隨著我國工農業生產的迅速發展,大量生產性和生活性污水排放量劇增,如不加以處理直接排放,將引發一系列的環境問題污.水處理領域中的治理方法很多,主要有生化法、絮凝沉降法、吸附法、電滲析法、離子交換法和化學氧化法等,其中絮凝沉降法是應用廣、成本低的常用處理方法,而高效能的絮凝劑沉降處理過程關鍵在于恰當地選擇和投加性能優良的水處理絮凝劑,因此,了解和比較各類絮凝劑的絮凝特征、相適應的水質條件以及絮凝過程中攪拌強度是非常重要的.本實驗從膠體化學基本觀點出發,結合一系列試驗,綜合分析聚合氯化鋁、三氯化鐵和硫酸鋁3種常用的絮凝劑的絮凝特性,并對水中TOC去除效果進行對比.
1 實驗部分
1.1 儀器與試劑
1.1.1 儀器
濁度儀(美國HACH公司);pH值測定儀(美國HACH公司);3型N電位儀(包括電泳槽、顯微測速裝置、時間跟蹤器和中央數據處理顯示器);COD測定儀(5000A,日本島津);DC-506型六聯漿拌式攪拌機.
1.1.2 試劑
三氯化鐵;聚合氯化鋁;硫酸鋁;鹽酸(AR級):北京化工廠;氫氧化鈉(AR級):北京化工廠.
1.2 實驗方法
(1)濁度水配制:配濁試驗用水取自當地水庫,配濁粘土取自水庫上游,取回的粘土和水充分混合,靜置2h后,取上層懸浮液,濁度為10NTU.
(2)在DC-506型六聯漿拌式攪拌機上進行攪拌(該機能夠一次設定9種不同轉速,絮凝過程自動完成,具有參數記憶、計算、顯示功能,如水溫、轉速及相應的水力梯度G值的計算),每次可同時做6個水樣,每個水樣水量1000mL,并用1mol/L的HCl溶液和1mol/L的NaOH溶液調節溶液pH值至預定值.在快速攪拌狀態下(120~180r/min)投加絮凝劑,攪拌1min后立即取樣,在電泳儀上測定N電位和電泳遷移率EM值,然后繼續慢速(40~90r/min)攪拌20min后停止,沉淀20min,用濁度儀測上清液的剩余濁度RT.
2 結果與討論
2.1 絮凝劑的投加量對絮凝效果的影響
從圖1、圖2中可知,對一定濁度的水質,PAC、三氯化鐵和硫酸鋁3種絮凝劑都存在最佳投加量.在配水濁度為10NTU、pH值為8.16、水溫為19.5e條件下,聚合氯化鋁(PAC)、三氯化鐵和硫酸鋁最佳投加量(剩余濁度為0.5NTU以下)分別為2mg/L(以Al2O3計)、8mg/L(以FeCl3計)和2mg/L(以Al2O3計).
圖1 聚合氯化鋁和硫酸鋁的投加量對絮凝效果的影響
圖2 三氯化鐵的投加量對絮凝效果的影響
2.2 pH值對絮凝效果的影響
圖3表明:同一種絮凝劑在不同pH條件下,絮凝效果不一樣.這主要取決于絮凝劑水解生成物在不同pH條件下的形態轉化規律.硫酸鋁最佳絮凝區原水pH范圍為6~8,PAC最佳絮凝區原水pH范圍為4~10,三氯化鐵最佳絮凝區原水pH范圍為5~10.PAC和三氯化鐵適應pH范圍基本相同,都比硫酸鋁適應pH范圍寬.從絮凝效果可見,pH>7時PAC優于三氯化鐵.
圖3?3種絮凝劑在不同pH值條件下絮凝效果對比
絮凝劑投加量:三氯化鐵8mg/L(以FeCl3計);
PAC2mg/L(以Al2O3計);硫酸鋁2mg/L(以Al2O3計)
2.3 絮凝劑絮凝除濁作用及電泳特征
絮凝劑投放在不同的pH原水中所表現的形態多種多樣,通過控制絮凝反應條件,可以控制絮凝劑在水中的形態,進而探討絮凝劑形態對絮凝效果的影響.
2.3.1 三氯化鐵絮凝除濁作用及電泳特征
圖4為向濁度10NTU的原水中投加8mg/L的三氯化鐵后凝聚微粒的F值和上清液剩余濁度在不同pH的條件下的變化情況.在pH值為3時,F值為-16mV,上清液剩余濁度為5.7NTU,沒有良好的絮凝效果;在pH接近5時,F值變為正值;當pH值為6左右時,F值為正值最大;隨著pH的繼續增大F值由正值變為負值,并且越來越大,但仍具有較好的絮凝效果.
圖4?F電位以及剩余濁度與pH的關系
配水濁度為10NTU,水溫為20.5e,
三氯化鐵投加量為8mg/L
從上清液剩余濁度來看,pH為5~10時剩余濁度小于1NTU,受pH影響不大.當pH<4時凝聚決定于雙電層壓縮,主要是Fe3+和少量高電荷低聚合度物質對膠體顆粒的吸附脫穩.當pH=4~6時主要是正電荷聚合體對膠體顆粒吸附脫穩作用,此時的水解產物對膠體顆粒的吸附脫穩比Fe3+陽離子更有效,發揮作用的化合物是高電荷低聚合體和低電荷高聚合體.當pH>6時主要是鐵鹽水解生成Fe(OH)3沉淀物對膠體顆粒卷掃絮凝.
2.3.2 PAC絮凝除濁作用及電泳特征
圖5為向濁度為10NTU的原水中投加2mg/L的PAC后凝聚微粒的F值和上清液剩余濁度在不同pH的條件下的變化情況.當pH為4~6時F值比較穩定,平均F值為-9.5mV,上清液剩余濁度為0.7~1NTU.pH上升到7時F值繼續減小,pH為7~10時F值又出現穩定,平均F值為-6.25mV,上清液剩余濁度為0.5NTU以下.pH為10以上時F值開始升高.當pH在4~10范圍,上清液剩余濁度小于1NTU,F值變化不大,產生良好絮凝的F值范圍為?6mV.PAC不論是在pH高區、pH低區或pH中區都能較好地發揮壓縮雙電層、電中和吸附脫穩、凝聚絮凝的效能,這表明了PAC穩定性好,形態較為穩定,可以適應于更廣pH范圍內的水質凈化.
圖5 F電位以及剩余濁度與pH的關系
從圖5中還可發現,F值在pH=4~10范圍內并沒有出現等電態,這主要由于投藥量少,沒有完全降低F電位.絮凝效果很好,是由于絮凝劑在水中發揮電性中和和壓縮雙電層的作用,并且由于粒子數目增多,碰撞次數增多,相對降低了對脫穩的要求.
2.3.3 硫酸鋁絮凝除濁作用及電泳特征
圖6為向濁度為10NTU的原水中投加2mg/L硫酸鋁后,凝聚微粒的F值和上清液剩余濁度在不同pH條件下的變化情況.可見凝聚微粒的F值隨pH的增大而減小,當pH<5時F值均為較高負值,所以不能產生凝聚.當pH=5.5時F值為-10mV,開始凝聚,pH為6左右時F值為-5.12mV,具有良好凝聚效果,此時發揮絮凝作用主要為高電荷低聚合度的電中和脫穩作用.在pH值7附近,F值上升為-10mV,發揮絮凝作用的鋁幾乎全是中性不溶解性的[Al(OH)3]]大型聚合體或低電荷高聚合度的物質,這時粘土粒子和鋁聚合體之間幾乎失去電排斥力,主要依靠OH-
離子的架橋,使粘土粒子和[Al(OH)3]]粘結生成大的絮凝體,產生良好的絮凝沉淀效果.隨pH的繼續增大,F值增大,當pH值超過8.5以后,絮凝效果降低,此時發揮絮凝效果的主要成分為負電荷鋁離子,這些陰離子成為Al(ó)的主要形態,架橋聚合態鋁離子也不足,濁度去除率也顯著降低.
從剩余濁度來看,當pH為6時上清液剩余濁度最低為0.5NTU以下.當pH<5.5或pH>8.5時基本上無絮凝效果,在5.5或pH>8.5時基本上無絮凝效果,在5.5
圖6?F電位以及剩余濁度與pH的關系
配水濁度為10NTU,水溫為20.5e,
?????? 硫酸鋁投加量2mg/L
2.3.4 幾種絮凝劑對水中TOC去除效果的對比影響
????? TOC去除率絮凝效果的因素有絮凝劑品種、絮凝劑投加量、混合水力條件、原水水質變化以及藥劑投加方式等.圖7示出3種絮凝劑對水中TOC去除效果的對比.從圖7中可知:同一種原水,不同絮凝劑對水中的TOC去除效果不同,在同樣加藥量的情況下聚合,氯化鋁好于硫酸鋁和三氯化鐵,同時也發現過量加入同等劑量的混凝劑,聚合氯化鋁對水中TOC的去除效果也明顯好于其他兩種混凝劑,并且隨著混凝劑投加量的增加,TOC去除率明顯增大,當聚合氯化鋁投加量為42mg/L(Al2O35mg/L)時,TOC去除率達到99%以上.
圖7?不同投加量條件下TOC的去除率對比
3?結?論
??????? (1)對一定濁度的水質,PAC、三氯化鐵和硫酸鋁3種絮凝劑都存在最佳投加量,分別為2mg/L(以Al2O3計)、8mg/L(以FeCl3計)和2mg/L(以Al2O3計).
(2)同一種絮凝劑在不同pH條件下,絮凝效果不一樣.PAC和三氯化鐵適應pH范圍基本相同,都比硫酸鋁范圍寬.從絮凝效果可見,pH>7時PAC優于三氯化鐵.
(3)絮凝劑投放在不同的pH水中所表現的形態對絮凝效果會產生影響.
(4)總體來看,PAC對濁度去除率最好,三氯化鐵次之,硫酸鋁最差.
(5)PAC對水中TOC的去除效果明顯好于三氯化鐵和硫酸鋁,并且隨著混凝劑投加量的增加,TOC去除率明顯增大.
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