常规水处理工艺中聚合氯化铝铁混凝条件的优化

2022-09-12

1 水处理工艺与混凝

(1) 常规给水处理工艺地表水处理的常规工艺为:混凝、沉淀、过滤、消毒, 混凝是关键的先行工序, 它所要处理的对象, 主要是水中的胶体、悬浮物和微生物等。混凝效果对水处理的效果及成品自来水的水质起决定性作用, 对水处理中的后续诸工序产生重要影响。图1为常规地表水给水处理工艺流程图。

(2) 聚合氯化铝铁混凝机理聚合氯化铝铁 (PAFC) 是由铝盐的和铁盐共聚合而成的新型净水剂, 化学结构式为[Al2 (OH) nCl6-n]·m[Fe2 (OH) NCl6-N]M (式中n、m、N、M为整数) , 是一种新型无机高分子混凝剂。它兼具铝盐和铁盐的絮凝特点, 是高分子聚合度的异核多核配合物[1]。PAFC中存在FeHO-Al基团[2], 有着与聚合氯化铝、聚合氯化铁不同形态的Al (Ⅲ) 、Fe (Ⅲ) 羟基配合物[3], Al (Ⅲ) 的存在对Fe (Ⅲ) 的水解有催化作用, 使Fe (Ⅲ) 形成更多细微的结晶中心, 但大量Al (Ⅲ) 的存在又会抑制Fe (Ⅲ) 的结晶[4]。高聚合度的异核多核配合物铝盐和铁盐在水处理过程中发生水解和聚合反应过程, 水中的胶体颗粒能强烈吸附水解和聚合反应过程中出现的各种产物。被吸附的带正电的多核羟基络离子能够压缩双电层, 降低动电位 (ζ电位) , 同时进行着架桥作用。PAFC的化学结构决定了它易溶于水, 有较强的电性中和、架桥、吸附性能;在水解过程中, 具有反应速度快、形成絮体大、活性好、过滤性好等优点。

2 混凝效果影响因素实验分析

秦岭黑河水源系统是以金盆水库、石头河、石砭峪等为主要水源的多源供水系统, 其各个水源水质不尽相同, 水温常年变化在:5~25℃, p H值为:7.5~8.5, 碱度为:40~85mg/L, 浊度为1.5~100NTU, 特殊情况下浊度超过1000NTU。由于原水水质四季变化较明显, 混凝效果不尽相同, 混凝效果的影响因素也比较复杂。根据水源水质结合不同时期的优化处理需求, 寻找优化混凝效果的规律。

实验仪器:ZR-206六联搅拌机、Hach2100N浊度仪、温度计、冷藏柜。

实验材料和药品:聚合氯化铝铁、碳酸钠、碳酸氢钠、盐酸、氧化钙。

实验方法:研究可变因素搅拌强度和可调配水源因素水温、碱度对PAFC混凝效果的影响, 确定优化混凝效果的影响因素。

(1) 混合强度对PAFC混凝效果的影响地表水中的悬浮物以及硅酸盐胶体由于微粒的布朗运动和胶体的稳定性, 使水体存在一定的浊度。PAFC的加入在发生电性中和、双电层压缩脱稳的同时只有有效的碰撞才能发挥其作用, 此过程必须消耗部分动能。混合强度是该阶段混凝效果影响的重要控制因素, 其评价效果常用搅拌强度和搅拌时间。由于实际生产中搅拌时间的不可变性, 所以搅拌强度通常成为优化混凝效果的主要研究对象, 混合强度用速度梯度G来表示。实验采用100~600转/min搅拌转速, G值在300~1000s-1, 搅拌时间t=30s。图2为不同混合强度下PAFC混凝剂的形成序体时间。由图可以看出混合强度越大, 有利于混凝絮体的形成, 混合强度大于400转/min后絮体形成时间变化趋于缓慢。

以上现象说明, 随着混合强度增大, PAFC扩散速度加快, 有利于压缩双电层和电中和, 降低了硅酸盐ξ电位, 使胶体的脱稳和凝聚易于发生。此时压缩双电层和降低胶体ξ电位是混和强度影响的主要因素, 主要表现为影响混凝过程中的凝聚。通过生产实践发现, 增大混和强度对于低温低浊水的混凝效果影响尤为明显。

(2) 水温对PAFC混凝效果的影响由于无机盐类混凝剂在水解时是吸热反映, 水温低时, 水解十分困难, 低温时混凝效果差, 混凝过程缓慢。同时, 低温的水粘度大, 胶体水化作用增强, 水中杂质的热运动减慢, 彼此之间接触碰撞的机会减少不利于相互凝聚。在水温较高时, 分子之间的扩散速度加快, 有利于凝聚反应进行。如图1所示, 原水水温低于10℃时, 混凝效果显著变差。近年研究表明, 水厂出水余铝与出水浊度具有较强的正相关性[5]。图2为实验室混凝剂投加量和残余铝的变化关系。

(3) 碱度对PAFC混凝效果的影响碱度是指水中吸收质子的能力, 水中碱度的形成主要是由于重碳酸盐、碳酸盐及氢氧化物的存在, 硼酸盐、磷酸盐和硅酸盐也会产生一些碱度。PAFC水解会生成H+, 阻碍了水解过程的进行, 不利于混凝进行, 水中碱度可对产生的H+起缓冲作用, 当碱度不够时需要投加石灰, 因此水中的碱度对混凝效果至关重要, 要靠它来中和因水解而产生的酸度。针对黑河原水系统碱度在:40~85mg/L范围内变化的特点, 实验室调节碱度, 进行混凝实验。碱度对PAFC混凝效果的影响如图5。

碱度小于60mg/L时, PAFC除浊效果随着碱度的降低效果明显下降, 碱度越低实验沉后水的残余浊度越高, 混凝效果越差;当碱度大于70时, PAFC形成絮体变大, 除浊效果逐渐增强。

3 结语

针对多源供水系统原水水质特点和混凝池的变频工艺特点, PAFC在常规水处理工艺中具有以下可优化特点。 (1) PAFC在水处理工艺中形成絮体时间和机械混和强度存在相关性, 增大混和强度混凝形成絮体时间越短。 (2) 随着水温的降低PAFC混凝效果变差, 浊度和余铝具有较强的正相关性。 (3) 低碱度不利于PAFC混凝, 浊度去除率低, 针对黑河水源碱度大于70mg/L时, PAFC混凝效果良好。水处理是一个系统工程, 适时进行工艺调整和原水调配, 在PAFC混凝效果及降低水处理成本方面均具有重要意义。

摘要：聚合氯化铝铁 (PAFC) 是由铝盐和铁盐复合共聚而成的一种无机高分子混凝剂, 近年来在给水处理中得到广泛应用。本文以秦岭地表水为原水, 通过烧杯搅拌试验, 探讨常规工艺中聚合氯化铝铁混凝效果影响因素, 确定聚合氯化铝铁混凝效果的影响规律, 优化条件, 在实际生产中发挥出良好的效果。

关键词：水处理,聚合氯化铝铁 (PAFC) ,混凝效果,优化关键词: