基于鄭州某水廠原水的聚合鋁強化混凝研究

李永勤，劉增軍

(1.濟南城建集團有限公司，山東 濟南 250031； 2.山東省城建設計院，山東 濟南 250021)

0 引言

聚合氯化鋁(PAC)又名堿式氯化鋁或羥基氯化鋁，是20世紀60年代后期正式投入工業生產的一種新型無機高分子混凝劑。PAC與無機鹽類混凝劑相比，具有絮體形成速度快、沉降性能好、對水質適應性好等優點。但近年來，隨著水中污染的加劇，單獨投加PAC已不能滿足水質處理要求，特別是對有機物的去除并不理想[1]，常需要投加助凝劑或其他預處理劑來提高出水水質。

本實驗以河南鄭州某水廠進廠水為實驗對象，PAC是該水廠最常用的混凝劑，水廠出水常會面臨消毒副產物超標或者是嗅味問題，而單獨投加混凝劑很難解決此類問題，而且單獨增大混凝劑投加量還會造成生產成本增加。本實驗考察單獨投加PAC與PAC+助凝劑對原水的處理效果差別，PAC在投加助凝劑的基礎上分別用活性炭和高錳酸鉀作預處理劑對原水的處理效果差別。

1 實驗材料及檢測方法

1)原水水質。

實驗時間為2021年3月～2022年4月，水廠進廠水黃河水的某二級沉砂池中層水，約為水面下3 m～4 m，試驗期間原水水質如表1所示。

表1 試驗期間原水水質

2)實驗設備及儀器。

實驗所用的中試設備處理水量為1 m3/h，主要由預處理罐、機械絮凝反應池、斜管沉淀池、砂濾池組成。圖1為所用中試設備的工藝流程簡圖。

3)實驗試劑。

聚合氯化鋁(PAC)：液態，密度1.26 g/mL，氧化鋁(Al2O3)質量分數10.3%，鹽基度80%，pH=4.0，不溶物質量分數0.18%。

活化硅酸：液態，密度1.37 g/mL，二氧化硅(SiO2)質量分數26.8%。

pH=2.4，氧化鈉(Na2O)質量分數8.4%；粉末活性炭，高錳酸鉀(KMnO4)，分析純。

試驗中其他檢測的水質指標與方法、儀器如表2所示。

2 結果與討論

2.1 投加助凝劑與單獨投加混凝劑處理效果對比

實驗測試水樣為中試設備斜管沉淀池出水，測試數據為多次檢測后平均值。實驗先單獨投加PAC，之后用活化硅酸作助凝劑，在相同混凝劑投加量下，通過小試實驗，確定混凝劑∶助凝劑=4∶1聯合投加。實驗選取濁度，CODMn,UV254三個指標進行分析，出水指標如表3所示。

表2 水質檢測項目分析方法及儀器

單獨投加PAC，隨著投藥量增加，濁度去除率逐步提高，當投藥量為60 mg/L時，濁度去除率達到最大，為63.2%。之后隨著投藥量增加，濁度去除率基本不變，出水濁度基本穩定在4 NTU左右。這是因為繼續增大混凝劑投加量，膠體顆粒的吸附面全部被高分子覆蓋，多余的混凝劑正離子吸附于顆粒表面，形成帶正電的膠體顆粒，使膠體顆粒不能聚集，從而導致出水濁度難以進一步降低。

表3 投加助凝劑對比試驗

混凝劑與助凝劑聯合投加，當混凝劑投藥量小于30 mg/L時，其處理效果不如單獨投加助凝劑，這是因為活化硅酸助凝的主要機理是吸附架橋，而混凝劑在低投藥量下，形成的絮體較少，不利于活化硅酸發揮助凝作用，而此時向水中投加助凝劑，也可能會一定程度增大原水濁度。之后隨著投加量升高，濁度的去除率也隨之升高。在投加助凝劑情況下，當PAC投加量為40 mg/L時，濁度去除率66%已經優于單獨投加PAC的最大濁度去除率。可見投加助凝劑能減少混凝劑投加量。

高錳酸鹽指數是指在酸性或堿性介質中,以高錳酸鉀為氧化劑，處理水樣時所消耗的量，以O2mg/L表示。它表征大部分還原性有機物和還原性無機污染物的含量。在表3中，單獨投加PAC，CODMn的去除率隨投藥量增加而增加，投藥量為80 mg/L時，CODMn去除率達到最大為36.1%。PAC與活化硅酸聯合投加，隨著投藥量增加，去除率整體也是呈增長趨勢，相比較單獨投加PAC，它的去除率增長趨勢較緩。在低投藥量下(<30 mg/L)，它對CODMn的去除效率要明顯優于單獨投加PAC。之后隨著投藥量增加，活化硅酸的助凝效果不再明顯，兩者對CODMn的去除效率差別不大。

UV254代表水中含羧基和羥基等極性基團的有機物。研究發現，UV254不僅與水中有機物有關，而且與消毒副產物的前體物有較好的相關性。由表3可知，單獨投加PAC，隨著投藥量增加，出水UV254逐步降低，但降低趨勢較緩。投藥量為80 mg/L時，去除率最大，僅為27.6%。當投加助凝劑后，可以看到，在相同PAC投加量下，對UV254的去除率明顯提高，PAC投藥量為90 mg/L時，UV254去除率達到最大49%。

綜合比較CODMn和UV254，可以看出PAC與活化硅酸聯用，對于CODMn和UV254的去除效率都有進一步的提高，在低投加量下兩者去除效率提高明顯，高投加量下UV254的去除效率進一步提高，而CODMn的去除率變化不大。經分析，這種差異主要是因為組成CODMn和UV254的有機物分子量不同。CODMn中小分子有機物比例要高于UV254，組成UV254的有機物分子量大都在3 000以上，在混凝過程中易被氫氧化鋁絮體所吸附，投加活化硅酸增加了吸附架橋作用，更有利于UV254去除[2]。

2.2 投加預處理劑處理效果

在各種完善水質處理效果的深度處理技術中，活性炭吸附和高錳酸鉀預氧化是完善常規處理工藝以去除水中有機污染物比較成熟有效的方法。本次實驗結合水廠實際，選定這兩種預處理劑，其中活性炭投加范圍為0 mg/L～10 mg/L，高錳酸鉀投加量為0 mg/L～1.0 mg/L。預處理劑在混凝劑與助凝劑投加之前投加，預接觸時間為1 h，選定的評價指標除濁度，CODMn,UV254外，增加嗅閾值，以考察兩種預處理劑對水中嗅味物質的去除情況。聚合氯化鋁、活化硅酸投藥量分別為40 mg/L,10 mg/L。兩種預處理劑對水中各指標的去除效果如圖2～圖5所示。其中投加指標1,2,3,4,5,6所對應的活性炭投加量為0 mg/L,2 mg/L,4 mg/L,6 mg/L,8 mg/L,10 mg/L，對應的高錳酸鉀投加量為0 mg/L,0.2 mg/L,0.4 mg/L,0.6 mg/L,0.8 mg/L,1.0mg/L。

由圖2～圖5可以看出，以PAC投加活性炭能一定程度的增加對濁度，CODMn，UV254，嗅閾值的去除率。且隨著活性炭投加量的增加，上述指標的去除率逐步升高。活性炭投加量為8 mg/L時，出水濁度為1.40 NTU，與不投加活性炭對比降低了約1 NTU。當活性炭投加量小于8 mg/L時，CODMn和UV254的去除率隨活性炭投加量增加去除率降低比較緩慢，超過8 mg/L時，去除率增加較快。當活性炭投加量為10 mg/L時，出水CODMn為0.92 mg/L，比不投加活性炭降低了約64%，出水UV254為0.032，比不投加活性炭降低了50%。嗅閾值隨著活性炭投加量的增加，去除率也逐步提高，當活性炭投加量為10 mg/L時，出水嗅閾值為3.5，而不投加活性炭時，出水嗅閾值為8，嗅閾值明顯降低。

綜合來看，投加粉末活性炭對于上述四個指標均有一定程度的提高。隨著投加量的增大，對于有機物指標(CODMn,UV254)和水中嗅味均有良好的去除效果。這是因為活性炭的發達微孔結構以及巨大的比表面積，對于水中溶解度低、親水性差、弱極性的有機物可以進行有效吸附[3-4]。

相比較活性炭，高錳酸鉀作預處理劑時，對于濁度，CODMn，UV254，高錳酸鉀投加量為0.2 mg/L時，三者比不投加高錳酸鉀都有一定程度的降低，之后隨著投加量的增加，三者的去除率變化不大，當高錳酸鉀投加量過高時，都會有一定程度的上升。由圖4可知，投加高錳酸鉀可以提高嗅閾值去除率，并且隨著投加量的增加，嗅閾值也逐步降低。由此可見，高錳酸鉀作預處理劑，對于常規指標的去除效果并不明顯，但可以一定程度降低水中嗅閾值。

研究證實，高錳酸鉀預氧化是由氧化和新生態水與二氧化錳共同作用[5]。當高錳酸鉀投加量過大時，過高的氧化作用使水中大分子有機物變為小分子有機物，使有機物濃度升高，而過高濃度的有機物會附著在膠體顆粒表面，形成有機保護膜，提高了膠體在水中的穩定性[6]。可能正是基于此種原因，當高錳酸鉀投加量過高時，會使有機物指標(CODMn和UV254)去除率出現一定程度的降低。

用PAC作混凝劑，分別投加活性炭和高錳酸鉀作預處理劑，從以上四個指標來看，隨著投加量的增加，活性炭對濁度，CODMn,UV254的去除效果要優于高錳酸鉀，從有機物分子量來看，這主要是因為投加PAC時，混凝劑主要是對大分子量有機物的去除[7-9]，投加活性炭后，它的吸附作用主要是去除小分子有機物，兩者能形成明顯的互補，因此可以使水中CODMn,UV254等有機物指標去除率提高，而高錳酸鉀和活性炭對嗅閾值的去除率效果相差不大。

3 結論

1)在上述水源水質下，單獨投加PAC的最佳投加量為60 mg/L。投加活化硅酸能明顯提高濁度、UV254的去除率，降低混凝劑使用量，對于CODMn，在混凝劑高投量下，活化硅酸助凝效果不明顯。2)當用PAC作混凝劑，活化硅酸作助凝劑時，活性炭和高錳酸鉀作預處理劑都能有效降低水中嗅閾值。而兩者相比，活性炭對于水中濁度，CODMn,UV254的去除效果要優于高錳酸鉀。3)建議水廠在水質無重大問題時，采用活化硅酸助凝的方式來提升出廠水水質。當水廠出現水質問題時，如消毒副產物超標或者嗅味問題，可采用預投加活性炭的方式來進行處理。