铝水解聚合形态对低温低浊水混凝效果的影响

王 琦，殷洪水，李 星

(1.哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，哈尔滨150001;2.城市建设研究院东北分院，哈尔滨150090)

聚合氯化铝作为一种新型混凝剂，近年来发展迅速，其通过混凝作用能够有效去除水中的胶体颗粒和溶解性物质[1－2]，而且受温度的影响较小.一般认为聚合氯化铝(PAC)混凝过程中铝的水解聚合形态分为三类，即Ala、Alb和Alc.Ala粒度比较小，是指在混凝过程中表现出阳离子性质的低聚体，单个铝原子平均带电量较高;Alb形态非常复杂，其中一部分处于介稳状态，会继续聚集形成高聚体，Alb是多个金属离子的聚集体，具有较强的荷电量，但是每个离子平均带电量却不如Ala;Alc具有较大的粒径，局部带有强电性，具有吸附架桥能力，生成的絮体大易于沉淀.

研究发现PAC投入水中后，铝水解聚合形态的电中和能力强弱和粒度大小显著影响混凝效果.PAC的混凝效果并非完全取决于投加前的形态，而主要取决于投加后形成的水解聚合形态，因此，研究PAC投加后铝水解聚合形态分布情况对认识PAC的混凝机制意义重大[3－4].研究表明，Alb以其高电荷和较大的分子质量发挥电中和及吸附架桥作用，有助于提高混凝效果[5－6].本实验采用哈尔滨磨盘山水库低温低浊水为研究对象，通过烧杯实验和中试实验综合分析PAC在混凝中铝的存在形态及其对混凝效果的影响.

1 实验条件及分析方法

1.1 实验用混凝剂

氯化铝(AlCl3，本实验设定氯化铝为盐基度为0的聚合氯化铝)，天津市光复精细化工有限公司;固态聚合氯化铝(PAC1)，有效成分32%，盐基度42.5%，巩义市华通滤材有限公司;固态聚合氯化铝(PAC2)，有效成分30%，盐基度80.3%，巩义市华通滤材有限公司;液态聚合氯化铝(PAC3)，有效成分7.5%，盐基度87%，哈尔滨市哈磨净水剂有限公司.有效成分以Al2O3浓度计.

1.2 原水水质

实验用水取自磨盘山水库进厂原水，属于典型低温低浊水，且全年pH值偏低，见表1，因数据随时间有一定波动，所以实验以去除率进行对比分析.

表1 原水水质

1.3 分析方法与仪器

浊度:浊度仪(Hach2100AN型，美国哈希公司);UV254:紫外－可见分光光度计(UV－2550型，日本岛津);CODMn:酸性高锰酸钾滴定法;pH值:PH计(DELTA320型，瑞典梅特勒托利多);色度:铂钴标准比色法;铝形态:Al－ferron逐时络合比色法测定聚合氯化铝有效成分和盐基度[7－8].

1.4 烧杯实验方法

实验依据《混凝沉淀烧杯试验方法》CECS130－2001采用标准烧杯搅拌实验，在六联搅拌器上进行，取水样1 000 mL，投加混凝剂、助凝剂等水处理药品，最佳水力条件通过模拟水厂实际运行以及另一子课题的实验结果确定，混合转速250 r/min，时间100 s;采用两级絮凝，一级絮凝转速为80 r/min，时间为11 min;二级絮凝转速25 r/min，时间为7 min;沉淀时间为30 min.然后取液面下2～3 cm处水样检测相关指标.

图1 中试实验工艺流程图

1.5 中试实验

1.5.1 中试实验装置

中试模型设计处理水量10 m3/h，原水取自磨盘山净水厂进水管，整个工艺主要由管道混合器、网格絮凝池和斜板沉淀池3部分组成.管道混合器:长1 m，直径65 mm;混凝剂在管道混合器之前投加，在管道混合器内充分混合.网格絮凝池:池长1.44 m，宽0.96 m，平均水深2.6 m，共54格，单格边长0.16 m，面积0.025 6 m2.竖井隔墙上过水洞流速从进口到出口递减，停留时间随处理水量变化.斜板沉淀池:池长2.3 m，有效长度2.1 m，宽度0.96 m，有效水深2.45 m，有效沉淀时间随进水流量变化.底部设3个泥斗，高0.25 m，斗内沿池宽方向设穿孔排泥管.

1.5.2 中试实验方法

原水由哈尔滨市磨盘山净水厂进水管道引入，入水口设置投药系统，原水通过计量泵加药后经管道混合器充分混合之后进入网格絮凝池，絮凝池出水进入斜板沉淀池，取沉后水检测浊度、UV254、CODMn等指标.每次投药2 h后待系统运行稳定时第1次取样，之后每隔1 h取样1次，取6组平行水样分析相关指标.

2 实验结果与讨论

2.1 PAC混凝过程中铝的形态分布

本阶段实验选取4种不同盐基度PAC为研究对象，利用Al－Ferron逐时络合比色法测定不同盐基度PAC的铝水解聚合形态分布，考察铝形态分布规律.

利用Al－Ferron逐时络合比色法测定铝水解聚合形态分布如表2和图2.

表2 四种PAC混凝过程中铝水解聚合形态分布情况

从表2可以看出，氯化铝溶于水后铝水解聚合形态以Ala为主，占到总铝的90%以上，Alb很少，不存在Alc;PAC1中仍以Ala为主占到63.84%，同时Alb也达到32.62%，Alc较少;PAC2中Ala、Alb和Alc分布相对均匀，Alb和Alc质量分数相对高些，总质量分数达到79.33%;PAC3中Ala最少，以Alc为主达78.57%.如图2，随着盐基度的增加Ala不断减小，Alc不断升高，而Alb并没有规律性的变化，盐基度较高的PAC2比盐基度较低的PAC1Alb反而有所降低.实验结果表明盐基度的大小可以反应Ala和Alc的质量分数，当盐基度低时Ala较高，盐基度高时Alc较高，盐基度高低无法反应Alb的多少.

2.2 铝水解聚合形态对混凝效果影响烧杯实验分析

本阶段实验将对铝水解聚合形态分布对混凝效果的影响进行研究.为方便比较分析，混凝剂聚合氯化铝投加量均以铝浓度计，分别投加0.0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14、0.16、0.18 mmol/L，检测混凝沉后水的浊度、pH值、UV254和CODMn四项指标，考察铝水解聚合形态对混凝效果的影响.

图2 不同盐基度PAC混凝过程中铝水解聚合形态分布

2.2.1 铝水解聚合形态对浊度去除效果的影响

由图3可以看出，Alb和Alc的浓度越高对浊度的去除效果越好，Ala浓度高时无法有效去除浊度.对于磨盘山水库低温低浊水，Ala浓度较高的AlCl3和PAC1随着投加量的增加浊度出现先升高再减小再升高的趋势，浊度始终大于原水浊度，即使在最佳投量下也是如此，由此可见Ala浓度较高的AlCl3和PAC1对磨盘山水库低温低浊水不具备除浊效果，反而会增加原水浊度，这是因为原水浊度过低(不到0.4 ntu)，对于Ala浓度高的PAC生成的絮体小不易沉淀;PAC2和PAC3对浊度的去除效果相当，在投药量为0.09～0.13 mmol/L时效果最佳，浊度降低到0.2 ntu左右，在投药量为0.08 mmol/L左右时，PAC2除浊效果优于PAC3;由于PAC2混凝过程中Alb浓度更高，高投药量下更容易使絮体复稳，所以当PAC2投药量大于0.12 mmol/L时浊度出现上升趋势，PAC3以Alc为主，在高投药量下不易出现絮体复稳现象，除浊效果更好.

图3 铝水解聚合形态对浊度去除效果的影响

2.2.2 铝水解聚合形态对UV254去除效果的影响

UV254反映某一类有机物，它们具有相近的性质[9－10].水样经0.45μm滤膜过滤后检测UV254，结果发现，如图4，AlCl3对UV254的去除效果最好，其次是PAC1，PAC2和PAC3.实验结果表明Ala对水中某一类有机物具有较好的中和脱稳作用，生成的絮体无法通过0.45μm滤膜，其效率要高于Alb和Alc，但优势非常小，随着投药量的增加这种差距越来越小.结合2.2.1实验结果不难发现，Ala浓度高的PAC能够很好的发挥其电性中和作用使胶体颗粒脱稳，但生成的絮体小不易沉淀，这就引起浊度升高的现象，可是这些小絮体却无法通过0.45 μm滤膜，因此UV254的检测结果比较理想.

图4 铝水解聚合形态对UV254去除效果的影响

2.2.3 铝水解聚合形态对CODMn去除效果的影响

从图5可以看出，在投药量低于0.08 mmol/L时，随着投药量的增加CODMn浓度均不断降低，PAC1和PAC2效果稍好;继续提高投药量，AlCl3无法持续去除CODMn，反而使其浓度增加，投药量增加到0.12 mmol/L时，继续投加PAC1同样使CODMn浓度增加，PAC2和PAC3投加量增加到0.16 mmol/L时达到最佳去除效果，继续增加投药量CODMn浓度开始增加;由此可见Alb浓度会明显影响混凝剂对CODMn的去除效果，投药量在0.09～0.12 mmol时，高Alb浓度的混凝剂PAC1和PAC2对CODMn的去除效果最好.对于Alc浓度高的PAC3，随着投药量的增加能够持续降低CODMn浓度，且不会出现胶体严重复稳现象.对于磨盘山低温低浊期水质，为了更好的去除有机物，应该选择Ala浓度低同时Alb浓度尽可能高的PAC.

图5 铝水解聚合形态对CODM n去除效果的影响

2.2.4 铝水解聚合形态对pH值的影响

如图6，投加AlCl3会严重影响水的pH值，投加量为0.08 mmol/L时pH值降低到6左右，继续投加pH值持续降低，这是因为AlCl3属于强酸弱碱盐，由于水解作用会降低水的pH值，PAC1随着投加量的增加pH值也会逐渐降低，PAC2和PAC3对pH值基本没有影响.可以看出，相同投药量下Ala浓度越高越容易降低pH值，Alb和Alc浓度高时对pH值的影响很弱.

2.3 铝水解聚合形态对混凝效果影响中试实验分析

实验进水流量为5 m3/h，混凝剂为PAC1、PAC2和AlCl3，混凝剂投加量依据2.2节实验结果设定为0.12 mmol/L(以Al浓度计).

如图7、8、9动态实验结果表明，铝水解聚合形态对浊度去除效果影响明显，高Ala浓度的AlCl3对浊度的去除效果远不及PAC1和PAC2，而PAC2对浊度的去除效果稍好于PAC1;经0.45μm滤膜过滤后，混凝沉后水UV254浓度相差不大，UV254均下降到0.03左右;PAC2对CODMn的去除效果更好，AlCl3效果最差，可见Alb和Alc浓度越高混凝去除CODMn的效果越好，Al投量为0.12 mmo/L时，Alb浓度高的PAC2对CODMn的去除效果优于Alc浓度高的PAC1.中试实验结果与烧杯实验结果基本相符.

3 结论

1)盐基度越高的聚合氯化铝Ala浓度越低Alc浓度越高，Alb浓度出现不规律变化;混凝实验表明Ala浓度高时混凝形成的絮体不易沉降，会增加原水浊度，降低pH值，可以有效去除水中大部分大分子有机物;Alb和Alc浓度高时水处理效果均较好，对pH值的影响较小，相同投药量下Alb对有机物的去除效果优于Alc.因此在选择高效混凝剂时，要保持盐基度在较高的范围，从而保证Ala浓度低Alc浓度较高，在此基础上要尽量选择高Alb浓度的聚合氯化铝.

2)对于3种聚合氯化铝，当铝投加量相同时，铝的水解聚合形态对混凝效果产生很大影响，Alb和Alc浓度高的聚合氯化铝混凝效果较好，在最佳投量下Alb浓度高的聚合氯化铝性能更好，但Alb更容易使生成的絮体复稳.

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