絮凝剂的复合使用在水处理中的应用

于益群，薛 鹏，赵 超，何宇涵

(天津泰达新水源科技开发有限公司 天津300450)

絮凝剂的复合使用在水处理中的应用

于益群，薛 鹏，赵 超，何宇涵

(天津泰达新水源科技开发有限公司 天津300450)

PAM 阳、阴离子与三氯化铁、聚合氯化铝都是常用的水处理药剂。PAM 是聚丙稀铣胺的简称，在水处理中作为一种常见的助凝剂，而三氯化铁、聚合氯化铝则是常见的絮凝剂。其他絮凝剂还包括聚合硫酸铝、聚合硫酸铁等。该实验选择药品，综合考虑了药品成本、观察效果和水质情况 3个方面的因素，发现聚合氯化铝与 PAM 阳离子联合投加具有成本低、污水处理效果好的优点。因此用聚合氯化铝作为絮凝剂与 PAM 阳离子搭配，主要了解其对总磷和SS的最佳去除率，并确定最适宜的比例。

水处理 混凝法 总磷 SS

随着城市化、工业化进程的加快，城市所产生的污水也越来越多。早期由于环保意识的淡薄和落后的发展模式，很多地区将不经处理的污水排入河流湖泊等自然水体，导致水体富营养化，水生生态系统遭到破坏并衰退，经过演替变成陆地生态系统，使得大量水生资源流失，造成了巨大的经济损失。环境的恶化给人们敲响了警钟，于是环保事业也如雨后春笋一般发展了起来。如今环境保护行业发展最为成熟的就是水处理领域。水处理方法有：活性污泥法、生物膜法、土地处理系统等，具体包括 SBR、OA/2、倒置OA/2等为人们所熟知的传统工艺和 CANON、IDEA、MBBR等新工艺。它们都能有效降低水中的氮磷和有机物含量。本次实验对某工业区污水厂进水通过混凝烧杯试验的处理，即在既定温度、搅拌强度的条件下，讨论最佳的混凝剂与投加比，最后对处理后的污水总磷和SS含量进行检测，并加以总结。

1 混凝概述

1.1 混凝原理

混凝指通过向水中投加药剂使胶体物质脱稳并聚集成较大的颗粒，以使其在后续的沉淀过程中分离或在过滤过程中被截除。通过向水中投加混凝剂可破坏胶体的稳定状态，脱稳之后的胶体颗粒可借助一定的水力条件通过碰撞而彼此聚集絮凝，形成足以靠重力沉淀的较大的絮体，从而易于从水中分离。其具体机理分为：电性中和、吸附架桥作用、网捕作用等。[2]

1.1.1 电性中和

电性中和又分为压缩双电层和吸附电中和两种。通过投加电解质压缩扩散层以导致胶粒间相互凝聚的作用机理称为压缩双电层作用机理。利用吸附能力，离子可直接进入滑动面内与胶核上的电位离子发生吸附中和作用，这种吸附不受电性中和的约束，只要有吸附空位就会发生。

1.1.2 吸附架桥作用

吸附架桥作用主要用来解释高分子混凝剂的作用过程。高分子混凝剂多为一种松散的网状长链式结构，分子量高，分子大，具有能与胶粒表面某些部位作用的化学基团，对水中胶粒能产生强烈的吸附作用和粘结桥连作用。通过高分子链状结构吸附胶体，微粒可以构成一定形式的聚集物，从而破坏胶体系统的稳定性。

1.1.3 网捕作用(沉淀物的卷扫)

当金属盐作混凝剂时，如果投加量非常大，足以达到沉析金属氢氧化物或金属碳酸盐时，水中的胶体颗粒可被这些沉析物在形成的过程中卷扫(网捕)，从而随之一起沉淀。此时胶体颗粒的结构并没有大的改变，基本上是一种机械作用，只是成为金属氢氧化物沉淀形成的核心。

上述这 3种混凝机理在水处理过程中不是孤立的现象，而往往是同时存在的。对于水处理中常用的高分子混凝剂来说，主要以吸附架桥机理为主；而对于无机的金属盐混凝剂，则电性中和和粘结架桥作用同时存在；当投量很多时，还会有卷扫作用。[3]

1.2 影响混凝的因素

由于胶体的混凝过程比较复杂，原水水质又各异，因此混凝效果的好坏受许多因素的影响，主要有水温、水的pH值和碱度、原水水质、水力条件及混凝剂种类及投加量等。

1.2.1 水温的影响

温度对混凝效果产生影响的主要原因为水温影响药剂溶解速度、黏滞性。此外，水温还对胶体颗粒的水化膜形成有影响：水温低时，胶体颗粒水化作用增强，水化膜增厚，妨碍胶体凝聚，而且水化膜内的水由于黏度和重度增大，影响了颗粒之间粘附强度。

1.2.2 pH值的影响

对于不同的混凝剂，水的 pH值的影响程度也不相同。对于聚合形态的混凝剂，如聚合氯化铝和有机高分子混凝剂，其混凝效果受水体 pH值的影响程度较小。铝盐和铁盐混凝剂投入水中后的水解反应过程，其水解产物直接受到水体 pH值的影响，会不断产生 H离子，从而导致水的 pH值降低。因此，要使pH值保持在合适的范围内，水中应有足够的碱性物质与H离子中和。

1.2.3 水质的影响

对于处理以浊度为主的污水，主要的水质影响因素是水中的悬浮物含量，水中电解质和有机物的含量对混凝也有一定的影响。水中悬浮物含量很低时，颗粒碰撞机率大大减小，混凝效果差，通常采用投加高分子助凝剂或矾花核心类助凝剂等方法来提高混凝效果。如果原水悬浮物含量很高，一般在水中先投加高分子助凝剂，如聚丙烯酰胺等。

1.2.4 水力条件的影响

混合、絮凝阶段的G和GT值不同，是混凝工艺过程中的重要控制参数。在混合阶段，以胶体的异向凝聚为主，要使药剂迅速均匀地分散到水中以利于水解、聚合及脱稳。这个阶段进行得很快，特别是Al3＋、Fe3＋盐混凝剂，所以必须对水进行剧烈、快速的搅拌。要求的控制指标为：混合时间 10～30,s，≤2,min；搅拌强度以 G 值表示，控制在 700～1,000(s-1)。在絮凝阶段，主要以同向絮凝(以水力或机械搅拌促使颗粒碰撞絮凝)为主。同向絮凝效果与速度梯度 G和絮凝时间 T有关。由于此时絮体已经长大，易破碎，所以 G值比前一阶段减小，即搅拌强度或水流速度应逐步降低。主要控制指标为：平均值G值为20～70,s-1，平均GT值为54,101～101。[4-6]

1.2.5 混凝剂投加量的影响

混凝剂的最佳投加量是指能达到水质目标的最小投加量。最佳投药量具有技术经济意义，最好通过烧杯试验确定。

2 实验部分

2.1 实验目的

通过烧杯实验，在既定的温度、pH值、水质条件下，通过 SS、总磷去除情况确定最佳投药比(助凝剂与絮凝剂之比)。

2.2 实验水样

实验水样来源于某工业区污水厂进水，主要包含了生活污水和工业区的排放废水，水样略显浑浊，有淡淡的刺激性气味。由于实验需求，测得原水水质如表1所示：

表1 原水水质表Tab.1 List of raw water quality

2.3 实验试剂和仪器

2.3.1 试剂和所用仪器

试剂：聚丙烯酰胺阳、阴离子试剂，三氯化铁，聚合氯化铝等。

仪器：六联搅拌机，TA6-2程控混凝实验搅拌仪。浊度仪，HACH 2100N。紫外分光光度，岛津UV-1800。

2.3.2 混凝剂的选取理由

PAM 与三氯化铁、聚合氯化铝都是常用的水处理药剂。本次实验在药品上的选择，在考虑药品成本、观察效果和水质情况 3个方面的综合因素后，发现聚合氯化铝与 PAM阳离子联合投加具有成本低、对于污水处理效果好的优点。因此用聚合氯化铝作为絮凝剂与 PAM阳离子搭配，主要了解其对总磷和SS的最佳去除率，并确定最适宜的比例。

2.4 实验方案

聚合氯化铝溶液，配制浓度为 10,mg/L；三氯化铁溶液，配制浓度为10,mg/L；絮凝剂PAM阳离子溶液，配制浓度为 1,g/L；絮凝剂 PAM 阴离子溶液，配制浓度为1,g/L。

调制六联搅拌仪参数，模拟污水厂工艺的水力条件。实验用原水采自絮凝池入口，检查并记录水温、SS、总磷等数值。

2.5 实验步骤

2.5.1 聚合氯化铝不同投加量的混凝实验

投加量分 6个梯度，分别为 50,mg/L、80,mg/L、100,mg/L、120,mg/L、150,mg/L、180,mg/L。

程序 1：设定搅拌转速 60,rpm，2,min后投加药剂。

程序2：设定搅拌转速60,rpm，慢搅30,min。

程序3：静置10,min，澄清后取样检测SS和TP。

2.5.2 三氯化铁不同投加量的混凝实验

投加量分 6个梯度，分别为 50,mg/L、80,mg/L、100,mg/L、120,mg/L、150,mg/L、180,mg/L。

程序1：设定搅拌转速60,rpm，2,min后投加三氯化铁。

程序2：设定搅拌转速60,rpm，慢搅30,min。

程序3：静置10,min，澄清后取样检测SS和TP。

2.5.3 聚合氯化铝和三氯化铁联合投加的混凝实验

投加量分 6个梯度，顺序为铁前铝后，分别为30,mg/L、30,mg/L；40,mg/L、40,mg/L；50,mg/L、50,mg/L；60,mg/L、60,mg/L；70,mg/L、70,mg/L；80,mg/L、80,mg/L。

程序1：设定搅拌转速60,rpm，2,min后投加三氯化铁，1,min后投加聚合氯化铝。

程序2：设定搅拌转速60,rpm，慢搅30,min。

程序3：静置10,min，澄清后取样检测SS和TP。

2.5.4 聚合氯化铝和 PAM 阳离子联合投加的混凝实验

投加量分 6个梯度，顺序为铝前 PAM后，分别为 30,mg/L、0.2,mg/L；50,mg/L、0.2,mg/L；80,mg/L、0.2,mg/L；100,mg/L、0.2,mg/L；120,mg/L、0.2,mg/L；150,mg/L、0.2,mg/L。

程序1：设定搅拌转速60,rpm，2,min后投加聚合氯化铝，3,min后投加PAM。

程序2：设定搅拌转速60,rpm，慢搅30,min。

程序3：静置10,min，澄清后取样检测SS和TP。

2.5.5 聚合氯化铝和 PAM 阴离子联合投加的混凝实验

投加量分 6个梯度，顺序为铝前 PAM后，分别为 30,mg/L、0.2,mg/L；50,mg/L、0.2,mg/L；80,mg/L、0.2,mg/L；100,mg/L、0.2,mg/L；120,mg/L、0.2,mg/L；150,mg/L、0.2,mg/L。

2.6 实验分析法

对5组对比实验的30个水样的总磷和SS进行检测。总磷测定采用国标紫外分光光度计法，SS测定采用国标衡重法。

3 结果与讨论

3.1 检测数据(见表2～6)

表2 聚合氯化铝不同投加量的混凝实验数值Tab.2 Flocculation experiment values under different dosing of PAC

表3 三氯化铁不同投加量的混凝实验数值Tab.3 Flocculation experiment values under different dosing of ferric trichloride

表4 聚合氯化铝和三氯化铁联合投加的混凝实验数值Tab.4 Flocculation experiment values under joint dosing of PAC and ferric trichloride

表5 聚合氯化铝和 PAM阳离子联合投加的混凝实验数值Tab.5 Flocculation experiment values under joint dosing of PAC and PAM cation

表6 聚合氯化铝和 PAM阴离子联合投加的混凝实验数值Tab.6 Flocculation experiment values under joint dosing of PAC and PAM anion

3.2 数据分析

通过 5组数据可以证明，混凝药剂投加量与总磷、SS去除率均成正比，药剂投加量越大去除率越高，但随着药剂量的进一步加大，水体中总磷、SS去除率逐渐趋近于恒定。

实验1与实验2、3进行对比：使用相同的原水，投加量等条件都相同，聚合氯化铝对总磷和 SS的去除率大于三氯化铁。

实验1与实验4、5进行对比：使用相同的原水，投加量等条件都相同，聚合氯化铝与 PAM阳离子联合投加对总磷和SS的去除率大于其他联合投加方法。

实验4的6个水样纵向对比：PAM阳离子投加量固定为 0.2,mg/L，增加聚合氯化铝的投加量，总磷与SS的去除率增加并不明显。

3.3 实验中注意事项

水样：取样时应该按地表水采样标准进行采样，且水样应注意保存，必要时可以密封，保存时间不超过24,h。

药品的配制：PAM较难溶于水中，在溶解时应该缓慢且少量加入水中不断搅拌，水温控制在 60,℃为最佳溶解温度。

药品的投加：为防止在药品投加时药品部分残留在加样器上的情况，每次投加完药品后应用少量蒸馏水对加样器进行冲洗。

4 实验结论

4.1 实验结果

由总磷与 SS变化情况可以看出：①针对该污水厂进水的特异性，使用聚合氯化铝作为絮凝剂比使用三氯化铁的效果好。②使用 PAM阳离子作为助凝剂比使用 PAM 阴离子的效果好。③对于该污水厂原水，在投加量、水温、PH值均相同的条件下，使用聚合氯化铝作为絮凝剂与PAM阳离子作为助凝剂按一定比例混合投加对原水的总磷、SS去除效果最好。④在聚合氯化铝投加量为30,mg/L时，水体中的絮凝反应已达到平衡，考虑成本因素，此时已达到最佳投加量。⑤由于在聚合氯化铝投加量为30,mg/L时达到最佳效果，本次实验没有对相同条件下小于聚合氯化铝投加量30,mg/L进行实验，所以还需继续试验进行探究，力求在保证出厂水水质的条件下节能环保，降低成本。■

［1］ 张瑜，黄曦涛. 校园生活污水分质处理及循环利用的管理对策[J]. 安徽农业科学，2009，37(23)：11273-11275.

［2］ 郑先俊. 高校校园污水生物接触氧化处理与回用的试验研究[D]. 西安：长安大学，2007.

［3］ 熊仁军. 城市污水磁种絮凝-高梯度磁分离净化工艺及其理论机理研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2004.

［4］ 徐超. 磁絮凝剂的制备及絮凝性能研究[D]. 镇江：江苏大学，2009.

［5］ 黄自力. 无机离子废水深度处理的工艺与溶液化学研究[D]. 长沙：中南大学，2004.

［6］ 胡文茜，吴纯德，傅妍芳，等. 混凝复配剂的制备及其污水处理效果[J]. 生态科学，2005，24(2)：140-142.

Application of Composite Flocculants in Water Treatment

YU Yiqun，XUE Peng，ZHAO Chao，HE Yuhan
(TEDA New Water Source Technology Development Co.，Ltd.，Tianjin 300450，China)

PAM cation and anion，ferric chloride and aluminum chloride are commonly used water treatment chemicals．Poly acrylamide，abbreviated as PAM，is a common coagulant in water treatment，while ferric chloride and aluminum chloride are common flocculants．Other polymeric flocculants include aluminum sulfate，ferric sulfate and etc．The selection of drugs for the experiment took into account of 3 factors，including cost of drug，observed effect and water quality．It is found that the joint dosing of PAC and PAM cation has advantages of low cost and good sewage treatment effect．Therefore，PAC was used as a flocculant to coordinate with PAM cation to understand the optimum removal of TP and SS and determine the most appropriate ratio.

water treatment；coagulation；TP；SS

TV123

A

：1006-8945(2016)07-0088-04

2016-06-06