张友宏，陈萌萌，王 郑，仲米贵，黄 雷，薛 侨，韩庭苇

（南京林业大学土木工程学院，江苏 南京 210037）

环保与三废利用

聚合氯化铝对高浊度水源水的絮凝效果及机理研究

张友宏，陈萌萌，王 郑，仲米贵，黄 雷，薛 侨，韩庭苇

（南京林业大学土木工程学院，江苏 南京 210037）

本研究以聚合氯化铝（PAC）为絮凝剂处理高浊度水源水。以超纯水配高岭土为水样，水样浊度为200NTU。考察了PAC投加量、水样pH值、搅拌速度和自由沉降时间对絮凝出水浊度的影响。结果表明，pH为强碱性，PAC浓度为30mg·L-1，搅拌速度200 r·min-1，自由沉降时间30min时，絮凝效果最佳。

高浊度水源水；聚合氯化铝；絮凝效果；机理研究

高浊度水源水是指水中含有高浓度泥沙和细颗粒的水体，如我国的黄河水系、长江上游和辽河水系等[1]。其水质特点之一为浊度高，悬浮物质粒度小，颗粒比重不均匀，难以采用生物处理技术处理。高浊度水的自然沉淀，由于絮凝体小、结构松散、密度较低等原因，泥沙的自然沉淀速度很小，一般在0.05mm·s-1以下。如此小的自沉速度，在实际净化过程中效率很低，而随着原水含沙量增加到一定数值后便产生浑液面，同时沉速进一步变小。因此对于高浊度水来说，单纯靠自然沉淀不能满足生产要求。运行实践表明，欲使高浊度水泥沙沉速增大，必须人工投入一定数量的絮凝剂，实现絮凝沉淀[2]。针对高浊度水源水，普通絮凝剂难以保障出厂水水质。出水水质浊度高时不仅会使饮用者感到不快，而且细菌、病毒及其它有害物质往往会附着于形成浊度的悬浮物中，影响细菌和病毒的测定，促进细菌的生长繁殖，同时会削弱消毒剂对微生物的灭杀效果，增加需氯量[3]。

目前国内外对高浊度水大多采用强化常规工艺、预处理工艺和深度处理工艺[4]。从净化机理上，常用物理吸附法、生物分解法、化学氧化法和膜分离法等[5]。其中，沉淀预处理+常规工艺（混凝、沉淀、过滤、消毒）是应用的重点[6]。传统的絮凝剂如硫酸铝等无机絮凝剂，用量大，易产生大量的污泥，且絮凝效果不佳。聚丙烯酰胺等有机高分子絮凝剂，絮凝效果较好，但价格昂贵，大大增加了水处理的成本[7]。

聚合氯化铝（PAC）又称碱式氯化铝，可以用通式Aln(OH)mCl3n-m表示，是一种具有代表性的无机高分子絮凝剂（IPF）[8]。较之硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁等絮凝剂，聚合氯化铝具有用量少、效率高、絮体大、沉降快和净水性能好等优点[9]。除此之外，PAC含有更高的正电荷，能够更有效地中和水源水中带负电的胶体颗粒，引起更多的胶体失稳，对水源水浊度和有机物的去除效果更好[10-12]。本研究在前人研究的基础上，尝试采用聚合氯化铝（PAC）来处理高浊度源水，探寻PAC对高浊度源水浊度去除效果的最佳条件。

1 实验

1.1 实验仪器与试剂

JJ-4A六联搅拌器，TG328-A分析天平，MERCK MILLIPOREAquelix 5实验室纯水机，2100AN型浊度仪，PD320型pH计，GZX-9140MBE电热鼓风干燥箱。

聚合氯化铝：AR，棕黄色粉末，盐基度45%～96%，pH（1%水溶液）：3.5～5.0。

高岭土（白色粉末）。

实验期间，水源水平均浊度为200NTU，pH为7.3±0.1，水温为28±1℃。

1.2 实验方法

考虑到在絮凝过程中，絮体尺寸逐渐增大，粒径变化可从微米级增到毫米级，变化幅度达几个数量级，由于大的絮体容易破碎，故自絮凝开始至絮凝结束，搅拌强度应逐渐减小[13]。

据此设计实验，在6个1L烧杯中分别加入1000mL搅匀水源水，源水200NTU左右。向水样中加入一定量的絮凝剂后，调节pH，然后将烧杯置于六联搅拌器上，搅拌程序为：快速（100～300r·min-1）搅拌2min，慢速（50r·min-1）搅拌10min，静置30min，然后取上清液测定NTU，实验在室温下进行。

2 结果与讨论

2.1 单独投加PAC对絮凝效果的影响

对于200NTU、pH为7.3的源水，经过数次预实验发现，取5个大烧杯各加入1000mL源水，直接投加PAC至 50mg·L-1、100mg·L-1、150mg·L-1、200mg·L-1、250mg·L-1，经过快速（100 r～300r·min-1）搅拌2min，慢速（50r·min-1）搅拌10min，静置30min，然后取上清液测定NTU，NTU并无显著降低。故先将源水pH在试验前统一调至12。

取 10个 PAC浓 度（10mg·L-1、20mg·L-1、30mg·L-1、40mg·L-1、50mg·L-1、60mg·L-1、70mg·L-1、80mg·L-1、90mg·L-1、100mg·L-1）进行实验，实验工况的快速搅拌速度采用200r·min-1，实验结果见图1。

图1 单独投加PAC对浊度的去除效果

从图1可看出，在pH为12的情况下，随PAC投加量的增加，絮凝后出水的剩余浊度逐渐降低，浊度去除率迅速增长后稳定在99%。在PAC投加量从10mg·L-1增加至30mg·L-1阶段，絮凝后出水浊度迅速降低，从10mg·L-1的182NTU降至30mg·L-1的25.8NTU，去除率相应地从10mg·L-1的9%升高至30mg·L-1的87.1%。而继续增加PAC投加量至60mg·L-1阶段，絮凝后出水的剩余浊度缓慢降低，从30mg·L-1的25.8NTU降至60mg·L-1的3.05NTU，去除率相应地从30mg·L-1的87.1%升高至60mg·L-1的96.05%。此时，继续增加PAC投加量至100mg·L-1，絮凝后出水浊度基本保持不变。由于本实验是针对高浊度源水的初步处理，在PAC投加量为50mg·L-1时，出水剩余浊度7.9NTU已经降至10NTU以下，浊度去除率也达到91.75%，此时继续增加PAC投加量，处理效果增加并不明显，故选取50mg·L-1为PAC最佳投加量。

2.2 pH对絮凝效果的影响

pH值是影响絮凝效果的重要因素之一。pH值对胶体颗粒表面的电荷（Zeta电位）、絮凝剂的性质和作用以及絮凝作用本身都有很大的影响，它会改变絮凝剂聚合物的带电状态及中和电荷的能力，同时改变被絮凝物的颗粒表面性质，从而影响絮凝能力[14]。

实验固定PAC用量为50mg·L-1，实验工况的快速搅拌速度采用200r·min-1，研究水样初始pH值对絮凝效果的影响。用HCl和NaOH溶液调节水样pH，研究pH=4～12对絮凝效果的影响，结果见图2。

图2 pH值对浊度的去除效果

从图2可看出，水样初始pH在4～10时，出水浊度基本在190NTU左右，没有效果，与源水水样相比，降低的10NTU为静置30min后的结果。当水样初始pH达到10～11时，出水浊度迅速降低。为使实验更加精细，特意多取了pH=10.3、10.7、11.3、11.6这4组值进行附加实验。很明显，在pH=10.3时，出水剩余浊度为189NTU，絮凝剂没有效果；而当pH=11时，出水剩余浊度为4.36NTU，出水浊度迅速降低，效果十分明显，此时去除率为97.82%。而当pH从11增长到11.3、11.6、12时，出水剩余浊度基本稳定在10NTU以内。从中我们不难发现，在强碱性的水环境中，PAC才能够对高浊度水发挥其较好的絮凝作用，且在此范围内，pH对其性能的影响很小，但弱碱性、中性、酸性水环境则会抑制PAC的性能，使其无法发挥絮凝作用。pH过高会造成药剂浪费，pH过低则无法发挥PAC的絮凝作用，因此，确定水样最佳初始pH为11。

2.3 在最佳pH下考察PAC投加量对絮凝效果的影响

由于此前PAC的相对最佳投加量是在预设pH=12的条件下进行实验所得到的，而在进行完上述pH对絮凝效果的影响实验后，发现水样最佳初始pH=11，故在此对先前实验进行修正。

取5个1000mL大烧杯，分别加入200NTU的高浊度源水1000mL，将水样pH调至11。PAC投加量依次为10、20、30、40、50mg·L-1，实验工况的快速搅拌速度采用200r·min-1，考察PAC投加量对絮凝效果的影响，结果见图3。

图3 pH为11时PAC投加量对浊度的去除效果

从图3可看出，PAC投加量从10mg·L-1增加到20mg·L-1时，剩余浊度迅速从105NTU下降至13.5NTU，而当PAC投加量从20mg·L-1增加到50mg·L-1时，剩余浊度缓慢降低至4～5NTU。考虑到对高浊度源水的处理，出水浊度控制在10NTU以下较好，同时考虑到节省药剂的原则，在初始水样pH=11的情况下，最佳PAC投加量取30mg·L-1。

2.4 搅拌速度对絮凝效果的影响

在初始水样pH为11，PAC投加量为30mg·L-1的情况下，考察搅拌速度对絮凝效果的影响，结果见图4。

图4 搅拌速度对浊度的去除效果

从图4可看出，在实验研究的5个快速搅拌转速下，剩余浊度是逐渐降低的，但降低幅度有限，从9.72NTU降至4.88NTU，相对应的去除率则是从95.14%提高至97.56%。在实验过程中发现，在开始时转速越小絮体越大越明显，但随着实验的进行，静置时间的推移，转速越大，沉淀越明显，水体越清澈。虽然搅拌速度越快，出水剩余浊度越低，但是变化差异并不大，剩余浊度均在10NTU以下，去除率均达到95%以上。考虑到泵的配备与能源损耗，此实验搅拌速度折中采用200r·min-1较为合适。

2.5 自由沉降时间絮凝效果的影响

经过处理后的高浊度源水中会含有大量絮体，在重力作用下，粒径较大的絮体会自然沉降，水样浊度明显降低，但是粒径较小的则会悬浮在水中难以沉降下来，水体依然呈浑浊状态。取200NTU高浊度源水1000mL，初始水样pH为11，PAC投加量为30mg·L-1，在经过快速（200r·min-1）搅拌2min，慢速（50r·min-1）搅拌10min后，静置自由沉降，每隔5min测定1次上清液浊度，考察沉降时间对浊度去除效果的影响，结果见图5。

从图5可看出，随着自由沉降时间的延长，其上清液浊度不断降低，在前25min内降低幅度较大，但25min以后浊度减小幅度较小，尤其是在30min以后浊度去除率达到96%以上。故实验水样最后静置自由沉降时间取30min。

3 结论

实验研究了不同参数条件下，PAC对高浊度源水的浊度去除效果，得出了以下结论：

图5 自由沉降时间对浊度的去除效果

1）当pH≥11时，能有效发挥PAC对高浊度源水的絮凝效果，且随PAC投加量的增加，浊度去除率有显著提升，PAC处理高浊度源水的最佳投加量为30mg·L-1，pH为11。

2）随着搅拌速度的增加，絮体越来越多，但粒径相对变小，水体越清澈，但总体效果差异不大。

3）根据pH从4增加至12的絮凝出水浊度，得出本絮凝过程适宜的pH范围是强碱性水样。

4）随着自由沉降时间的延长，出水浊度显著下降，前后视觉效果较为明显，一般在30min左右最为适宜。

[1] CJJ 40-2011，高浊度水给水设计规范[S].

[2] 魏肖克，孙迎雪.关于高浊度水预沉处理技术的实践与再认识[J].兰州交通大学学报，2000，19(3)：83-85.

[3] 宿程远，张建昆，李思敏.生物砂滤去除微污染水源水浊度特性与机理研究[J].工业用水与废水，2008，39(2)：55-55.

[4] 李喜林，刘玲，周新华，等.高锰酸钾与沸石联用处理低温低浊微污染水源水实验研究[J].非金属矿，2013(3)：66-68.

[5] 戴之菏.受污染高浊度水净化新技术[J].给水排水，2001，27(3)：2-7.

[6] 李喜林，刘玲，江富，等.高锰酸钾和混凝剂联用处理微污染水源水试验[J].辽宁工程技术大学学报，2013(3)：349-352.

[7] 邵红，肖宏康，李辉，等.壳聚糖负载膨润土处理高浊度废水的效果[J].生态环境学报，2009，18(5)：1698-1702.

[8] Korth A, Fiebiger C, Bornmann K, et al. NOM increase in drinking water reservoirs - Relevance for drinking water production[J]. Water Science & Technology Water Supply, 2004(4): 55-60.

[9] 王卫红，同意楠.水处理絮凝剂的研究现状[J].油气田地面工程，2005，24(5)：63.

[10] Yan M, Wang D, Yu J, et al. Enhanced coagulation with polyaluminum chlorides: role of pH/alkalinity and speciation [J]. Chemosphere, 2008, 71(9): 1665-1673.

[11] Wang J, Guan J, Santiwong S R, et al. Characterization of floc size and structure under different monomer and polymer coagulants on microfiltration membrane fouling[J]. Journal of Membrane Science, 2008, 321(2): 132-138.

[12] Yi X U, Sun W, Wang D S, et al. Coagulation of micropolluted Pearl River water with IPF-PACls [J]. Journal of Environmental Sciences, 2004, 16(4): 585-588.

[13] 严煦世，范瑾初. 给水工程(第4版)[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[14] 徐晓军.化学絮凝剂作用原理[M].北京：科学出版社，2005.

Flocculation Effect of Polyaluminium Chloride to High Turbidity Source Water and its Mechanism Study

ZHANG Youhong, CHEN Mengmeng, WANG Zheng, ZHONG Migui, HUANG Lei, XUE Qiao, HAN Tingwei
(School of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

In this study, polyaluminium chloride (PAC) was used as focculant in high turbidity source water treatment. The kaolin and ultrapure water was used in preparation of water samples, the experiment water turbidity was 200NTU. The effects of PAC dosage, water pH, stirring speed and free settling time on the effect of focculation effuent turbidity were investigated. The results showed that the focculation effciency was the best when the pH value was strong alkaline, the concentration of PAC was 30mg/L, the stirring speed was 200 r/min and the free settling time was 30min.

high turbidity source water; polyaluminum chloride; focculation effect; mechanism study

X 703

A

1671 -9905(2016)12 -0039-04

住房和城乡建设部科学技术项目计划资助项目（2016-K4-65)；江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）；江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（2015-146）；南京林业大学大学生创新训练计划项目（2016-173）

王郑（1978-），男，博士，副教授，从事水处理理论与技术方面的研究。电话：13951687455，E-mail: wangzheng@ njfu.edu.cn

2016-10-18