处理低温低浊水的最佳混凝剂优选实验研究

摘要：我国北方地区冰封期长，水质长时间处于低温低浊状态，其温度低、浊度低和粘度大，很难净化处理。目前国内外处理低温低浊水最普遍采用的方法是强化混凝法，而优选出最佳混凝剂及其混凝条件是强化混凝法实施的关键。本文对聚合硫酸铁（PFS）、聚合氯化铝（PAC）、氯化铁（FeCl3）三种混凝剂通过混凝剂投加量、快速搅拌强度及时间、慢速搅拌强度及时间以及静置沉淀时间对混凝处理效果的影响进行对比实验研究，以优选最佳混凝剂及其投加量、搅拌强度、搅拌时间和静置时间。结果表明：聚合硫酸铁（PFS）为最佳混凝剂，当水温为5℃、浊度14NTU时，PFS的最佳投加量为25mg/L，且快速搅拌速度400r/min下搅拌1min，慢速搅拌速度70r/min下搅拌20min，静置时间为14min，浊度可降低到4.1NTU，为过滤创造了有利条件。

关键词：低温低浊水；给水处理；混凝剂；混凝条件；聚合硫酸铁（PFS）

中图分类号：TB495文献标识码： A 文章编号：

我国北方的广大地区冰封期长达5到6个月，低温低浊度水质能持续很长一段时间。低温低浊水指温度小于10℃和浊度小于30NTU的地表水在一段时间内没有变化[1]。温度低、浊度低、水的粘度大是低温低浊水的明显特点，低温低浊水很难净化处理。因此，净化处理低温低浊度水达到国家新的饮用水水质标准乃当务之急。

目前，国内外常用的低温低浊水处理方法有泥渣回流法[2]、高梯度磁分离法[3]、微絮凝接触过滤法[4]、气浮法[5-7]和强化混凝法[8-10]等。其中，强化混凝法是国内外处理低温低浊水最普遍采用的方法，而优选出最佳混凝剂及其混凝条件是强化混凝法实施的关键。由于单一的传统铁盐或者铝盐混凝剂（如硫酸铝、氯化铝、硫酸铝钾、硫酸铁等）对低温低浊水混凝效果不好，水处理研究者们转向了新型的高分子聚合混凝剂或复合混凝剂。

本实验对聚合硫酸铁（PFS）、聚合氯化铝（PAC）、氯化铁（FeCl3）三种混凝剂通过混凝剂投加量、快速搅拌强度及时间、慢速搅拌强度及时间以及静置沉淀时间对混凝处理效果的影响进行对比研究，以优选出混凝效果好、混凝剂用量少、成本低的最佳混凝剂，并确定其最佳投加量、搅拌强度、搅拌时间和静置时间等，为实际应用提供参考。

1实验研究部分

1.1实验器材、方法

1.1.1实验仪器

本研究主要采用的实验仪器如表1所示：

表1主要实验仪器及厂家

Tab.1Main test equipment and manufacturers

1.1.2实验材料

聚合氯化铝（PAC），别名聚铝、碱式铝，一般表示为[Al2(OH)nCl6-n・XH2O]m；[Al2(OH)nCl6-n]m；(m

1.1.3实验水样

取阜新市佛寺水库水作为实验水样，水样温度为5℃，浊度为14NTU，pH值为7.5。

1.1.4浊度的测定

采用分光光度法测定浊度的原理：在适当温度下，硫酸肼与六次甲基四胺聚合，形成白色高分子聚合物，以此作为浊度标准液，在一定条件下与水样浊度相比较。

首先制备浊度标准曲线，按标准曲线步骤测定吸光度，由标准曲线查得水样浊度。浊度吸光度关系线如图1所示。

图1浊度吸光度关系线

Fig.1relationship line between turbidity and absordance

1.1.5实验方法

保持水样温度为5℃、浊度14NTU和pH值7.5不变，分别考虑三种混凝剂聚合硫酸铁（PFS）、聚合氯化铝（PAC）、氯化铁（FeCl3）各自在不同混凝剂投加量、快速搅拌强度及时间、慢速搅拌强度及时间以及静置沉淀时间条件下的混凝处理效果。每次设定一个条件变化，其他条件不变进行实验。实验中注意观察并记录每个水样杯中快速搅拌和慢速搅拌过程中的现象。静止沉淀结束后，测定水样上清液的浊度。

2结果与讨论

2.1混凝剂投加量的实验研究

2.1.1实验方法

保持水样温度为5℃、浊度14NTU和pH值7.5不变，分别对三种混凝剂聚合硫酸铁（PFS）、聚合氯化铝（PAC）、氯化铁（FeCl3）各自投加量进行实验。设定搅拌方式均为：快速搅拌速度400r/min下搅拌1min，慢速搅拌速度80r/min下搅拌20min。且每个水样混凝结束后静置时间为15min，每个水样杯中投加不同的混凝剂量（0mg/L、5mg/L、 10mg/L、15mg/L、20mg/L、25mg/L、30mg/L、35mg/L、40mg/L、45mg/L），静置时间结束后，取水样上清液测定剩余浊度。

2.1.2结果与讨论

实验结果如图2所示。从图2可得：

图2不同混凝剂投加量对剩余浊度的影响

Fig.2Different coagulant dosage having effect on the residual turbidity

（1）在投加量相同情况下，投加PFS的水样中矾花形成快、多且密实，沉降速度快，混凝效果最好，水样上清液剩余浊度最低，其次是PAC，FeCl3的混凝去浊效果最不理想。PFS和PAC都是以其水解产物对水中颗粒或者胶体进行电中和脱稳、吸附架桥或卷扫而生成粗大絮凝体，在重力作用下沉淀而发挥除浊能力。而PFS生成的最终产物氢氧化铁相对密度较大，表面积较大吸附能力较强，且水解受温度影响较小，因而处理低温低浊水时，PFS水解速度比PAC快，形成的絮体吸附量大、结构紧凑致密、强度大，沉降速度快，大大提高了混凝效果。PFS对低温低浊水处理效果较好。

（2）对于投加PFS的水样，当PFS投加量小于25mg/L范围，随其投加量的增加水样上清液剩余浊度逐渐降低，浊度去除率越来越高，在投加量为25mg/L水样剩余浊度降到最低；当其投加量大于25mg/L，浊度去除率有所降低，水样剩余浊度有所升高，由于PFS投加量的进一步增加导致过多时水中胶体吸附电解质，胶体表面电荷重新分布，发生胶体重新稳定现象，去除效果反而下降。

综合比较分析，PFS在低温低浊水中的混凝效率最高，且PFS的最佳投加量为25mg/L。

2.2快速搅拌强度的实验研究

快速搅拌能让混凝剂在很短的时间内很快且均匀地分散到水中，可避免在水中混凝剂分布不均匀，从而导致局部混凝剂浓度高，及有混凝剂自身水解现象发生。在快速搅拌过程中生成的微絮凝体，通过慢速搅拌将能进一步成长为粗大、密实的絮凝体，以实现固液分离。

2.2.1实验方法

三种混凝剂投加量均为25mg/L，设定不同的快速搅拌强度如表2所示，其他条件同上。混凝沉淀结束后测定6个水样的浊度。

表2不同的快速搅拌强度

Tab.2Different rapid stir intensity

2.2.2结果与讨论

实验结果如图3所示。从图3可得：

图3 不同快速搅拌强度对剩余浊度的影响

Fig.3Different rapid stir intensity having effect on the residual turbidity

（1）快速搅拌强度的变化对水样上清液剩余浊度有影响。在相同的搅拌强度下，投加PFS的水样剩余浊度均低于投加PAC和FeCl3的水样。由于PFS水解后可产生多种高价和多核络合离子[11]，如[Fe2(OH)4]2+、[Fe3(OH)6]3+、[Fe8(OH)20]4+等能较好地与水中胶体发生电中和、吸附架桥、网捕作用，快速形成较大的矾花，并且由于铁的密度较大，形成的矾花较密实，从而易于沉降，与水分离，所以PFS的混凝效果较好。

（2）对于投加PFS的水样，快速搅拌速度为400r/min时水样剩余浊度降到最低，在此搅拌速度下，矾花形成较快且较多，搅拌速度小于400r/min，水样剩余浊度偏高，由于搅拌强度不够，PFS不能很好的均匀分散到低温低浊水中，有部分PFS自身水解现象发生，浊度去除率降低；快速搅拌速度过大，大于500r/min时，开始形成的矾花在激烈的搅拌下被打碎了，从而在后续慢速搅拌强度下难以形成较大的矾花，水样剩余浊度偏高。由于投加PFS形成的矾花快且大，所以PFS较PAC和FeCl3的最佳快速搅拌强度要小。

综合分析，PFS在处理低温低浊水时快速搅拌强度为400r/min下搅拌1min效果最好。

2.3慢速搅拌强度的实验研究

2.3.1实验方法

三种混凝剂投加量均为25mg/L，设定快速搅拌强度为400r/min下搅拌1min，设定不同的慢速搅拌强度如表3所示，其他条件同上。混凝沉淀结束后测定6个水样的浊度。

结果与讨论

实验结果如图4所示。从图4可得：

表3不同的慢速搅拌强度

Tab.3Different slow stir intensity

图4不同慢速搅拌强度对剩余浊度的影响

Fig.4Different slow stir intensity having effect on the residual turbidity

（1）不同的慢速搅拌强度对混凝有影响，慢速搅拌强度过小，已形成的小矾花互相接触机会少难以长大成粗大密实的大矾花，而小矾花难以在短时间内沉降，水样剩余浊度偏高；慢速搅拌强度过大，已形成的大矾花在过大的搅拌下被打碎成较小的矾花，从而影响沉降效果，水样上清液浊度偏高。

（2）在相同的慢速搅拌强度下，投加PFS的水样上清液剩余浊度最低，浊度去除率最高，其次是投加PAC水样，再其次是投加FeCl3水样。

（3）投加PFS的水样，由于形成的矾花较大，所以最佳慢速搅拌速度较PAC、FeCl3的为小，为70r/min，此时水样上清液剩余浊度降到最低。

2.4静置时间的实验研究

2.4.1实验方法

三种混凝剂投加量均为25mg/L，设定快速搅拌强度为400r/min下搅拌1min，慢速搅拌强度70r/min下搅拌20min。设定不同的静置时间（0min、2min、4min、6min、8min、10min、12min、14min、16min、18min、20min），其他条件同上。混凝沉淀结束后测定每个水样的上清液剩余浊度。

结果与讨论

实验结果如图5所示。

图5不同静置时间对剩余浊度的影响

Fig 5Still settling in different time affecting the residual turbidity

从图中可得：随着搅拌结束后的静置时间的增加，混凝搅拌过程产生的大矾花和小矾花陆续沉淀，水中上清液的浊度逐渐降低。矾花的沉降速度由快到慢，对于投加PFS的水样，矾花大且密实，矾花的沉降速度最快，在静置时间为14 min时，水样上清液浊度达到最低值4.1NTU，而投加PAC的水样，矾花的沉降速度稍慢一些，需要16 min浊度几乎保持不变，此时浊度为4.6NTU，FeCl3则需要更长的静置时间18 min，此时浊度为5.3NTU。

综合分析PFS混凝效果最好，且最佳静置时间为14 min。

3结论

（1）在低温低浊水的混凝处理中，混凝剂种类、混凝剂投加量、搅拌强度和静置时间对混凝处理效果都有重要影响，通过对三种混凝剂（PFS、PAC、FeCl3）在不同的投加量、快速搅拌强度、慢速搅拌强度和静置时间条件下的研究比较分析可得，聚合硫酸铁（PFS）混凝效果好、混凝剂用量少、成本低，是处理低温低浊水的最佳混凝剂；

（2）进一步揭示了PFS水解后可产生多种高价和多核络合离子，如[Fe2(OH)4]2+、[Fe3(OH)6]3+、[Fe8(OH)20]4+等能较好地与水中胶体发生电中和、吸附架桥、网捕作用，快速形成较大矾花，且由于Fe密度较大，形成的矾花较密实，从而易于沉降，与水分离；

（3）对于低温低浊水：温度为5℃、浊度14NTU和pH值7.5时，PFS的最佳投加量为25mg/L，最佳搅拌强度：快速搅拌速度400r/min下搅拌1min，慢速搅拌速度70r/min下搅拌20min，静置时间为14min，此时浊度可降为4.1NTU，为过滤创造了有利条件。

（4）该成果可为实际应用提供参考。

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