聚丙烯酰胺在常规处理工艺净水厂中的应用

李建勤，李祥林，李峥嵘

(芜湖华衍水务有限公司，安徽 芜湖 241000)

0 引言

随着社会经济的高速发展，人民生活品质越来越高，随着原水水质污染的加剧与饮用水水质指标日益提高，净水厂常规水处理工艺不能满足人民日益增长的生活品质追求。净水厂工艺技术的升级或改造对于提高水质具有显著效果，但需要大量的资金和时间投入，高昂的经济负担对于供水体量较小的水厂来说是无力承担的，因此如何实现经济又高效的技术提升满足水厂运行是一个重要且可行的课题，强化混凝是对现有工艺技术潜力发掘的可实施技术改造，也是目前最高效便捷的技术手段之一。通过投加合适且适量的混凝剂或混凝剂与助凝剂配合使用以加强混凝与絮凝效果，达到常规处理工艺在絮凝平流沉淀池阶段尽可能多地去除水中的杂质和有机物[1]。

芜湖某水厂采用的是混凝—沉淀—过滤—消毒的常规净水处理工艺，设计处理水量为150 000 m3/d，原水取自长江芜湖段，长江水质长期稳定在Ⅱ类水质，水厂工艺运行稳定。受供水区域变化影响，2022 年开始每日供水量增加到15 万～19 万m3之间，高负荷供水直接缩短混凝剂与水接触时间，原水与混凝剂无法充分反应，导致混凝剂的絮凝能力降低，形成的“矾花”细小，结构松散，形成的速度较为缓慢，因“矾花”自身重力小导致下沉速度慢，混凝效果大大降低，大量的细小“矾花”聚集在集水槽处出现跑“矾花”现象，导致沉淀池出水浊度增加。V 型滤池因沉淀池出水浊度增加大大增加运行负荷，缩短了气-水反冲洗周期，水厂自用水率也有所提升，出厂水浊度也有所提高[2]。为了强化混合絮凝沉淀效果，提高常规净水处理工艺处理能力，提升出厂水水质品质，芜湖某水厂采用阴离子型聚丙烯酰胺助凝剂与聚合氯化铝混合使用，取得良好效果。

1 试验仪器和方法

1.1 主要试验仪器

仪器：分析天平(PA1004)；混凝试验搅拌机(ZR4-6)；台式浊度仪(HACH 2100N)；助凝剂加注设备(普罗名特流体控制(大连)有限公司)。

试验：氧化铝含量10%的混凝剂聚合氯化铝(PAC)，助凝剂聚丙烯酰胺(PAM)：包括阳离子型、中离子型、阴离子型；氢氧化钠(分析级)。

1.2 实验方法

1.2.1 实验室试验

实验员根据《水处理工程理论与应用》和《给水处理》推介使用的混凝搅拌实验方法[3]，模拟净水厂处理工艺的混合絮凝沉淀阶段，第一阶段为快速混合阶段，实现混凝剂与原水充分混合反应，聚合氯化铝在电性中和的作用下，带负电荷的胶体电位降至临界点产生聚结形成细密的小“矾花”，设定搅拌器转速为150 r/min，设置时间为3 min；第二阶段为絮凝反应段，此阶段细密的“矾花”在高分子吸附架桥和网捕的作用下形成颗粒较大的“矾花”，设定搅拌器转速为50 r/min，设置时间为5 min,观察并记录“矾花”形成情况；第三阶段为沉淀阶段，较大颗粒的矾花在自身重力的作用下沉降至沉淀池的底部，实现杂质、有机物的去除，设定搅拌器转速为0 r/min，设置时间为15 min。当净水厂常规处理工艺无法满足出厂水水质要求时，实验室模拟水厂下运行情况进行混凝剂最佳投加量实验，得出最佳加药量，但混凝剂最佳投加量无法满足此时水厂生产水质要求时，再进行助凝剂与混凝剂配合使用混凝沉降试验，最后将助凝剂混凝搅拌试验最佳结果运用到净水厂实际生产中。

1.2.2 生产性试验研究

将实验结果运用到设计处理水量为150 000 m3/d的芜湖某水厂。

2 实验室试验结果和分析

2.1 聚丙烯酰胺的选型

聚丙烯酰胺根据离子类型分为阴离子、阳离子和非离子型。阳离子型因含有微量毒性一般运用在污水处理等工艺中，净水厂采用的助凝剂聚丙烯酰胺为安全等级较高的非离子型或阴离子型。

通过小样烧杯试验分析，由表1 可知阴离子聚丙烯酰胺助凝效果更好，这是因为阴离子分子链中含有一定数量的极性基团，极性集团可以吸附水中悬浮的带电固体粒子，在电中和的作用下带电固体形成不带电的不稳定结构，在吸附架桥或网捕的作用下粒子凝聚形成大的絮凝物，明显增加“矾花”的粒径及重量，加速沉降速度达到加速澄清效果。

表1 不同类型聚丙烯酰胺浊度去除试验

2.2 最佳加注点试验

聚丙烯酰胺作为长链大分子需要外力作用下才能展开分子链，作为助凝剂主要依靠长分子链吸附架桥作用实现强化絮凝效果。如图1 所示，投加适量聚合氯化铝后，其水解产物与原水带电胶体产生絮凝效果，形成一定数量一定粒径的微小“矾花”后，此时投加聚丙烯酰胺，在搅拌器的作用下，长链大分子均匀分散在水中，增强吸附架桥效果，使得小“矾花”快速聚集成大颗粒絮凝体。通过混凝搅拌小样试验分析可知，投加聚合氯化铝后120 s 投加聚丙烯酰胺效果较好，即折板絮凝池的第一絮凝段和第二絮凝段交界处。

图1 不同类型聚丙烯酰胺加注点试验

2.3 聚丙烯酰胺最佳投加量

选用聚合氯化铝投加量为24.50 kg/kt，按不同阴离子型聚丙烯酰胺投加量在2.2 实验的最佳投加点投加，按照1.2.1 实验方法重复实验从而确定聚丙烯酰胺最佳投加量范围(如图2 所示)。

图2 聚丙烯酰胺投加量

由实验结果可知，当聚丙烯酰胺投加量过少时，长链分子吸附架桥效果有限，“矾花”数量无明显增多，粒径也无明显增大，导致浊度无显著降低；聚丙烯酰胺投加量过大时，“矾花”快速形成大颗粒絮凝体快速沉降至底部，缺少“矾花”在下降过程中的相互作用，使得“矾花”大小不一，小“矾花”悬浮在上清液中，导致浊度上升，同时过量的聚丙烯酰胺分子将微絮体包裹在里面，使不稳定的絮体重新带电稳定，失去成长的机会，浊度反而出现上扬。由图2 可知聚丙烯酰胺最佳投加量范围为0.04～0.12 mg/L。

3 聚丙烯酰胺碱化

聚丙烯酰胺直接投入水中溶解形成块状无法溶解，在溶解过程中加入一定比例的氢氧化钠可以加速溶解，溶解后需静置8 h 使其充分碱化，充分碱化后卷曲的聚丙烯酰胺高分子链充分展开，展开后的分子链与水充分混匀，大大增强吸附架桥效果，充分发挥聚丙烯酰胺的助凝效果[4]。在实际生产应用中，需要现配现用聚丙烯酰胺，一般采用碱化比为1.0∶0.2，即溶解1 g 聚丙烯酰胺的同时加入0.2 g 氢氧化钠固体。

4 净水厂生产性应用研究

在混凝搅拌实验结果的基础上进行实际生产性试验，芜湖某水厂有可独立的两组沉淀池和V 型滤池，水厂利用原有的助凝剂投加设备溶解聚丙烯酰胺，按照1.0∶0.2 的比例加入氢氧化钠促进碱化，碱化温度为55 ℃，配置好的0.1% 的备用溶液在耐腐蚀泵加压下，通过不锈钢管道输送至折板絮凝池第一、第二阶段交界处，投加量根据原水流量及浊度调整，原水在不同浊度下聚丙烯酰胺的最佳投加量(如图3 所示)。

图3 聚丙烯酰胺的投加量与原水浊度关系折线图

在取水流量为173 000 m3/d 时，东沉淀池按照图3 投加聚丙烯酰胺，西沉淀池不投加助凝剂，比较两组沉淀池出水浊度及“矾花”沉降区长度，结果如表2所示，可知沉淀池出水浊度降低了40%左右，“矾花”沉降区缩短了8 m 左右，助凝效果明显，同期同侧1-5号V 型滤池滤后水浊度达到0.1 NTU 以下。两组滤池滤后水浊度对比如图4 所示。

图4 两组滤池滤后水浊度对比图

表2 沉淀池出水浊度和“矾花”沉降区统计表

5 聚丙烯酰胺应用净水处理的安全性验证

聚丙烯酰胺作为净水厂常用的混凝助凝剂，本身是无毒的，水解后的聚丙烯酰胺单体毒性一直是我们非常高度关注的问题。根据国内外动物毒理大量实验表明，PAM 高分子絮凝剂属于无致癌、无致畸、无致突变的“三无”产品。由小白鼠和大白鼠急性灌胃给药实验可知，聚丙烯酰胺剂量高达7.5 g/kg 时白鼠未出现死亡现象，也未出现任何中毒症状[5]。

根据新版GB 5749—2022 《生活饮用水卫生标准》规定：饮用水中丙烯酰胺单体残留量限值为0.000 5 mg/L，对前期小样烧杯试验静止水和生产性实验的出厂水样品进行高效液相色谱检测，未检测出丙烯酰胺单体，因而聚丙烯酰胺的使用是安全的。丙烯酰胺单体检测图谱如图5 所示。

图5 丙烯酰胺检测图谱

6 结语

(1)阳离子型聚丙烯酰胺一般不用于饮用水处理，同分子量的阴离子聚丙烯酰胺比非离子型助凝效果好，使用安全性得到验证。

(2)助凝剂聚丙烯酰胺应投加在距聚合氯化铝投加点后120 s 左右的位置距离，聚合氯化铝水解后作用下形成的细碎“矾花”在聚丙烯酰胺的长链分子的吸附架桥作用下形成加大粒径的絮体，絮体在自身重力作用快速沉降。

(3) 助凝剂聚丙烯酰胺的投加量的最佳范围为0.04～0.12 mg/L。在实际应用中，应根据聚合氯化铝的投加量，原水浊度、温度、流量等因素调整PAM 投加量。

(4)在水厂高负荷运行的情况下，投加聚丙烯酰胺具有良好的助凝效果，出厂水水质稳定，浊度可达到0.1 NTU 以下。