复合混凝剂强化混凝耦合过滤工艺的探索研究

＊周志远 谢燕 Olubunmi M.Olukowi Ismaeel O.Adebayo 张跃军

（南京理工大学化学与化工学院 江苏 210094）

引言

我国饮用水资源主要包括水库、河流、湖泊等地表水和地下水，而微污染水源水是被有机物污染，水质超出《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准要求的自然水体[1]。其并不适合作为饮用水生产的原水。研究表明[2]我国长江、太湖等水域地表水的氨氮、有机磷和化学耗氧量等水质标准会随着季节和气候的影响而产生变化，部分水质指标就在Ⅲ类标准上下浮动。然而，传统混凝、过滤工艺在原水处理应用中，对水体中可溶解的有机物去除效果有所受限。因此，提出了强化混凝等各种强化处理工艺[3-4]。其中使用新型混凝剂是一种最切实可行的和高效低成本的方法，具有操作简便、易于实施等工程应用价值[5-6]。

聚合氯化铝（Poly aluminum Chloride，简称PAC）是常用的无机高分子混凝剂[7]，聚二甲基二烯丙基氯化铵（Polydimethyl dipropylene ammonium chloride，简称PDM）是一种具有特殊功能的水溶性阳离子型高分子聚合物[8]，和其他线性高分子相比，具有正电荷密度高、水溶性好、分子量易于控制、高效无毒[9-11]等特点。稳定型PAC/PDM高分子复合混凝剂，其相比于无机混凝剂不仅在等沉出水时可节省药剂或者等投加量下可显著提高处理效能，而且还能取代预加氯氧化工序等[12]。在此之后，复合混凝剂的强化混凝工艺进入了与过滤工艺耦合处理原水水体中各类污染物的研究时期[13]。但是，在已有的研究中，未见对在我国发达地区水厂的沉出水余浊条件（小于1.5NTU）下进行水质参数去除效能的研究。

鉴于此，本研究选择秋季长江水为对象，选用含PDM特征黏度1.60dL/g、PAC（Al2O3计）与其质量比20:1的PAC/PDM为复合混凝剂，首先，测定其与PAC在投加量-余浊曲线交点位置，并对交点处沉出水进行浊度、CODMn、氨氮、Zeta电位等水质参数的测定，对比无机药剂与复合混凝剂在混凝阶段对原水的处理效能；随后，对交点沉出水进行进一步耦合过滤实验，并对滤后水进行水质参数测定，对比过滤阶段无机药剂与复合混凝剂交点处沉出水的处理效能。最后，进行复合混凝剂强化混凝耦合过滤工艺效能比较，并进行初步的机理分析。

1.实验方法

(1)仪器与试剂

①仪器：散射式浊度仪，QZ201型，苏州青安仪器有限公司；六联程控搅拌器，TA6-Ⅱ型，武汉恒岭有限公司；可见分光光度计，WFZ UV-2000，尤尼柯（上海）仪器有限公司；微电泳仪，JS94J型，上海中晨数字技术设备有限公司。

②药剂：聚合氯化铝（PAC）液体原液，含量以Al2O3计为10.0%；有机阳离子高分子絮凝剂聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDM），选取1.60dL/g特征黏度，实验室自制。

③原水水样：于某年秋季取自南京市某水厂。

(2)混凝耦合过滤条件

①混凝剂准备

A.PAC溶液的配制：按Al2O3计，把液体PAC原液配制成一定质量分数的溶液投加。

B.复合药剂的配制：PAC按Al2O3质量分数计为10.0%，按20:1 PAC:PDM（m:m）质量配比将PDM加入PAC中，获得1.60dL/g/20:1的PAC/PDM复合混凝剂。复合混凝剂配方以下面方法表示：PAC/PDM（PDM特征黏度/PAC:PDM质量比例），其中PDM特征黏度单位为dL/g。

②混凝搅拌条件选择和烧杯实验

A.原水水质分析

实验前对原水进行浊度、CODMn、氨氮、Zeta电位测定。

B.混凝搅拌条件选择

搅拌条件按照文献条件[14]。

C.投加量-余浊曲线测定

在1组（12个混凝烧杯）烧杯中加入1L水样置于六联搅拌仪中，按照上述设定条件，采用PAC和复合混凝剂PAC/PDM，按浓度梯度投加，完成混凝沉淀操作。沉淀后在液面下2cm处取100mL上清液测定其浊度，完成2种药剂的投加量-余浊曲线测试，并对交点处的沉出水进行水质参数分析测定。

③过滤条件的选择与耦合过滤工艺试验

参考文献[15]采用内径为18mm、长度50cm左右的玻璃柱，装填时在下端固定一块玻璃布作为支撑，在玻璃布上，填入粒径0.8mm石英砂，填充高度24cm。

依据投加量-余浊曲线测试，确定等浊等加量点后，分别进行无机药剂和复合药剂强化混凝耦合过滤实验，连续过滤6L水，每过滤1L取100mL水样用于测定浊度、CODMn、氨氮、Zeta电位。

(3)水质等参数测定和处理效果评价方法

①测定方法

浊度测定方法为散射法[16]（福尔马肼标准），CODMn测定方法为酸性高锰酸钾滴定法[17]；氨氮测定方法为纳氏试剂分光光度法[18]；Zeta电位测定方法为显微电泳法[19]。

②评价方法

浊度、CODMn和氨氮水质参数用于评价强化混凝耦合过滤效能，Zeta电位用于进行机理分析。

2.实验结果

(1)交点探索试验

①实验长江水水质。依据1.2.2.1，对长江水从浊度、CODMn、氨氮、Zeta电位进行水质分析作为对照基础，实测结果见表1。

表1 长江水原水水质条件表

②投加量-余浊曲线和等投加量等浊交点。按照1.2.2.3，对无机药剂与复合混凝剂进行投加量-余浊曲线测定，得到图1。由图1确定两者交点，对交点处的水质参数测定，得到表2。

图1 PAC和PAC/PDM等加药量等沉出水余浊交线

表2 交点处沉出水水质参数

由图1和表2可知，当在等投加量为2.8mg/L时，复合药剂与PAC产生交点的浊度为1.20NTU附近；曲线总体趋势为沉出水余浊随投加量的增大而降低，在交点余浊以上，复合混凝剂具有等浊点节省药剂和等投加量下效能更佳的特征，和之前的研究规律相似[12]。PAC/PDM复合药剂在高沉出水浊度下相对于投加PAC效果更明显，如投加量为2.0mg/L时，两者沉出水浊度相差0.52NTU；而其沉出水在1.20NTU附近时浊度达到最低值，所以交点下复合药剂的脱浊效能与PAC的处理效果相差无几，但CODMn、氨氮和NDMA的去除能力仍然优于单独使用无机药剂PAC，相对于后者，水质参数去除率提升分别为2.30%和12.48%。

③耦合过滤工艺试验。按照1.2.3设计，在以上交点处分别对使用复合药剂和无机药剂PAC后的沉出水进一步进行耦合过滤处理，滤后水各项水质参数测定结果如下图2～图5。

由图2可知，虽然交点处取无机药剂沉出水浊度略低，但滤后水的浊度在第1L降低后开始缓慢升高，而复合药剂在过滤6L水过程中，浊度不断下降。6L随后依旧有下降趋势；由图3可以看出，对于使用复合药剂后的沉出水，经过过滤后的CODMn去除效果优于使用无机药剂后的沉出水情况，两种药剂均在过滤4～5L水后，滤柱对CODMn的去除能力达到最大；由图4可知，使用复合药剂后的的沉出水，经过过滤后氨氮去除效果明显优于使用无机药剂后的沉出水情况，氨氮去除率最大相差30.24%。但是，也观察到了无机药剂和复合药剂在过滤3L水之后，氨氮去除率受到了限制；由图5可知，使用复合药剂沉出水的滤后水其Zeta电位值一直高于使用无机药剂的情况。

图2 过滤过程浊度测定结果

图3 过滤过程CODMn测定结果

图4 过滤过程氨氮测定结果

图5 过滤过程Zeta电位测定结果

由表2对交点沉出水和图5滤后水的Zeta测定结果表明，复合混凝凝剂所含阳离子聚合物PDM不仅有强化原水中悬浮胶体颗粒的混凝过程的电中和、压缩双电层作用，来达到强化水质参数去除的效能，而且有强化沉出水中悬浮胶体颗粒在过滤过程中在滤料表面的吸附作用，达到进一步强化水质参数去除的效能。

3.结论

（1）采用含PDM特征黏度1.60dL/g、PAC（Al2O3计）与其质量比20:1的PAC/PDM复合药剂处理南京段长江原水，当投加量为2.8mg/L时，其与PAC的等投加量等沉出水余浊交点在1.20NTU附近；复合混凝剂不仅在达到交叉点前，仍然保持有强化混凝效能优势，而且在交点，其CODMn和氨氮的去除能力仍然优于单独使用无机药剂PAC的情况，相对于后者，水质参数去除率提升分别为2.30%和12.48%。

（2）对交点处沉出水耦合过滤实验，使用复合药剂后的沉出水，在经过过滤后对出水质参数的处理效能仍然均优于使用无机药剂后的过滤效能。相比使用无机药剂PAC，使用PAC/PDM复合混凝剂的强化混凝耦合过滤过程，过滤后浊度、CODMn和氨氮去除率分别提升到99.27%、64.81%和53.57%，应用Zeta电位跟踪测定结果对复合药剂强化混凝耦合过滤的效能提升做了初步机理解释。