PAC和PDM联用对湘江原水藻类去除的生产性试验

汤 婷，郑 恒，黄 庆，赖 涵，李亚城，周耀渝

(1.中南水务科技有限公司，湖南长沙 410000；2.湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙 410128)

近年来，湘江流域富营养化日趋严重，藻类时有暴发，威胁到人们的用水安全[1]。藻类暴发一方面会给水质带来不良影响，如释放藻毒素、嗅味物质、消毒副产物前体物等[2-3]；另一方面，还会影响水厂的正常运行，比如干扰混凝过程，进而堵塞或穿透滤池，增加消毒剂用量等[4-5]。因此，根据湘江水质，探究合理有效的除藻方法成为人们的迫切需求。

针对高藻水，水厂常规的方法为使用氧化剂进行预处理，通过灭活藻细胞达到提高混凝除藻效果的目的[6-7]。然而，这些氧化剂可能会使得藻类细胞破裂，释放藻源有机物，造成二次污染[8-9]。相比于预氧化方法，投加助凝剂强化混凝是一种物理方法，不破坏藻细胞，具有更高的安全性[10]。聚二甲基二烯丙基氯化铵(polydimethyldiallyl ammonium chloride，PDM)是一种新型有机高分子助凝剂，带有强阳离子基团，通过电中和及吸附架桥作用使得水中带负电颗粒失稳絮凝，可直接用于饮用水处理，获得美国食品和药物管理局(FDA)批准[11-12]。

国内已有用无机絮凝剂和PDM联合投加除藻的研究[13-14]，但大多仅开展混凝搅拌试验。考虑到水厂实际情况和混凝搅拌试验的差异性，本研究在混凝搅拌试验的基础上，进一步在水厂开展生产性试验，考察聚合氯化铝(PAC)和PDM联合投加对浑浊度、藻类、OD680(680 nm波长处的吸光值)、UV254、CODMn的去除效果，为高藻期间水厂藻类去除提供参考。

1 材料与方法

1.1 原水水质

试验于2021年8月在湘江水源长沙段某水厂进行，共运行72 h，试验运行期间具体水质相关指标(平均值)如表1所示。

表1 原水水质

1.2 试验药剂

PAC：液体工业品，Al2O3质量分数为10%；PDM：液体工业品，固体质量分数为40%。

1.3 试验方法

1.3.1 混凝搅拌试验方法

混凝搅拌试验均在六联搅拌器(ZR4-6，深圳中润)中进行，每个烧杯装液量为500 mL。步骤如下：(1)90 r/min快速搅拌10 s使水样混合均匀；(2)添加混凝剂后，90 r/min快速搅拌3 min；(3)60 r/min慢速搅拌6 min；(4)40 r/min慢速搅拌6 min；(5)静置30 min。静置结束后在液面以下2 cm处取上清液分析。

1.3.2 生产性试验方法

该水厂工艺流程如图1所示，设计处理规模为20万m3/d，分为Ⅰ期和Ⅱ期，每期处理规模为10万m3/d，主要工艺为折板絮凝+斜管沉淀。Ⅰ期设为对照组，仅投加PAC，Ⅱ期为试验组，采用PAC和PDM联合投加。PAC投加量固定为12 mg/L，试验组PDM的投加量设置3个质量浓度梯度，分别为0.25、0.50、1.00 mg/L，每个浓度梯度运行24 h，共运行72 h。每隔4 h分别取原水、试验组沉淀池出水、对照组沉淀池出水，检测藻类数量、浑浊度、UV254、OD680、CODMn。

图1 水厂工艺流程

1.4 检测及分析方法

藻类数量采用显微镜计数法，浑浊度采用哈希2100Q浊度仪测定，OD680和UV254采用紫外可见分光光度计测定(岛津，UV2600)，CODMn根据《水和废水的生物监测方法》(第四版)相关方法进行检测。

2 结果及分析

2.1 混凝搅拌试验

混凝搅拌试验在六联混凝搅拌器上进行，分别对PAC和PDM的投加量进行了优化，为下一步生产性试验药剂投加量提供参考。

2.1.1 PDM投加量优化

根据水厂的投加经验，针对目前水质情况，PAC投加量暂设定为16 mg/L，PDM设置5个质量浓度梯度，分别为0、0.25、0.50、0.75、1.00 mg/L。比较不同PDM投加量下沉后水浑浊度、絮体大小和沉降时间。

由混凝搅拌试验结果可知(表2和图2)，当PDM投加量为0.25 mg/L时，不足以形成吸附架桥作用，形成的絮体较小。随着PDM投加量增大，沉后水浑浊度和OD680逐渐降低，絮体粒径逐渐变大，但当PDM投加量大于0.50 mg/L时，浑浊度和OD680略有升高，絮体粒径增大不明显。这可能是因为PDM投加过量，产生“胶体保护”作用[15]。因此，PDM的建议投加量为0.50 mg/L。

表2 PDM投加量优化结果(PAC：16 mg/L)

图2 不同PDM投加量下絮体形态

2.1.2 PAC投加量优化

固定PDM投加量为0.50 mg/L，PAC投加量设置质量浓度梯度为0、4、8、12、16、20 mg/L，对PAC投加量进行优化，考察不同PAC投加量下沉后水浑浊度、絮体大小和沉降时间。

结果如表3和图3所示，当PAC投加量为0～4 mg/L时，絮体粒径非常细小，悬浮在溶液中，难以沉降，沉后水浑浊度较大。这主要是因为PAC投加量过低时，其水解带来的正电荷较少，电中和作用不充分，即使添加了足量的PDM，助凝效果仍然不佳。随着PAC投加量增大，沉后水浑浊度和OD680逐渐降低，絮体粒径逐渐增大，沉降速度加快，易形成絮团。当PAC投加量大于12 mg/L时，絮体粒径增大不明显，且浑浊度和OD680也出现逐渐增大的趋势，这可能是因为胶粒表面吸附的正电荷离子过多，电荷变号，有可能发生再稳现象[16]。因此，建议PAC的投加量为12 mg/L。

表3 PAC投加量优化结果(PDM：0.50 mg/L)

图3 不同PAM投加量下絮体形态

以上研究结果表明，针对该水质情况，混凝搅拌试验结果药剂建议投加量为12 mg/L PAC+0.50 mg/L PDM，可以为下一步的生产性试验提供参考。

2.2 生产性试验

本研究主要探讨不同PDM投加量下藻类去除情况，因此，在生产性试验中主要优化PDM投加量，PAC投加量根据混凝搅拌试验和水厂投加经验设置为12 mg/L。根据2.1小节混凝搅拌试验结果，PDM的最佳投加量为0.50 mg/L，生产性试验围绕该值设置0.25、0.50、1.00 mg/L这3个质量浓度梯度，每个浓度梯度运行24 h，共运行72 h,根据1.3.2小节所述方法开展生产性试验。

2.2.1 絮体大小

分别在对照组和试验组反应池末端观察絮体形成情况，结果如图4所示，对照组形成的絮体非常细小，大部分悬浮在水中，沉降效率较低，甚至沉淀池出水中还会有部分悬浮的絮体。试验组投加PDM后，在其助凝作用下形成了较大的絮团，最大的絮体粒径可达到1 cm，沉降速度加快。

图4 反应池絮体形成(12 mg/L PAC+0.50 mg/L PDM)

2.2.2 沉淀池出水

原水经过絮凝反应池后，进入斜管沉淀池沉淀，分别观察试验组和对照组沉淀池出水以及斜管沉淀池斜管蜂窝堵塞情况。结果如图5所示，对照组出水非常浑浊，沉淀效果不佳，絮体容易上浮停留在斜管中，造成斜管蜂窝堵塞，斜管需要每3 d清洗一次。试验组出水水质良好，池水清澈见底，因絮体粒径大、沉淀效果好，大大减缓了斜管蜂窝的堵塞程度，清洗频率可延长至14 d一次。

图5 斜管沉淀池出水(12 mg/L PAC+0.50 mg/L PDM)

2.2.3 藻类去除效果

藻类去除效果如图6所示，原水藻类数量在1.74×105～3.14×105cells/mL，均值为2.11×105cells/mL。对照组沉淀池出水藻类数量较高，均值在4.5×104cell/mL左右，藻类平均去除率为78.67%。试验组中，当PDM投加量为0.25、0.50、1.00 mg/L时，沉淀池出水中藻类数量分别为2.00×104、4.83×103、5.66×103cells/mL，去除率分别为90.52%、97.71%、97.32%。当PDM投加量为0.50 mg/L时，除藻率达到最高，继续提高PDM投加量至1.00 mg/L，除藻率略有降低。当原水藻类数量波动较大时，试验组沉淀池出水藻类的数量始终保持在较为平稳的水平，而对照组波动性较大。由以上结果可知，PAC和PDM联合投加的方式可大幅度提高除藻率，其主要原因可能为：(1)PDM每个结构单元带有一个正电荷，增强了电中和作用，使得带负电的藻类细胞脱稳[17]；(2)PDM为链状高分子，在电中和作用的基础上，可进一步发挥较好的吸附架桥能力，从而更容易将脱稳的藻类细胞絮凝沉淀[18]。

图6 不同PDM投加量下藻类去除效果

因藻类在680 nm处有特征吸收峰，因此，用OD680可间接表征藻类去除效果，结果如图7所示。试验运行期间，原水OD680在0.005 0～0.025 2 cm-1，均值为0.013 6 cm-1。对照组沉淀池出水OD680均值为0.003 2 cm-1，平均去除率为76.47%。试验组中，当PDM投加量为0.25、0.50、1.00 mg/L时，沉淀池出水OD680平均值分别为0.001 7、0.000 3、0.001 8 cm-1，去除率分别达到87.50%、97.79%、86.76%。以上结果表明，随着PDM投加量升高，OD680去除率呈现先升高后降低的趋势，这和藻类数量及去除率的变化趋势保持一致。

图7 不同PDM投加量下OD680变化

2.2.4 浑浊度去除效果

浑浊度通常反映光线通过水体时被悬浮物阻碍的程度，本试验使用的水源中主要悬浮物是藻类，因此，可通过浑浊度的变化来反映藻类数量的变化，浑浊度变化结果如图8所示。原水浑浊度在5.41～13.40 NTU，均值为8.21 NTU。对照组沉淀池出水浑浊度均值在2.02 NTU，且波动较大，最高时可高达4.14 NTU，平均浑浊度去除率为75.40%。试验组中，当PDM投加量为0.25、0.50、1.00 mg/L时，沉淀池出水浑浊度平均值均能达到1.00 NTU以下，分别为0.94、0.69、0.52 NTU，浑浊度去除率分别为88.55%、91.60%、93.67%。试验结果表明，随着PDM投加量升高，沉淀池出水浑浊度逐渐降低，浑浊度去除率逐渐升高。

图8 不同PDM投加量下浑浊度去除效果

2.2.5 UV254和CODMn去除效果

夏季藻类暴发期间，有机污染明显，除了藻类数量和浑浊度外，UV254和CODMn也是反映水体受有机污染程度的重要指标。因此，对试验组和对照组出水UV254和CODMn进行了考察。UV254变化结果如图9所示，原水UV254在0.053 8～0.108 1 cm-1，均值为0.079 2 cm-1。对照组沉淀池出水UV254均值为0.045 5 cm-1，平均去除率为42.55%。试验组投加0.25、0.50、1.00 mg/L PDM，沉淀池出水UV254分别为0.044 7、0.030 3、0.038 6 cm-1，去除率分别为43.56%、61.74%、51.26%。试验结果表明，当PDM投加量较低(0.25 mg/L)时，UV254去除率和对照组相差不大。随着PDM投加量升高，UV254去除率呈现先升高后略微降低的趋势，当PDM投加量为0.50 mg/L时，UV254去除率达到最高。

图9 不同PDM投加量下UV254去除效果

CODMn变化结果如图10所示，原水CODMn质量浓度在2.21～3.08 mg/L，均值为2.55 mg/L。对照组沉淀池出水CODMn平均质量浓度为2.07 mg/L，平均去除率为18.82%。试验组投加0.25、0.50、1.00 mg/L PDM，沉淀池出水CODMn质量浓度分别为1.82、1.58、1.61 mg/L，去除率分别为28.63%、38.04%、36.86%。随着PDM投加量升高，CODMn去除率呈现先升高后略微降低的趋势，当PDM投加量为0.50 mg/L时，CODMn去除率达到最高。由以上结果可知，PAC和PDM联合投加也可以加强对有机物指标UV254、CODMn的去除。

图10 不同PDM投加量下CODMn去除效果

综合以上结果，针对目标水质情况，当PDM投加量为0.50 mg/L时，藻类、OD680、UV254、CODMn去除率均可达到最大值，浑浊度可降低至1.00 NTU以下。相关数据如表4所示，试验组藻类、浑浊度、OD680、UV254、CODMn去除率分别为97.71%、91.60%、97.79%、61.74%、38.04%，相对于对照组分别提高了18.04%、16.20%、21.32%、19.19%、19.22%。

表4 最佳投加量下相关水质指标去除率(12 mg/L PAC+0.50 mg/L PDM)

3 结论

为解决水厂使用PAC对含藻水处理效果不佳的问题，研究PAC和PDM联合投加对藻类的去除效果，得出以下结论。

(1)PAC和PDM联合投加的方式可有效解决高藻期间水厂絮凝效果不佳、斜管堵塞等问题，投加PDM后絮体明显增大，沉降速度加快，沉淀池出水清澈见底，大大减缓了斜管沉淀池蜂窝的堵塞程度，清洗频率可从3 d清洗一次延长至14 d清洗一次。

(2)通过混凝搅拌试验和生产性试验的优化，得到针对试验期间水质的药剂建议投加量为12 mg/L PAC+0.50 mg/L PDM。在此条件下沉淀池出水藻类、浑浊度、OD680、UV254、CODMn去除率分别为97.71%、91.60%、97.79%、61.74%、38.04%，相对于对照组分别提高了18.04%、16.20%、21.32%、19.19%、19.22%。PAC和PDM联合投加的方式对藻类、浑浊度、有机物等去除效果显著，可为高藻期间水厂藻类去除提供参考。