基于郑州某水厂原水的聚合铝强化混凝研究

李永勤，刘增军

(1.济南城建集团有限公司，山东 济南 250031；

2.山东省城建设计院，山东 济南 250021)

聚合氯化铝(PAC)又名碱式氯化铝或羟基氯化铝，是20世纪60年代后期正式投入工业生产的一种新型无机高分子混凝剂。PAC与无机盐类混凝剂相比，具有絮体形成速度快、沉降性能好、对水质适应性好等优点。但近年来，随着水中污染的加剧，单独投加PAC已不能满足水质处理要求，特别是对有机物的去除并不理想[1]，常需要投加助凝剂或其他预处理剂来提高出水水质。

本实验以河南郑州某水厂进厂水为实验对象，PAC是该水厂最常用的混凝剂，水厂出水常会面临消毒副产物超标或者是嗅味问题，而单独投加混凝剂很难解决此类问题，而且单独增大混凝剂投加量还会造成生产成本增加。本实验考察单独投加PAC与PAC+助凝剂对原水的处理效果差别，PAC在投加助凝剂的基础上分别用活性炭和高锰酸钾作预处理剂对原水的处理效果差别。

1)原水水质。

实验时间为2021年3月～2022年4月，水厂进厂水黄河水的某二级沉砂池中层水，约为水面下3 m～4 m，试验期间原水水质如表1所示。

表1 试验期间原水水质

2)实验设备及仪器。

实验所用的中试设备处理水量为1 m3/h，主要由预处理罐、机械絮凝反应池、斜管沉淀池、砂滤池组成。图1为所用中试设备的工艺流程简图。

3)实验试剂。

聚合氯化铝(PAC)：液态，密度1.26 g/mL，氧化铝(Al2O3)质量分数10.3%，盐基度80%，pH=4.0，不溶物质量分数0.18%。

活化硅酸：液态，密度1.37 g/mL，二氧化硅(SiO2)质量分数26.8%。

pH=2.4，氧化钠(Na2O)质量分数8.4%；
粉末活性炭，高锰酸钾(KMnO4)，分析纯。

试验中其他检测的水质指标与方法、仪器如表2所示。

2.1 投加助凝剂与单独投加混凝剂处理效果对比

实验测试水样为中试设备斜管沉淀池出水，测试数据为多次检测后平均值。实验先单独投加PAC，之后用活化硅酸作助凝剂，在相同混凝剂投加量下，通过小试实验，确定混凝剂∶助凝剂=4∶1联合投加。实验选取浊度，CODMn,UV254三个指标进行分析，出水指标如表3所示。

表2 水质检测项目分析方法及仪器

单独投加PAC，随着投药量增加，浊度去除率逐步提高，当投药量为60 mg/L时，浊度去除率达到最大，为63.2%。之后随着投药量增加，浊度去除率基本不变，出水浊度基本稳定在4 NTU左右。这是因为继续增大混凝剂投加量，胶体颗粒的吸附面全部被高分子覆盖，多余的混凝剂正离子吸附于颗粒表面，形成带正电的胶体颗粒，使胶体颗粒不能聚集，从而导致出水浊度难以进一步降低。

表3 投加助凝剂对比试验

混凝剂与助凝剂联合投加，当混凝剂投药量小于30 mg/L时，其处理效果不如单独投加助凝剂，这是因为活化硅酸助凝的主要机理是吸附架桥，而混凝剂在低投药量下，形成的絮体较少，不利于活化硅酸发挥助凝作用，而此时向水中投加助凝剂，也可能会一定程度增大原水浊度。之后随着投加量升高，浊度的去除率也随之升高。在投加助凝剂情况下，当PAC投加量为40 mg/L时，浊度去除率66%已经优于单独投加PAC的最大浊度去除率。可见投加助凝剂能减少混凝剂投加量。

高锰酸盐指数是指在酸性或碱性介质中,以高锰酸钾为氧化剂，处理水样时所消耗的量，以O2mg/L表示。它表征大部分还原性有机物和还原性无机污染物的含量。在表3中，单独投加PAC，CODMn的去除率随投药量增加而增加，投药量为80 mg/L时，CODMn去除率达到最大为36.1%。PAC与活化硅酸联合投加，随着投药量增加，去除率整体也是呈增长趋势，相比较单独投加PAC，它的去除率增长趋势较缓。在低投药量下(<30 mg/L)，它对CODMn的去除效率要明显优于单独投加PAC。之后随着投药量增加，活化硅酸的助凝效果不再明显，两者对CODMn的去除效率差别不大。

UV254代表水中含羧基和羟基等极性基团的有机物。研究发现，UV254不仅与水中有机物有关，而且与消毒副产物的前体物有较好的相关性。由表3可知，单独投加PAC，随着投药量增加，出水UV254逐步降低，但降低趋势较缓。投药量为80 mg/L时，去除率最大，仅为27.6%。当投加助凝剂后，可以看到，在相同PAC投加量下，对UV254的去除率明显提高，PAC投药量为90 mg/L时，UV254去除率达到最大49%。

综合比较CODMn和UV254，可以看出PAC与活化硅酸联用，对于CODMn和UV254的去除效率都有进一步的提高，在低投加量下两者去除效率提高明显，高投加量下UV254的去除效率进一步提高，而CODMn的去除率变化不大。经分析，这种差异主要是因为组成CODMn和UV254的有机物分子量不同。CODMn中小分子有机物比例要高于UV254，组成UV254的有机物分子量大都在3 000以上，在混凝过程中易被氢氧化铝絮体所吸附，投加活化硅酸增加了吸附架桥作用，更有利于UV254去除[2]。

2.2 投加预处理剂处理效果

在各种完善水质处理效果的深度处理技术中，活性炭吸附和高锰酸钾预氧化是完善常规处理工艺以去除水中有机污染物比较成熟有效的方法。本次实验结合水厂实际，选定这两种预处理剂，其中活性炭投加范围为0 mg/L～10 mg/L，高锰酸钾投加量为0 mg/L～1.0 mg/L。预处理剂在混凝剂与助凝剂投加之前投加，预接触时间为1 h，选定的评价指标除浊度，CODMn,UV254外，增加嗅阈值，以考察两种预处理剂对水中嗅味物质的去除情况。聚合氯化铝、活化硅酸投药量分别为40 mg/L,10 mg/L。两种预处理剂对水中各指标的去除效果如图2～图5所示。其中投加指标1,2,3,4,5,6所对应的活性炭投加量为0 mg/L,2 mg/L,4 mg/L,6 mg/L,8 mg/L,10 mg/L，对应的高锰酸钾投加量为0 mg/L,0.2 mg/L,0.4 mg/L,0.6 mg/L,0.8 mg/L,1.0mg/L。

由图2～图5可以看出，以PAC投加活性炭能一定程度的增加对浊度，CODMn，UV254，嗅阈值的去除率。且随着活性炭投加量的增加，上述指标的去除率逐步升高。活性炭投加量为8 mg/L时，出水浊度为1.40 NTU，与不投加活性炭对比降低了约1 NTU。当活性炭投加量小于8 mg/L时，CODMn和UV254的去除率随活性炭投加量增加去除率降低比较缓慢，超过8 mg/L时，去除率增加较快。当活性炭投加量为10 mg/L时，出水CODMn为0.92 mg/L，比不投加活性炭降低了约64%，出水UV254为0.032，比不投加活性炭降低了50%。嗅阈值随着活性炭投加量的增加，去除率也逐步提高，当活性炭投加量为10 mg/L时，出水嗅阈值为3.5，而不投加活性炭时，出水嗅阈值为8，嗅阈值明显降低。

综合来看，投加粉末活性炭对于上述四个指标均有一定程度的提高。随着投加量的增大，对于有机物指标(CODMn,UV254)和水中嗅味均有良好的去除效果。这是因为活性炭的发达微孔结构以及巨大的比表面积，对于水中溶解度低、亲水性差、弱极性的有机物可以进行有效吸附[3-4]。

相比较活性炭，高锰酸钾作预处理剂时，对于浊度，CODMn，UV254，高锰酸钾投加量为0.2 mg/L时，三者比不投加高锰酸钾都有一定程度的降低，之后随着投加量的增加，三者的去除率变化不大，当高锰酸钾投加量过高时，都会有一定程度的上升。由图4可知，投加高锰酸钾可以提高嗅阈值去除率，并且随着投加量的增加，嗅阈值也逐步降低。由此可见，高锰酸钾作预处理剂，对于常规指标的去除效果并不明显，但可以一定程度降低水中嗅阈值。

研究证实，高锰酸钾预氧化是由氧化和新生态水与二氧化锰共同作用[5]。当高锰酸钾投加量过大时，过高的氧化作用使水中大分子有机物变为小分子有机物，使有机物浓度升高，而过高浓度的有机物会附着在胶体颗粒表面，形成有机保护膜，提高了胶体在水中的稳定性[6]。可能正是基于此种原因，当高锰酸钾投加量过高时，会使有机物指标(CODMn和UV254)去除率出现一定程度的降低。

用PAC作混凝剂，分别投加活性炭和高锰酸钾作预处理剂，从以上四个指标来看，随着投加量的增加，活性炭对浊度，CODMn,UV254的去除效果要优于高锰酸钾，从有机物分子量来看，这主要是因为投加PAC时，混凝剂主要是对大分子量有机物的去除[7-9]，投加活性炭后，它的吸附作用主要是去除小分子有机物，两者能形成明显的互补，因此可以使水中CODMn,UV254等有机物指标去除率提高，而高锰酸钾和活性炭对嗅阈值的去除率效果相差不大。

1)在上述水源水质下，单独投加PAC的最佳投加量为60 mg/L。投加活化硅酸能明显提高浊度、UV254的去除率，降低混凝剂使用量，对于CODMn，在混凝剂高投量下，活化硅酸助凝效果不明显。2)当用PAC作混凝剂，活化硅酸作助凝剂时，活性炭和高锰酸钾作预处理剂都能有效降低水中嗅阈值。而两者相比，活性炭对于水中浊度，CODMn,UV254的去除效果要优于高锰酸钾。3)建议水厂在水质无重大问题时，采用活化硅酸助凝的方式来提升出厂水水质。当水厂出现水质问题时，如消毒副产物超标或者嗅味问题，可采用预投加活性炭的方式来进行处理。