微污染窖水处理中混凝剂筛选的实验研究

郭译文 武福平 张国珍

摘要：采用正交试验，对微污染窖水混凝预处理中的药剂及水力条件进行了研究，考察了聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铝（PAS）、聚合硫酸铁（PFS）和聚合氯化铝铁（PAFC）四种混凝剂对微污染窖水中浊度去除率的影响，并比选出最优混凝剂，结合Zeta电位和分形维数考察指标确定了最佳投加量及水力条件，探究了窖水预混凝机理。结果表明：最优混凝剂为PAC;当投加量30mg/L，絮凝转速40r/min，絮凝时间30min时，微污染窖水的预混凝效果最好;实验中絮体凝聚受网捕卷扫作用影响较大。

关键词：微污染窖水;正交实验法;混凝;Zeta电位;分形维数

中图分类号：X703

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）6-0000-04

1引言

中国西北地处中国内陆干旱、半干旱区域，淡水资源短缺，降雨量稀少 ，供水管道覆盖困难。随着甘肃省“雨水集流工程”的实行以及政府的正确引导，集雨水窖在西北村镇广泛推广。但随之而来的水质安全问题牵制着人们的饮水健康和当地工、农业的发展。雨水在集流、贮存过程中易受地面泥沙、杂草、枯落叶、粪便等杂质的污染，造成窖水中浊度、氨氮、有机物含量超标。当地水质长期不达标严重影响了居民的饮用，为此，保证该地区饮用水水质达到要求已迫在眉睫。

在水处理工程中被广泛应用的混凝技术，对后续处理工艺有着直接的影响 。为达到高效利用、经济合理的目的，寻找到适用于当下水质条件的最优混凝剂及其最佳投加量和最佳水力条件是水处理研究中的重要课题。本实验以西北村镇微污染窖水为研究对象，运用可解决多因素对比问题的正交实验法考察聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铝（PAS）、聚合硫酸铁（PFS）和聚合氯化铝铁（PAFC）四种不同混凝剂下的投加量、絮凝阶段的转速与时间，得出每种混凝剂的最佳投量与最佳水力条件，结合药剂经济评价比选出最优混凝剂并通过Zeta电位和分形维数确定各因素的最佳水平值，旨在提升此类微污染窖水的处理效果并为其提供参考，以期为混凝预处理的实际应用提供改进思路和技术支撑。

2材料与方法

2.1实验材料

2.1.1原水水质

实验期间原水采用甘肃省庆阳环县寨柯村某农户典型集雨特征的窖水。西北地区微污染窖水中含有较多的黄土颗粒和泥沙，浊度较高可达到20～40NTU;Zeta电位：-16～-12 mV。

2.1.2试剂配制

PAC（有效成分Al2O3>29%）、PAS（Al203>29%）、PFS（Fe2O3>19%）、PAFC（Al2O3>29%，Fe2O3>4%）分别于110℃恒温干燥箱中干燥2h，配制成浓度1g/L的使用液。

2.2实验方法

2.2.1仪器方法

浊度采用便携式浊度仪HACH2100P（美国哈希公司）测量;Zeta电位采用Zeta电位仪Nano-ZS90（英国马尔文公司）测量;分形维数采用显微图像法测量。

2.2.2混凝实验

采用六联搅拌器（JJ-4A型国华电器有限公司）进行静态烧杯实验。快速搅拌转速和时间恒定为200r/min和2min，沉淀时间恒定为30min。采样点位于液面下2cm处并及时测定相关指标。

2.2.3正交比选实验

选取混凝剂投加量、絮凝阶段的转速以及时间为正交实验的因素，通过查阅文献初步选取各因素的水平值，尽量使其覆盖要考察的范围。以浊度为考察指标，采用L9（34）型正交实验.因素与水平的具体确定情况见表1。

2.2.4单因素分析实验

在正交实验基础上进行，以Zeta电位和分形维数为考察指标对比选出最优混凝剂的投加量和水力条件进行验证和分析，确定出每个因素的最佳水平值。

3结果与分析

3.1正交实验结果与极差分析

通过三次平行实验数据的均值得出四种混凝剂浊度去除率的数据，四组正交实验结果如表2所示，极差分析结果如表3所示。

在PAC正交实验中，各因素对窖水中浊度去除率影响的主次顺序为PAC投加量>絮凝转速>絮凝时间;最佳水平选取为：A3B1C3，即PAC投加量30mg/L，絮凝转速20r/min，絮凝时间30min，去除率可达97.89%。

当PAC投加量为2～16mg/L时K值急剧上升，16～30mg/L时K值增长幅度较缓，PAC投加量的较好范围应在16～30 mg/L之间。通过实验可得，投加量为16mg/L时的最佳去除率96.65%，30mg/L时最佳去除率可达97.89%。表3中絮凝转速由20r/min增至100r/min的过程中K值呈明显下降趋势，且絮凝转速为20r/min时PAC对浊度的去除率平均可達90.500%，而絮凝转速为100r/min时其浊度平均去除率下降至83.573%。因此，在20～100r/min范围内转速越高，PAC对浊度的平均去除率越低。这是由于在混凝过程中，絮凝转速的增加会导致已形成的絮体由于水力梯度过大而发生破碎或者无法形成大而密实的絮体，造成出水浊度的上升。而当絮凝时间为10～20min时K值增长幅度较缓，20～30 min时K值急剧上升，并结合PAC对浊度的平均去除率在20min时为84.770%，而在30min时上升至90.907%，可得到在20--30min范围内絮凝时间越长PAC对浊度的平均去除率越高。分析可知，絮凝时间的增长可以使PAC与窖水中的杂质充分结合，更利于形成大而密实的絮体。

PAS正交实验中，各影响因素主次顺序为PAS投加量>絮凝转速>絮凝时间;各因素中的最佳水平：A2B1C2.即PAS投加量16mg/L，絮凝转速20r/min，絮凝时间20min，去除率可达94.53%。

PAS投加量2～16mg/L时K值呈上升趋势，在16mg/L之后再增加投加量反而会使浊度去除率有明显的下降。由于PAS投加量增加超过一定范围后，窖水中处于脱稳状态的杂质会产生“胶体保护”，改变其电性，从而使得PAS对浊度的去除率不升反降。絮凝转速从20r/min增至60r/min K值缓慢下降趋于稳定，但60r/min增至100r/min的过程中K值呈明显下降趋势，即在20～100r/min范围内絮凝转速越高PAS对浊度的平均去除率越低。当絮凝时间处于10～20min时K值增长幅度较大，20～30min时K值有所下降，即在10～20min范围内絮凝时间越长PAS对浊度的平均去除率越高，在20～30min范围内絮凝时间越长PAS对浊度的平均去除率越低。说明对于PAS，絮凝时间的合理增长可使其与窖水中的杂质充分结合，但絮凝时间过长会导致已形成的絮体破碎造成出水浊度的升高。

PFS正交实验中，各因素影响的主次顺序为絮凝时间> PFS投加量>絮凝转速;最佳水平组合为A3B2C3，即PFS浓度30mg/L，絮凝转速60r/min，絮凝时间30min;实验中浊度去除率都处于90%以下，其中最佳去除率为88.53%。

浊度去除率随投加量的增加以16mg/L为节点呈现先降后增的趋势。当PFS投加量处于2～16mg/L 时，由于脱稳杂质产生的“胶体保护”，改变了电性，使浊度去除率降低;而投加量16～30mg/L时，PFS又和窖水中的杂质形成大量沉淀加强卷扫网捕作用，使去除率再次升高。浊度去除率随絮凝转速的增加以60r/min为节点先极速上升后缓慢降低。即在20～60r/min范围内转速越高PFS对浊度去除率越高。由于混凝过程中，絮凝转速的增加会使PFS与窖水中的杂质充分接触，增加絮体颗粒之间相互碰撞的机会，有利于絮体的形成。浊度去除率随絮凝时间的增加以20min为节点先降后增，即在10～20min范围内絮凝时间越长浊度去除率越低，在20～30min范围内絮凝时间越长浊度去除率越高。由于絮凝时间过短会使得PFS无法与窖水中的杂质充分接触发生反应，形成的絮体颗粒较小，造成出水浊度的升高;但絮凝时间的合理增长可使其与杂质充分吸引相互结合，形成大而密实的絮体。

PAFC正交实验中，各因素影响的主次顺序为PAFC投加量>絮凝时间>絮凝转速;最佳水平组合为A3B1C3，即PAFC投加量30mg/L，絮凝转速20r/min，絮凝时间30min时，去除率为97.12%。浊度去除率PAFC投加量呈现增长趋势，且在16～30mg/L范围内趋于稳定;随絮凝转速的增加呈下降趋势，在60～100r/min范围内，由88.753%降至84.370%;随絮凝时间的增加持续增长。

3.2最优混凝剂及水平值的确定

通过混凝正交试验分析可得，实验的四种混凝剂中，PAC和PAFC对浊度的去除效果较好，去除率均可达到97%以上;PFS所需转速较高且处理效果最差，去除率不足90%。对四种混凝剂各进行五家公司的价格调查，可得PAC均价3200元八，PAS均价3519.6元/t，PFS均价2543.5元/t，PAFC均价3689元/t。结合实验结果与经济分析，选择PAC作为处理微污染窖水实验中的最优混凝剂开展单因素实验。为验证实验的准确性，按照PAC投加量30 mg/L、絮凝转速20r/min及絮凝时间30min的条件分别进行了6次重复实验，实际浊度去除率平均值97.53%与实验值相近，相对误差均小于0.5%。

3.2.1投加量的最佳水平值

Zeta电位反应颗粒之间相互吸引或排斥的程度，其数值的绝对值与溶液中胶态分散体系的稳定性密切相关。数值越大，说明絮体粒径越小，体系越稳定，絮凝效果越差;反之，数值越接近0，絮凝效果越好。分形维数反应絮体的密实程度，其数值与絮体的形态密切相关。数值一般在0～2的范围内，数值越接近2，说明形成的絮体越密实、越粗大，其沉降性能越好。

如图1所示，当PAC投加量为30mg/L时，Zeta电位值更接近0，此时静电斥力小，絮体更容易聚集凝结;分形维数值更接近2，说明其絮体较为密实。随着PAC投加量的增加，Zeta电位值趋于0。这是由于PAC水解的高电荷多核络合离子压缩胶粒双电层可以中和微粒上电位离子所带电荷，胶粒之间排斥程度减小，使沉淀效果达到最佳，此时絮凝效果最佳。分形维数随PAC投加量的增加而增加，在30mg/L后达到稳定。PAC投加量的增加使絮体颗粒更密实，沉淀粒子更大，此时絮体凝聚更多的是由网捕卷扫作用产生的。PAC的最佳投加量为30mg/L。

3.2.2水力条件的最佳水平值

PAC预处理微污染窖水的水力条件单因素实验结果如图2、3所示。当絮凝转速为30～40r/min时，Zeta电位值更接近O，这个阶段的静电斥力较小，絮体更容易凝聚。而分形维数值变化趋势显示转速为40r/min时数值更接近于2，30r/min时的絮体较细小。所以，PAC的最佳絮凝转速应为40r/min。图3中Zeta电位与分形维数变化趋势相同，呈现先增后降，在絮凝时间为30min处达到最大，即此时絮体更易凝聚且密实。

在Zeta電位变化折线图中，由原水至混凝后出水.Zeta电位数值始终为负数，即电性中和并不是微污染窖水于混凝实验的主要原因。而分形维数随絮凝阶段转速或时间的增加而先后减。窖水中含有大量黄土和泥沙，其胶体上带有负电荷，可以吸附PAC中的活性基团，逐渐形成桥连，絮体增大，使PAC与絮体间达到平衡;但絮凝阶段转速过高，时间过长，会时絮体破碎且无法形成大而密实的絮体，从而打破之前的平衡，使分形维数数值下降。

PAC的最佳水力条件为：絮凝转速40r/min，絮凝时间30min。

4结论

（1）正交实验结果表明，PAC和PAFC对浊度的去除效果最佳，均可达到97%以上;PAS次之;PFS最差。但综合去除效果、水力条件以及经济分析考虑，选取PAC为实验的最优混凝剂。

（2）当PAC投加量为30mg/L ，絮凝转速为40r/min，絮凝时间为30min时，微污染窖水的预混凝效果最好。

（3）微污染窖水的预混凝实验中絮体凝聚受网捕卷扫作用影响较大，受电性中和影响较小。