果可知，PAC和PDM聯合投加也可以加強對有機物指標UV254、CODMn的去除。

圖10 不同PDM投加量下CODMn去除效果

綜合以上結果，針對目標水質情況，當PDM投加量為0.50 mg/L時，藻類、OD680、UV254、CODMn去除率均可達到最大值，渾濁度可降低至1.00 NTU以下。相關數據如表4所示，試驗組藻類、渾濁度、OD680、UV254、CODMn去除率分別為97.71%、91.60%、97.79%、61.74%、38.04%，相對于對照組分別提高了18.04%、16.20%、21.32%、19.19%、19.22%。

表4 最佳投加量下相關水質指標去除率(12 mg/L PAC+0.50 mg/L PDM)

3 結論

為解決水廠使用PAC對含藻水處理效果不佳的問題，研究PAC和PDM聯合投加對藻類的去除效果，得出以下結論。

(1)PAC和PDM聯合投加的方式可有效解決高藻期間水廠絮凝效果不佳、斜管堵塞等問題，投加PDM后絮體明顯增大，沉降速度加快，沉淀池出水清澈見底，大大減緩了斜管沉淀池蜂窩的堵塞程度，清洗頻率可從3 d清洗一次延長至14 d清洗一次。

(2)通過混凝攪拌試驗和生產性試驗的優化，得到針對試驗期間水質的藥劑建議投加量為12 mg/L PAC+0.50 mg/L PDM。在此條件下沉淀池出水藻類、渾濁度、OD680、UV254、CODMn去除率分別為97.71%、91.60%、97.79%、61.74%、38.04%，相對于對照組分別提高了18.04%、16.20%、21.32%、19.19%、19.22%。PAC和PDM聯合投加的方式對藻類、渾濁度、有機物等去除效果顯著，可為高藻期間水廠藻類去除提供參考。