聚丙烯酰胺在常規(guī)處理工藝凈水廠中的應用

李建勤，李祥林，李崢嶸

(蕪湖華衍水務有限公司，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，人民生活品質(zhì)越來越高，隨著原水水質(zhì)污染的加劇與飲用水水質(zhì)指標日益提高，凈水廠常規(guī)水處理工藝不能滿足人民日益增長的生活品質(zhì)追求。凈水廠工藝技術(shù)的升級或改造對于提高水質(zhì)具有顯著效果，但需要大量的資金和時間投入，高昂的經(jīng)濟負擔對于供水體量較小的水廠來說是無力承擔的，因此如何實現(xiàn)經(jīng)濟又高效的技術(shù)提升滿足水廠運行是一個重要且可行的課題，強化混凝是對現(xiàn)有工藝技術(shù)潛力發(fā)掘的可實施技術(shù)改造，也是目前最高效便捷的技術(shù)手段之一。通過投加合適且適量的混凝劑或混凝劑與助凝劑配合使用以加強混凝與絮凝效果，達到常規(guī)處理工藝在絮凝平流沉淀池階段盡可能多地去除水中的雜質(zhì)和有機物[1]。

蕪湖某水廠采用的是混凝—沉淀—過濾—消毒的常規(guī)凈水處理工藝，設(shè)計處理水量為150 000 m3/d，原水取自長江蕪湖段，長江水質(zhì)長期穩(wěn)定在Ⅱ類水質(zhì)，水廠工藝運行穩(wěn)定。受供水區(qū)域變化影響，2022 年開始每日供水量增加到15 萬～19 萬m3之間，高負荷供水直接縮短混凝劑與水接觸時間，原水與混凝劑無法充分反應，導致混凝劑的絮凝能力降低，形成的“礬花”細小，結(jié)構(gòu)松散，形成的速度較為緩慢，因“礬花”自身重力小導致下沉速度慢，混凝效果大大降低，大量的細小“礬花”聚集在集水槽處出現(xiàn)跑“礬花”現(xiàn)象，導致沉淀池出水濁度增加。V 型濾池因沉淀池出水濁度增加大大增加運行負荷，縮短了氣-水反沖洗周期，水廠自用水率也有所提升，出廠水濁度也有所提高[2]。為了強化混合絮凝沉淀效果，提高常規(guī)凈水處理工藝處理能力，提升出廠水水質(zhì)品質(zhì)，蕪湖某水廠采用陰離子型聚丙烯酰胺助凝劑與聚合氯化鋁混合使用，取得良好效果。

1 試驗儀器和方法

1.1 主要試驗儀器

儀器：分析天平(PA1004)；混凝試驗攪拌機(ZR4-6)；臺式濁度儀(HACH 2100N)；助凝劑加注設(shè)備(普羅名特流體控制(大連)有限公司)。

試驗：氧化鋁含量10%的混凝劑聚合氯化鋁(PAC)，助凝劑聚丙烯酰胺(PAM)：包括陽離子型、中離子型、陰離子型；氫氧化鈉(分析級)。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗室試驗

實驗員根據(jù)《水處理工程理論與應用》和《給水處理》推介使用的混凝攪拌實驗方法[3]，模擬凈水廠處理工藝的混合絮凝沉淀階段，第一階段為快速混合階段，實現(xiàn)混凝劑與原水充分混合反應，聚合氯化鋁在電性中和的作用下，帶負電荷的膠體電位降至臨界點產(chǎn)生聚結(jié)形成細密的小“礬花”，設(shè)定攪拌器轉(zhuǎn)速為150 r/min，設(shè)置時間為3 min；第二階段為絮凝反應段，此階段細密的“礬花”在高分子吸附架橋和網(wǎng)捕的作用下形成顆粒較大的“礬花”，設(shè)定攪拌器轉(zhuǎn)速為50 r/min，設(shè)置時間為5 min,觀察并記錄“礬花”形成情況；第三階段為沉淀階段，較大顆粒的礬花在自身重力的作用下沉降至沉淀池的底部，實現(xiàn)雜質(zhì)、有機物的去除，設(shè)定攪拌器轉(zhuǎn)速為0 r/min，設(shè)置時間為15 min。當凈水廠常規(guī)處理工藝無法滿足出廠水水質(zhì)要求時，實驗室模擬水廠下運行情況進行混凝劑最佳投加量實驗，得出最佳加藥量，但混凝劑最佳投加量無法滿足此時水廠生產(chǎn)水質(zhì)要求時，再進行助凝劑與混凝劑配合使用混凝沉降試驗，最后將助凝劑混凝攪拌試驗最佳結(jié)果運用到凈水廠實際生產(chǎn)中。

1.2.2 生產(chǎn)性試驗研究

將實驗結(jié)果運用到設(shè)計處理水量為150 000 m3/d的蕪湖某水廠。

2 實驗室試驗結(jié)果和分析

2.1 聚丙烯酰胺的選型

聚丙烯酰胺根據(jù)離子類型分為陰離子、陽離子和非離子型。陽離子型因含有微量毒性一般運用在污水處理等工藝中，凈水廠采用的助凝劑聚丙烯酰胺為安全等級較高的非離子型或陰離子型。

通過小樣燒杯試驗分析，由表1 可知陰離子聚丙烯酰胺助凝效果更好，這是因為陰離子分子鏈中含有一定數(shù)量的極性基團，極性集團可以吸附水中懸浮的帶電固體粒子，在電中和的作用下帶電固體形成不帶電的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在吸附架橋或網(wǎng)捕的作用下粒子凝聚形成大的絮凝物，明顯增加“礬花”的粒徑及重量，加速沉降速度達到加速澄清效果。

表1 不同類型聚丙烯酰胺濁度去除試驗

2.2 最佳加注點試驗

聚丙烯酰胺作為長鏈大分子需要外力作用下才能展開分子鏈，作為助凝劑主要依靠長分子鏈吸附架橋作用實現(xiàn)強化絮凝效果。如圖1 所示，投加適量聚合氯化鋁后，其水解產(chǎn)物與原水帶電膠體產(chǎn)生絮凝效果，形成一定數(shù)量一定粒徑的微小“礬花”后，此時投加聚丙烯酰胺，在攪拌器的作用下，長鏈大分子均勻分散在水中，增強吸附架橋效果，使得小“礬花”快速聚集成大顆粒絮凝體。通過混凝攪拌小樣試驗分析可知，投加聚合氯化鋁后120 s 投加聚丙烯酰胺效果較好，即折板絮凝池的第一絮凝段和第二絮凝段交界處。

圖1 不同類型聚丙烯酰胺加注點試驗

2.3 聚丙烯酰胺最佳投加量

選用聚合氯化鋁投加量為24.50 kg/kt，按不同陰離子型聚丙烯酰胺投加量在2.2 實驗的最佳投加點投加，按照1.2.1 實驗方法重復實驗從而確定聚丙烯酰胺最佳投加量范圍(如圖2 所示)。

圖2 聚丙烯酰胺投加量

由實驗結(jié)果可知，當聚丙烯酰胺投加量過少時，長鏈分子吸附架橋效果有限，“礬花”數(shù)量無明顯增多，粒徑也無明顯增大，導致濁度無顯著降低；聚丙烯酰胺投加量過大時，“礬花”快速形成大顆粒絮凝體快速沉降至底部，缺少“礬花”在下降過程中的相互作用，使得“礬花”大小不一，小“礬花”懸浮在上清液中，導致濁度上升，同時過量的聚丙烯酰胺分子將微絮體包裹在里面，使不穩(wěn)定的絮體重新帶電穩(wěn)定，失去成長的機會，濁度反而出現(xiàn)上揚。由圖2 可知聚丙烯酰胺最佳投加量范圍為0.04～0.12 mg/L。

3 聚丙烯酰胺堿化

聚丙烯酰胺直接投入水中溶解形成塊狀無法溶解，在溶解過程中加入一定比例的氫氧化鈉可以加速溶解，溶解后需靜置8 h 使其充分堿化，充分堿化后卷曲的聚丙烯酰胺高分子鏈充分展開，展開后的分子鏈與水充分混勻，大大增強吸附架橋效果，充分發(fā)揮聚丙烯酰胺的助凝效果[4]。在實際生產(chǎn)應用中，需要現(xiàn)配現(xiàn)用聚丙烯酰胺，一般采用堿化比為1.0∶0.2，即溶解1 g 聚丙烯酰胺的同時加入0.2 g 氫氧化鈉固體。

4 凈水廠生產(chǎn)性應用研究

在混凝攪拌實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上進行實際生產(chǎn)性試驗，蕪湖某水廠有可獨立的兩組沉淀池和V 型濾池，水廠利用原有的助凝劑投加設(shè)備溶解聚丙烯酰胺，按照1.0∶0.2 的比例加入氫氧化鈉促進堿化，堿化溫度為55 ℃，配置好的0.1% 的備用溶液在耐腐蝕泵加壓下，通過不銹鋼管道輸送至折板絮凝池第一、第二階段交界處，投加量根據(jù)原水流量及濁度調(diào)整，原水在不同濁度下聚丙烯酰胺的最佳投加量(如圖3 所示)。

圖3 聚丙烯酰胺的投加量與原水濁度關(guān)系折線圖

在取水流量為173 000 m3/d 時，東沉淀池按照圖3 投加聚丙烯酰胺，西沉淀池不投加助凝劑，比較兩組沉淀池出水濁度及“礬花”沉降區(qū)長度，結(jié)果如表2所示，可知沉淀池出水濁度降低了40%左右，“礬花”沉降區(qū)縮短了8 m 左右，助凝效果明顯，同期同側(cè)1-5號V 型濾池濾后水濁度達到0.1 NTU 以下。兩組濾池濾后水濁度對比如圖4 所示。

圖4 兩組濾池濾后水濁度對比圖

表2 沉淀池出水濁度和“礬花”沉降區(qū)統(tǒng)計表

5 聚丙烯酰胺應用凈水處理的安全性驗證

聚丙烯酰胺作為凈水廠常用的混凝助凝劑，本身是無毒的，水解后的聚丙烯酰胺單體毒性一直是我們非常高度關(guān)注的問題。根據(jù)國內(nèi)外動物毒理大量實驗表明，PAM 高分子絮凝劑屬于無致癌、無致畸、無致突變的“三無”產(chǎn)品。由小白鼠和大白鼠急性灌胃給藥實驗可知，聚丙烯酰胺劑量高達7.5 g/kg 時白鼠未出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，也未出現(xiàn)任何中毒癥狀[5]。

根據(jù)新版GB 5749—2022 《生活飲用水衛(wèi)生標準》規(guī)定：飲用水中丙烯酰胺單體殘留量限值為0.000 5 mg/L，對前期小樣燒杯試驗靜止水和生產(chǎn)性實驗的出廠水樣品進行高效液相色譜檢測，未檢測出丙烯酰胺單體，因而聚丙烯酰胺的使用是安全的。丙烯酰胺單體檢測圖譜如圖5 所示。

圖5 丙烯酰胺檢測圖譜

6 結(jié)語

(1)陽離子型聚丙烯酰胺一般不用于飲用水處理，同分子量的陰離子聚丙烯酰胺比非離子型助凝效果好，使用安全性得到驗證。

(2)助凝劑聚丙烯酰胺應投加在距聚合氯化鋁投加點后120 s 左右的位置距離，聚合氯化鋁水解后作用下形成的細碎“礬花”在聚丙烯酰胺的長鏈分子的吸附架橋作用下形成加大粒徑的絮體，絮體在自身重力作用快速沉降。

(3) 助凝劑聚丙烯酰胺的投加量的最佳范圍為0.04～0.12 mg/L。在實際應用中，應根據(jù)聚合氯化鋁的投加量，原水濁度、溫度、流量等因素調(diào)整PAM 投加量。

(4)在水廠高負荷運行的情況下，投加聚丙烯酰胺具有良好的助凝效果，出廠水水質(zhì)穩(wěn)定，濁度可達到0.1 NTU 以下。