聚合氯化铝及聚合氯化铝铁处理微污染地表水效果

摘要：选用两种无机高分子混凝剂聚合氯化铝（PAC）和聚合氯化铝铁（PAFC），与传统混凝剂Al₂(SO₄)₃处理微污染地表水。以浊度和COD_Mn去除率为主要指标，考察投药量和pH对混凝效果的影响。通过考察沉淀时间对浊度去除效果的影响，结合实验现象，讨论三种混凝剂生成矾花的大小和沉降性能。结果发现，PAC和PAFC在5mg/L的投药量下可以取得较好的混凝效果，出水符合GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》。三种混凝剂的较佳pH为6，PAFC受pH影响较小，当pH为5-8时可取得较好的COD_Mn去除效果。PAFC生成的矾花体积较大，沉降性能较好，在实际应用中可缩短沉淀池的水力停留时间。

0引言

微污染地表水中的天然有机物（NOM）是形成具有“三致”毒性的消毒副产物的主要前驱物之一。目前，常用的去除NOM的方法是强化混凝，即通过研制新型混凝剂、增加混凝剂投药量和强化混凝条件等方法提高NOM的去除率。无机高分子混凝剂是近二十年来发展起来的，并逐渐成为水处理领域的研究热点。水体pH及混凝过程的水力条件是影响混凝效果的主要因素，因此调节pH和优化水力条件也是提高混凝效果的主要途径。本文以微污染水库水为研究对象，选取聚合氯化铝和聚合氯化铝铁两种无机高分子混凝剂，考察两种混凝剂强化混凝去除浊度和有机物的效果。

1、实验部分

1.1实验材料

实验所用水样取自北方某大型水库，水质指标为：水温为17.6-19.3℃，浊度为7.87-9.40NTU，ρ（COD_Mn）为5.05-5.68mg/L。

1.2混凝剂的合成

取一定量的AlCl₃·6H₂O，用去离子水溶解。在磁力搅拌的条件下，按照OH^-/Al=1.0缓慢加入一定量的无水Na₂CO₃。待泡沫完全消失后，继续搅拌3h，即得到PAC混凝剂。

用摩尔比为5:1的AlCl₃·6H₂O和FeCl₃·6H₂O代替上述步骤中的AlCl₃·6H₂O，并按OH^-/（Al+Fe）=1.0加入无水Na₂CO₃，即可制得PAFC混凝剂。

将制得的PAC和PAFC混凝剂稀释至10mg/L（以Al₂O₃+Fe₂O₃计），备用。

1.3烧杯实验

烧杯实验在混凝试验搅拌机上进行。向6个烧杯中分别加入1L的水样，加入一定量的混凝剂。以250r/min快速搅拌2min后，再以50r/min转速继续搅拌10min。静置沉淀15min后，取一定量的上清液进行指标测试。部分水样用浊度计和zeta电位仪测量浊度和zeta电位，部分水样按酸性高锰酸钾法测量COD_Mn。

2、结果与讨论

2.1投药量对混凝效果的影响

在原水pH条件下，向地表水样中加入一定量的PAC和PAFC混凝剂，以传统混凝剂Al₂(SO₄)₃为对比。考察混凝剂投加量对浊度和COD_Mn去除效果的影响。

图1为3种混凝剂在不同投药量下的浊度去除效果，从图1可知：在实验条件下三种混凝剂对浊度的去除率均随投药量的增加而增加，其中当投药量到达4mg/L以上时，浊度去除率增加不大，出水浊度趋于稳定。3种混凝剂对COD_Mn的去除效果也呈现出随投药量增加而升高的趋势，见图1b，当PAC和PAFC两种混凝剂的投药量大于5mg/L时，COD_Mn去除率可达45%，此时上清液中COD_Mn＜3mg/L，达GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》。在相同投药量下，与Al₂(SO₄)₃相比，两种高分子混凝剂可以取得较好的浊度和有机物去除效果；同时，复合混凝剂PAFC较PAC效果更佳，而在烧杯实验过程中可以发现加入PAFC混凝剂后，生成的矾花明显较PAC和Al₂(SO₄)₃大，这可能是因为铁盐的加入可以与铝盐产生协同作用，使得生成矾花的体积增加，同时取得较好的浊度和有机物去除效果。有人在使用自制聚合氯化铝铁混凝剂处理黄河水和生活污水时发现了类似的现象。

不同投药量下混凝出水的zeta电位如图2所示。结果表明：增加混凝剂的投药量可以降低水中胶体颗粒表面所带的负电荷，出水中胶体颗粒的zeta均随投药量的增加而升高。Al₂(SO₄)₃和PAC两种混凝剂分别在投药量3-4mg/L和5-6mg/L时达到等电点，继续增加投药量，水中胶体颗粒所带电荷为正。而在实验投药量范围内，PAFC混凝剂未能中和胶体颗粒表面的负电荷。在相同投药量下，3种混凝剂相比较，Al₂(SO₄)₃的zeta电位较高，这说明其电中和能力较强。而图1的结果表明，在相同投药量下，PAFC的混凝效果较佳，而Al₂(SO₄)₃效果较差。这说明电中和能力并非影响混凝效果的因素。

2.2 pH对混凝效果的影响

改变水样的pH，分别投加5mg/L的混凝剂，考察pH对浊度和有机物去除效果的影响，结果如图3所示。结果表明：浊度去除率随pH的增加而升高。这可能是因为在较低的pH下混凝剂水解不充分，未能充分发挥网罗卷扫作用；而在中性或碱性条件下，水中OH^-含量增加，混凝剂水解形成的网状结构可以网捕水中的颗粒物质，形成矾花，从而通过沉淀将其去除。而有机物的去除效果随pH的升高呈现出先增加后下降的趋势，三种混凝剂的较佳pH均出现在6附近。这可能是因为有机物的去除机理与颗粒物质不同，一般认为，有机物的去除主要通过与混凝剂中的铁铝形成不溶于水的螯合物，在酸性条件下，水中有机物离解不全，且H⁺与金属离子存在竞争关系，导致去除率不高；而在碱性条件下，水中的OH^-与有机物相互竞争，导致去除率下降。三种混凝剂相比较，传统混凝剂Al₂(SO₄)₃受pH影响较大，在酸性条件和碱性条件下有机物去除效果均较差。而PAFC的较佳pH范围较大，在pH＞5的范围内均可取得较高的浊度去除率，而在5-8的pH范围内COD_Mn去除率均可在45%以上，出水符合GB 5749-2006的要求。

混凝出水zeta电位随pH的变化趋势如图4所示。结果表明，增加pH，混凝出水中胶体颗粒表面的正电荷逐渐增加，在越过等电点后，表面电性为负。Al₂(SO₄)₃和PAC出现在pH=6-7的范围内，而PAFC的等电点则出现在pH为5-6时。在此范围内，三种混凝剂均同时能够取得较好的有机物去除效果（图3）。

2.3沉淀时间对混凝效果的影响

在较佳混凝条件（水样pH=6，投药量为5mg/L）下，进行混凝实验。慢搅结束后，静置一定时间后从烧杯中部取出适量水样，测量其浊度，考察沉淀时间对混凝效果的影响，如图5所示。结果发现：三种混凝剂的浊度去除率均随沉淀时间的增加而升高，在达到某一时刻后，出水浊度趋于稳定。三种混凝剂出水浊度达到稳定所需的沉淀时间分别为：Al₂(SO₄)₃：15min，PAC：9min，PAFC：5min。这说明PAFC生成的矾花具有较好的沉降性能，可以在较短的时间内完成沉淀过程。而Al₂(SO₄)₃的沉淀性能较差，需要较长的沉淀时间。这与试验中观察到的现象相符，向水样中投加Al₂(SO₄)₃，生成的矾花较小，沉降速度慢，沉淀15min后仍有少量肉眼可见的白色矾花悬浮于水中。而投加PAFC后，慢搅5min后即可看到矾花，生成的矾花体积较大，沉降速度较快，经过15min的沉淀后，几乎全部沉至水底。

在工程应用中，混凝剂生成的矾花大小及其沉降性能对后续的固液分离过程有着较大的影响。一般情况下，当混凝阶段生成的矾花体积较大，沉降性能较好时，可以缩短沉淀池的水力停留时间，减小沉淀池的体积。

3、结论

使用实验室制备的PAC和PAFC处理地表水时，混凝效果好于传统混凝剂Al₂(SO₄)₃。在5mg/L的投药量下，两种高分子混凝剂均可取得较好的浊度和COD_Mn去除效果，出水浊度小于1NTU，COD_Mn小于3mg/L，符合GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》的要求。三种混凝剂的较佳pH均出现在6附近，pH对PAFC混凝效果的影响较小，在pH=5-8内可取得较好的有机物去除效果。PAFC生成的矾花体积较大，沉降性能较好，静置5min后即可取得较高的浊度去除率。