净水混凝剂比选优化试验研究

2021-01-06陈卓然张怡然

供水技术 2020年5期

陈卓然，张怡然，赵宇

(1.天津科技大学海洋与环境学院，天津300457；2.天津泰达水业有限公司，天津300457；3.天津泰达津联自来水有限公司，天津300457)

水处理过程中的混凝效果决定了后续工艺的持续运行、出水水质和水厂的运行成本[1]。若混凝效果不佳，沉淀池出水浊度较高，容易阻塞滤池，增加后续过滤单元的处理难度，进而影响水厂的稳定运行[2]。目前水厂普遍使用的净水药剂多为无机混凝剂，但使用铝盐混凝剂可能使滤后水残余铝离子增加，导致饮用水安全问题，铁盐混凝剂则存在腐蚀性强和出水色度偏高的问题[3]，选择合适、高效的混凝剂对保证水厂出水稳定达标至关重要。笔者通过开展混凝小试，进行净水混凝剂的比选优化，以期为水厂实际生产和工艺优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 原水水质

试验所在水厂采用“原水—预臭氧化—混凝—脉冲澄清—过滤—消毒”工艺[4]。试验用水为水厂预氧化出水，与实际生产中的混凝用水保持一致，其水质见表1。

表1 试验用水水质Tab.1 Quality of experiment water

1.2 试验方法

所有混凝小试均在六联搅拌机上进行，模拟水厂实际生产过程设置搅拌程序，具体设定参数和操作条件如表2所示。

表2 混凝小试搅拌程序Tab.2 Program set for the bench-scale coagulation experiment

试验中所采用的混凝剂包括三氯化铁(FeCl3)、聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)和聚合氯化铝铁(PAFC)，取样检测分析混凝沉淀后上清液。水厂目前采用FeCl3和PAC复合投加的方式，试验中投药量和不同药剂复合投加比例的设计，充分考虑了水厂实际生产工艺和出水水质要求，且为了防止水样变化和药剂变质，在取样后尽快开展混凝小试。

1.3 分析项目与方法

浊度：分光光度法，HACH 2100N 型浊度仪；pH：玻璃电极法，Mettler Toledo 320 型 pH 计；温度：JM222L型便携式数字温度计。

2 结果与分析

2.1 FeCl3和PFS复合PAC的混凝效果

试验原水的温度为16.0～16.4 ℃、pH值为8.81～8.97、浊度为10.7～12.3 NTU，进行重复试验。单独投加FeCl3和PFS，投加量分别为35或40 mg/L均可使出水浊度明显降低，混凝絮体沉降情况相似，但FeCl3的混凝效果优于PFS，浊度去除率约为95%，矾花形成和沉降的速度更快。

对比可知，在总投药量相同的条件下，复合投加15 mg/L FeCl3+20 mg/L PAC即可实现更好的混凝效果，20 min后余浊小于0.5 NTU。复合投加PFS和PAC可强化单独投加PFS的混凝效果，使出水浊度由2.7 NTU左右降低至约0.5 NTU，如表3所示。

表3 单独投加FeCl3和PFS以及复合PAC的混凝结果Tab.3 Coagulation results of dosing FeCl3 and PFS alone and combined with PAC

进一步调整PFS投加量复合PAC进行混凝试验，结果如图1所示。浊度去除率随着投药量的增大而升高，但需要加量投加2种药剂且总投药量为65 mg/L时才能达到与水厂现用药剂(15 mg/L FeCl3+20 mg/L PAC)接近的出水浊度。增大PFS投加量对进一步提高浊度去除率的效果不明显，且在工艺段大量投加药剂也会增大后续水处理难度，不符合生产的实际要求和经济原则。

2.2 PAFC的混凝效果

PAFC是通过铝盐和铁盐复合共聚形成新型结构的无机复合型高分子絮凝剂，集合了铝盐和铁盐的优点，依据协同增效原理，能改善混凝性能[5]。试验期间处于低温低浊期，原水浊度为1.97～2.83 NTU，温度为3.2～4.1 ℃，pH值为8.35～8.41，水质情况较好。PAFC在混凝小试过程中形成的矾花体积较大，沉降速度较快。

图1 PFS和PAC复合投加对浊度的去除效果Fig.1 Removal effect of turbidity by combined dosing PFS and PAC

由图2可以看出，当PAFC投加量分别为20，30，40和50 mg/L时，对浊度的去除率随着投加量增大先上升后下降，在40 mg/L时达到最大去除率72%。复合投加10 mg/L FeCl3+20 mg/L PAFC时，浊度去除率达到74%，优于单独使用PAFC，并且降低了总投药量。

同时，在试验原水中加入15 mg/L FeCl3+15 mg/L PAC进行对照试验，结果表明同等水力条件下，总投药量30 mg/L即可达到82%的浊度去除率，综合考虑去除效果和投药量认为PAFC并不适合水厂使用。

图2 PAFC对浊度的去除效果Fig.2 Removal effect of turbidity by PAFC

2.3 不同厂家FeCl3和PAC的比选优化

2.3.1 PAC对比试验结果

水厂目前正在使用的2种铝系混凝剂记为PAC1(Al2O3%11.5，盐基度75.7%)、PAC2(Al2O3%11.5，盐基度75.2%)，新药剂(不同厂家生产)记为PAC3(Al2O3% 10.5，盐基度70.5%)。模拟生产复合投加水厂现用FeCl3进行试验，结果如表4所示。

表4 现用/新PAC药剂混凝效果对比试验Tab.4 Comparison test results of coagulation effect of existing PAC/new PAC

根据生产现用投加量设计投药比例，原水浊度为10.4 NTU时(试验I)的结果显示，投加等量FeCl3和PAC，PAC3的联合混凝效果略优。投加20 mg/L PAC3复合15 mg/L FeCl3的浊度去除率最好，形成的絮体粗大，沉降速度快。

试验Ⅱ(原水浊度为10.4 NTU)、试验Ⅲ(原水浊度为7.91 NTU)的结果表明，单独投加PAC时，水厂目前使用的药剂略优于新药剂，联合投加10 mg/L FeCl3+20 mg/L PAC以及2种药剂投加量均为15 mg/L时，都可达到96%以上的浊度去除率，表现较好的混凝效果。这说明在现有水质条件下，少量投加PAC和FeCl3也可实现较低的出水浊度，保证供水安全。在实际生产中可以适当减少混凝剂投药量，降低运行成本。

2.3.2 同时使用新FeCl3和新PAC对比试验结果

水厂正在使用的药剂记为PAC现(Al2O3% 10.2，盐基度79.8%)、FeCl3现(Fe3+13.89%，Fe2+0.08%)，新厂家药剂记为PAC新(Al2O3%11.1，盐基度61.5%)、FeCl3新(Fe3+14.11%，Fe2+0.01%)，试验结果如表5所示。

表5 现用/新FeCl3和PAC药剂的混凝效果Tab.5 Coagulation effect of dosing current/new FeCl3 and PAC

试验Ⅰ(原水浊度为8.12 NTU)使用20 mg/L FeCl3现+15 mg/L PAC现，达到最佳浊度去除率。单独改变PAC药剂时，联合混凝形成的絮体最大，沉降速度最快，浊度去除率为95.7%。进一步验证FeCl3和PAC新药剂的混凝效果可知，原水浊度为8.51 NTU(试验Ⅱ)时，联合投加2种新药剂的混凝效果整体良好，浊度去除率均可达95%，总投药量为25 mg/L时的出水浊度在0.42 NTU，投药量增加至40 mg/L可进一步降低出水浊度至0.25 NTU。

单独投加2种药剂时，PAC的除浊效果优于FeCl3，试验III中尝试投加少量FeCl3和较多PAC药剂，发现原水浊度为7.90 NTU时，在总投药量相同条件下，较多量PAC可使浊度进一步降低，去除率达97%，联合投加采用铝多铁少的方式混凝效果更佳。

此外，尝试投加5 mg/L FeCl3+10 mg/LPAC 时出水浊度为0.70 NTU，投加10 mg/L FeCl3+10 mg/L PAC时出水浊度为0.46 NTU，也可满足水厂出水指标要求。实际生产中可以考虑降低混凝剂投加量，2种新药剂的混凝效果优良，可以作为水厂备选混凝剂使用。