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几种常见的水处理絮凝剂的絮凝效果解析


随着我国工农业生产的迅速发展,大量生产性和生活性污水排放量剧增,如不加以处理直接排放,将引发一系列的环境问题污.水处理领域中的治理方法很多,主要有生化法、絮凝沉降法、吸附法、电渗析法、离子交换法和化学氧化法等,其中絮凝沉降法是应用广、成本低的常用处理方法,而高效能的絮凝剂沉降处理过程关键在于恰当地选择和投加性能优良的水处理絮凝剂,因此,了解和比较各类絮凝剂的絮凝特征、相适应的水质条件以及絮凝过程中搅拌强度是非常重要的.本实验从胶体化学基本观点出发,结合一系列试验,综合分析聚合氯化铝、三氯化铁和硫酸铝3种常用的絮凝剂的絮凝特性,并对水中TOC去除效果进行对比.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

1.1.1 仪器

浊度仪(美国HACH公司);pH值测定仪(美国HACH公司);3型N电位仪(包括电泳槽、显微测速装置、时间跟踪器和中央数据处理显示器);COD测定仪(5000A,日本岛津);DC-506型六联浆拌式搅拌机.

1.1.2 试剂

三氯化铁;聚合氯化铝;硫酸铝;盐酸(AR级):北京化工厂;氢氧化钠(AR级):北京化工厂.

1.2 实验方法

(1)浊度水配制:配浊试验用水取自当地水库,配浊粘土取自水库上游,取回的粘土和水充分混合,静置2h后,取上层悬浮液,浊度为10NTU.

(2)在DC-506型六联浆拌式搅拌机上进行搅拌(该机能够一次设定9种不同转速,絮凝过程自动完成,具有参数记忆、计算、显示功能,如水温、转速及相应的水力梯度G值的计算),每次可同时做6个水样,每个水样水量1000mL,并用1mol/L的HCl溶液和1mol/L的NaOH溶液调节溶液pH值至预定值.在快速搅拌状态下(120~180r/min)投加絮凝剂,搅拌1min后立即取样,在电泳仪上测定N电位和电泳迁移率EM值,然后继续慢速(40~90r/min)搅拌20min后停止,沉淀20min,用浊度仪测上清液的剩余浊度RT.

2 结果与讨论

2.1 絮凝剂的投加量对絮凝效果的影响

从图1、图2中可知,对一定浊度的水质,PAC、三氯化铁和硫酸铝3种絮凝剂都存在最佳投加量.在配水浊度为10NTU、pH值为8.16、水温为19.5e条件下,聚合氯化铝(PAC)、三氯化铁和硫酸铝最佳投加量(剩余浊度为0.5NTU以下)分别为2mg/L(以Al2O3计)、8mg/L(以FeCl3计)和2mg/L(以Al2O3计).

聚合氯化铝和硫酸铝的投加量对絮凝效果的影响

图1 聚合氯化铝和硫酸铝的投加量对絮凝效果的影响

三氯化铁的投加量对絮凝效果的影响

图2 三氯化铁的投加量对絮凝效果的影响

2.2 pH值对絮凝效果的影响

图3表明:同一种絮凝剂在不同pH条件下,絮凝效果不一样.这主要取决于絮凝剂水解生成物在不同pH条件下的形态转化规律.硫酸铝最佳絮凝区原水pH范围为6~8,PAC最佳絮凝区原水pH范围为4~10,三氯化铁最佳絮凝区原水pH范围为5~10.PAC和三氯化铁适应pH范围基本相同,都比硫酸铝适应pH范围宽.从絮凝效果可见,pH>7时PAC优于三氯化铁.

图3 3种絮凝剂在不同pH值条件下絮凝效果对比

图3 3种絮凝剂在不同pH值条件下絮凝效果对比

絮凝剂投加量:三氯化铁8mg/L(以FeCl3计);

PAC2mg/L(以Al2O3计);硫酸铝2mg/L(以Al2O3计)

2.3 絮凝剂絮凝除浊作用及电泳特征

絮凝剂投放在不同的pH原水中所表现的形态多种多样,通过控制絮凝反应条件,可以控制絮凝剂在水中的形态,进而探讨絮凝剂形态对絮凝效果的影响.

2.3.1 三氯化铁絮凝除浊作用及电泳特征

图4为向浊度10NTU的原水中投加8mg/L的三氯化铁后凝聚微粒的F值和上清液剩余浊度在不同pH的条件下的变化情况.在pH值为3时,F值为-16mV,上清液剩余浊度为5.7NTU,没有良好的絮凝效果;在pH接近5时,F值变为正值;当pH值为6左右时,F值为正值最大;随着pH的继续增大F值由正值变为负值,并且越来越大,但仍具有较好的絮凝效果.

图4 F电位以及剩余浊度与pH的关系

图4 F电位以及剩余浊度与pH的关系

配水浊度为10NTU,水温为20.5e,

三氯化铁投加量为8mg/L

从上清液剩余浊度来看,pH为5~10时剩余浊度小于1NTU,受pH影响不大.当pH<4时凝聚决定于双电层压缩,主要是Fe3+和少量高电荷低聚合度物质对胶体颗粒的吸附脱稳.当pH=4~6时主要是正电荷聚合体对胶体颗粒吸附脱稳作用,此时的水解产物对胶体颗粒的吸附脱稳比Fe3+阳离子更有效,发挥作用的化合物是高电荷低聚合体和低电荷高聚合体.当pH>6时主要是铁盐水解生成Fe(OH)3沉淀物对胶体颗粒卷扫絮凝.

2.3.2 PAC絮凝除浊作用及电泳特征

图5为向浊度为10NTU的原水中投加2mg/L的PAC后凝聚微粒的F值和上清液剩余浊度在不同pH的条件下的变化情况.当pH为4~6时F值比较稳定,平均F值为-9.5mV,上清液剩余浊度为0.7~1NTU.pH上升到7时F值继续减小,pH为7~10时F值又出现稳定,平均F值为-6.25mV,上清液剩余浊度为0.5NTU以下.pH为10以上时F值开始升高.当pH在4~10范围,上清液剩余浊度小于1NTU,F值变化不大,产生良好絮凝的F值范围为?6mV.PAC不论是在pH高区、pH低区或pH中区都能较好地发挥压缩双电层、电中和吸附脱稳、凝聚絮凝的效能,这表明了PAC稳定性好,形态较为稳定,可以适应于更广pH范围内的水质净化.

图5 F电位以及剩余浊度与pH的关系

图5 F电位以及剩余浊度与pH的关系

从图5中还可发现,F值在pH=4~10范围内并没有出现等电态,这主要由于投药量少,没有完全降低F电位.絮凝效果很好,是由于絮凝剂在水中发挥电性中和和压缩双电层的作用,并且由于粒子数目增多,碰撞次数增多,相对降低了对脱稳的要求.

2.3.3 硫酸铝絮凝除浊作用及电泳特征

图6为向浊度为10NTU的原水中投加2mg/L硫酸铝后,凝聚微粒的F值和上清液剩余浊度在不同pH条件下的变化情况.可见凝聚微粒的F值随pH的增大而减小,当pH<5时F值均为较高负值,所以不能产生凝聚.当pH=5.5时F值为-10mV,开始凝聚,pH为6左右时F值为-5.12mV,具有良好凝聚效果,此时发挥絮凝作用主要为高电荷低聚合度的电中和脱稳作用.在pH值7附近,F值上升为-10mV,发挥絮凝作用的铝几乎全是中性不溶解性的[Al(OH)3]]大型聚合体或低电荷高聚合度的物质,这时粘土粒子和铝聚合体之间几乎失去电排斥力,主要依靠OH-

离子的架桥,使粘土粒子和[Al(OH)3]]粘结生成大的絮凝体,产生良好的絮凝沉淀效果.随pH的继续增大,F值增大,当pH值超过8.5以后,絮凝效果降低,此时发挥絮凝效果的主要成分为负电荷铝离子,这些阴离子成为Al(Ó)的主要形态,架桥聚合态铝离子也不足,浊度去除率也显著降低.

从剩余浊度来看,当pH为6时上清液剩余浊度最低为0.5NTU以下.当pH<5.5或pH>8.5时基本上无絮凝效果,在5.5或pH>8.5时基本上无絮凝效果,在5.5<pH<8.5时为最佳除浊区段,这主要是由于铝矾水解生成的带电荷的聚合物质或氢氧化铝凝胶物对脱稳微粒产生粘结架桥絮凝和卷扫沉淀作用所致.

图6 F电位以及剩余浊度与pH的关系

图6 F电位以及剩余浊度与pH的关系

配水浊度为10NTU,水温为20.5e,

       硫酸铝投加量2mg/L

2.3.4 几种絮凝剂对水中TOC去除效果的对比影响

      TOC去除率絮凝效果的因素有絮凝剂品种、絮凝剂投加量、混合水力条件、原水水质变化以及药剂投加方式等.图7示出3种絮凝剂对水中TOC去除效果的对比.从图7中可知:同一种原水,不同絮凝剂对水中的TOC去除效果不同,在同样加药量的情况下聚合,氯化铝好于硫酸铝和三氯化铁,同时也发现过量加入同等剂量的混凝剂,聚合氯化铝对水中TOC的去除效果也明显好于其他两种混凝剂,并且随着混凝剂投加量的增加,TOC去除率明显增大,当聚合氯化铝投加量为42mg/L(Al2O35mg/L)时,TOC去除率达到99%以上.

图7 不同投加量条件下TOC的去除率对比

图7 不同投加量条件下TOC的去除率对比

3 结 论
        (1)对一定浊度的水质,PAC、三氯化铁和硫酸铝3种絮凝剂都存在最佳投加量,分别为2mg/L(以Al2O3计)、8mg/L(以FeCl3计)和2mg/L(以Al2O3计).

(2)同一种絮凝剂在不同pH条件下,絮凝效果不一样.PAC和三氯化铁适应pH范围基本相同,都比硫酸铝范围宽.从絮凝效果可见,pH>7时PAC优于三氯化铁.

(3)絮凝剂投放在不同的pH水中所表现的形态对絮凝效果会产生影响.

(4)总体来看,PAC对浊度去除率最好,三氯化铁次之,硫酸铝最差.

(5)PAC对水中TOC的去除效果明显好于三氯化铁和硫酸铝,并且随着混凝剂投加量的增加,TOC去除率明显增大.

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