聚硅酸硫酸铝处理低温低浊水分析

王帅

摘  要：文章阐释了低温低浊水对于混凝效果的影响与聚硅酸硫酸铝的制备方法，围绕SIO2质量分数、硅酸活化pH值、硅酸活化时间、Al/Si摩尔比等层面，试分析不同制备条件对聚硅酸硫酸铝混凝效果的影响，并依托实验比较得出不同絮凝剂对于低温低浊废水的处理性能，证实聚硅酸硫酸铝具备良好的混凝效果。

关键词：絮凝剂;低温低浊水;混凝效果

中图分类号：TU528.042 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）04-0108-02

Abstract： This paper explains the influence of low temperature and low turbidity water on coagulation effect and the preparation method of polysilicate aluminum sulfate. Around the aspects of SIO2 mass fraction， silicic acid activation pH value， silicic acid activation time， Al/Si molar ratio， etc.， try to analyze the effects of different preparation conditions on the coagulation effect of polysilicate aluminum sulfate， and compare the treatment performance of different flocculants for low temperature and low turbidity wastewater based on experiments. It is proved that polysilicate aluminum sulfate has good coagulation effect.

Keywords： flocculant; low temperature and low turbidity water; coagulation effect

引言

低溫低浊水是指温度和浊度较低、不利于混凝沉淀的原水，北方地区将低温低浊水界定为温度处于0-4℃范围内、浊度为10-30NTU的水。以往水厂主要选用铝盐改善出水水质，然而在低温条件下铝盐难以实现充分水解，且投入量的增大也将导致出水中铝含量提升，因此对于给水处理工艺提出了更高的要求。

1 低温低浊水对于混凝效果的影响分析

1.1 低温影响条件

在低温条件下采用常规工艺进行给水处理，易因絮凝剂水解不充分导致混凝效果下降、投入量增大，致使出水中铝含量大幅提升，影响到用水质量与安全。其作用机理主要体现在以下三方面：其一是低温条件下液体的粘滞系数增大，将机械搅拌技术应用于水的混凝处理时需要更高的水功率，导致混凝难度大幅提升;其二是低温条件下使得微生物对于水中有机物的分解速率减缓，导致水体混凝后生成的絮体中有机物质含量较高，这类有机成分的密度较小，难以实现有效沉降;其三是低温将破坏絮凝剂中金属氢氧化物的动力学平衡，导致金属混凝剂的水解效果难以实现充分发挥。

1.2 低浊度影响条件

浊度与水体中颗粒物数目存在关联，在低浊度条件下对于混凝效果的影响主要体现在以下三个方面：其一是水中胶体颗粒的含量较低、难以实现有效凝聚，由此影响到絮体形成效果，倘若采用机械搅拌技术或增加水力的方式，易导致现已形成的低强度絮体再次离散;其二是低浊度水的固相浓度、分散相面积较小，将生成易溶解产物，加之缺乏大量高聚物形成的有效空间网格交链的键，导致产物强度较低、易被破坏;其三是水体中的杂质、微生物呈细胶体分散体系溶于水，胶体微粒大小均匀、带负电颗粒较少，动力学稳定性与凝聚系统稳定性均较强，而混凝剂需在电中和状态下方可发挥良好的混凝效果，因此导致形成的絮体多为细小矾花，沉淀效果较差[1]。

2 聚硅酸硫酸铝的制备及其在处理低温低浊水中的具体应用探讨

2.1 聚硅酸硫酸铝的制备

2.1.1 制备方法

选取硫酸铝、铝酸钠、含有SiO2的水玻璃等作为主要试剂，实验仪器包含S212系列恒速搅拌器、501型超级恒温器、ZK-82A电热真空干燥箱、ST2-B24型浊度仪、PHS-3C型pH计等。将硫酸铝、铝酸钠、水玻璃溶液稀释至一定浓度数值，将铝酸钠溶液与水玻璃溶液进行混合、均匀搅拌，随后选取一定量碳酸钠粉末加入到混合液中进行高速搅拌，在10-20℃温度条件下将混合液缓慢滴入硫酸铝溶液中，待高速搅拌30min、胶体呈均匀分散状态后，令混合液在60-80℃温度下充分反应1h左右，并将其进行静置处理，获取到澄清透明的聚硅酸硫酸铝溶液。

2.1.2 水质测定

称量1000mL浊度为18-20NTU的低温低浊水，将配制好的絮凝剂加入到低温低浊水中开展容器搅拌实验，先以200r/min的转速将其搅拌60s，再以60r/min的转速搅拌10min，随后将加入絮凝剂的低温低浊水静置10min，取其上清液进行pH值、浊度、色度、COD含量、SS含量测试。其一是pH值测定，采用PHS-3C型pH计作为实验设备，将pH计预热30min，分别选取pH值为6.86、9.18的标准缓冲溶液进行定位、斜率校准，经由校准后即可利用该pH计进行水体pH值的测定;其二是浊度测定，量取搅拌后的10mL低温低浊水注入浊度仪中，取两次测试的均值作为原始浊度，随后量取经由絮凝实验后得到的上清液进行浊度测试，依照（1-絮凝后水体浊度/絮凝前水体浊度）×100%的方法完成除浊率的计算;其三是色度测定，分别选用稀释倍数法、吸光光度法进行低温低浊水原始色度与脱色率的测定，其中脱色率的计算方法为（1-处理后水体吸光度/处理前水体吸光度）×100%;其四是COD含量测定，主要选取快速开管法进行COD含量计算;其五是SS含量测定，采用重量法测定水体中的固体悬浮物含量，其计算方法为（悬浮物重量×106）/水样体积[2]。

2.2 制备条件对聚硅酸硫酸铝混凝效果的影响

选取聚硅酸硫酸铝的除浊率作为衡量指标，综合判断SiO2质量分数、硅酸活化pH值、硅酸活化时间、Al/Si摩尔比等条件对于该絮凝剂混凝效果的影响，从中得出制备聚硅酸硫酸铝的最优工艺条件，实现对低温低浊水的有效处理。

2.2.1 SiO2质量分数

选取SiO2质量分数分别为1%、3%、5%、7%、9%的聚硅酸硫酸铝进行絮凝实验，将絮凝剂投入量设为10mg/L，用于判断SiO2质量分数与除浊率之间的变化关系。通过观察实验结果可以发现，当SiO2质量分数不断增大时，除浊率呈先增大、后减小的特点，并且在质量分数为7%时达到最佳除浊效果，除浊率为40.76%。

2.2.2 硅酸活化pH值

选用20%硫酸进行聚硅酸硫酸铝pH值的调节，分别采用pH值为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0的絮凝剂开展絮凝实验，聚硅酸硫酸铝投入量为10mg/L。通过观察实验结果可以发现，伴随絮凝剂pH值的逐渐增大，除浊率呈先增大、后减小的变化规律，在pH值为3.5时达到最佳混凝效果，除浊率超过45%。

2.2.3 硅酸活化时间

将聚硅酸硫酸铝稀释至浓度为3%后，选用20%硫酸将其pH值调节为3.0，随后分别以30min、45min、55min、60min、80min、120min的时间进行活化，再熟化30min，开展絮凝实验。通过观察实验结果可以发现，在硅酸活化时间不断增长时，除浊率呈先增大、后减小的趋势，在硅酸活化时间处于60-80min范围内时达到最佳除浊效果，且活化时间越长、除浊效果越差，因此选取60min设为硅酸最佳活化时间。

2.2.4 Al/Si摩尔比

选取浓度为3%、pH值为3.0的聚硅酸硫酸铝溶液，分别依照1：3、1：2、1：1、1.5：1、2：1、3：1、5：1的Al/Si摩尔比进行絮凝实验。通过观察实验结果可以发现，伴随Al/Si摩尔比的增大，除浊率也随之而增大，但在增至一定程度后其变化趋于平缓。在考虑到采用絮凝剂处理低温低浊水需控制水体中铝含量的情况下，选取3：1作为最佳Al/Si摩尔比，其除浊率可达58.67%。

2.2.5 其他条件

一方面，在采用聚硅酸硫酸铝进行水体处理时涉及到熟化反应，因此需考量熟化时间对其絮凝效果的影响，分别选取30min、1h、2h、4h、8h作为熟化时间，通过观察其实验结果可以发现，伴随熟化时间的推移，聚硅酸硫酸铝的除浊率呈先增大、后逐渐趋于平缓的特点，在熟化时间超过1h后除浊率趋于平稳，因此选取1h设定为最佳熟化时间。另一方面，絮凝剂投入量也将对水体混凝效果产生影响，选取SIO2质量分数为7%、pH值为3.5、Al/Si摩尔比为3：1的聚硅酸硫酸铝溶液进行低温低浊水的混凝处理，通过观察其实验结果可以发现，伴随絮凝剂投入量的增加，除浊率呈先增大、后趋于平缓的特点，在絮凝剂投入量介于3-7mg/L之间时其除浊率呈急剧增加的趋势，在投入量继续增加后其除浊率开始下降，因此应将最佳投入量设为15mg/L，其除浊率可达94.37%。

2.3 聚硅酸硫酸铝对于低温低浊废水处理性能的比较

选取某浊度为30NTU、pH值为5.4、水温为2℃的低温低浊水作为测试对象，在废水中分别投入100mg/L硫酸铝、100mg/L聚合硫酸铝、15mg/L聚硅酸硫酸铝，针对三种絮凝剂的混凝效果进行对比分析。其中硫酸铝的除浊率为76.91%，脱色率为59.02%，pH值为4.0，生成的絮体细小、未实现完全沉降;聚合硫酸铝的除浊率为89.12%，脱色率为70.23%，pH值为4.4，生成的絮体较小、沉降速度较慢;聚硅酸硫酸铝的除浊率为95.64%，脱色率为78.62%，pH值为4.42，生成的絮体较大、沉降速度较快。

通过观察三种絮凝剂对于低温低浊水的处理效果可以发现，聚硅酸硫酸铝的除浊率达到95.64%，具备最佳除浊效果;而硫酸铝、聚合硫酸铝的除浊率均为76.91%和89.12%，其主要原因为废水的pH值为5.4，两种絮凝剂的絮凝效果受水溶液pH值的影响较大，在pH值小于5.7的水体中主要呈带正电荷的多羟基配合物形式，伴随pH值的增加逐渐转变为带负电荷的无定形氢氧化铝胶体。在色度去除率方面，混凝机理将一定程度上影响到絮凝剂的脱色率，聚硅酸硫酸铝由于含有Si，其分子链增长、分子量变高，相应使其吸附架桥能力显著增强，由此使其获得良好的脱色效果[3]。总体来看，采用聚硅酸硫酸铝进行低温低浊水处理后，可有效减轻水体的浊度、色度，且生成的絮体较大、沉降速度较快，可收获良好的混凝效果。鉴于在聚硅酸类絮凝剂实际生产与应用过程中，批量化生产的可行性、产品质量的稳定性等因素均将影响到絮凝剂的使用效果，因此还需进一步加强对絮凝剂作用机理的研究，更好地提升絮凝剂的稳定性能。

3 结论

选取聚硅酸硫酸铝作为絮凝剂，具有工艺简单、成本经济、混凝效果好等性能优势，在将其应用于低温低浊水处理时具有良好的除浊脱色效果，但在实际使用时还需结合水质特征进行最佳絮凝条件的把控，合理调节投入量、Al/Si摩尔比，更好地优化水质处理效果，推动高效絮凝剂研制水平的提升。

参考文献：

[1]何中建，古朝建.改性聚合硅酸硫酸铝速凝剂的制备及性能[J].当代化工，2019（5）：965.

[2]罗克洁，潘宇，李锦潼.自制纳米聚硫酸硅酸铁铝及絮凝效果的实验研究[J].黑龙江科技大学学报，2018（3）：276-278.

[3]李立欣，邓丽华，朴庸健，等.复合型微生物絮凝剂与化学絮凝剂复配处理地表水的效果[J].黑龍江科技大学学报，2019（3）：376-381.