凈水混凝劑比選優化試驗研究

陳卓然， 張怡然， 趙 宇

(1.天津科技大學海洋與環境學院，天津300457；2.天津泰達水業有限公司，天津300457；3.天津泰達津聯自來水有限公司，天津300457)

水處理過程中的混凝效果決定了后續工藝的持續運行、出水水質和水廠的運行成本[1]。若混凝效果不佳，沉淀池出水濁度較高，容易阻塞濾池，增加后續過濾單元的處理難度，進而影響水廠的穩定運行[2]。目前水廠普遍使用的凈水藥劑多為無機混凝劑，但使用鋁鹽混凝劑可能使濾后水殘余鋁離子增加，導致飲用水安全問題，鐵鹽混凝劑則存在腐蝕性強和出水色度偏高的問題[3]，選擇合適、高效的混凝劑對保證水廠出水穩定達標至關重要。筆者通過開展混凝小試，進行凈水混凝劑的比選優化，以期為水廠實際生產和工藝優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 原水水質

試驗所在水廠采用“原水—預臭氧化—混凝—脈沖澄清—過濾—消毒”工藝[4]。試驗用水為水廠預氧化出水，與實際生產中的混凝用水保持一致，其水質見表1。

表1 試驗用水水質Tab.1 Quality of experiment water

1.2 試驗方法

所有混凝小試均在六聯攪拌機上進行，模擬水廠實際生產過程設置攪拌程序，具體設定參數和操作條件如表2所示。

表2 混凝小試攪拌程序Tab.2 Program set for the bench-scale coagulation experiment

試驗中所采用的混凝劑包括三氯化鐵(FeCl3)、聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鐵(PFS)和聚合氯化鋁鐵(PAFC)，取樣檢測分析混凝沉淀后上清液。水廠目前采用FeCl3和PAC復合投加的方式，試驗中投藥量和不同藥劑復合投加比例的設計，充分考慮了水廠實際生產工藝和出水水質要求，且為了防止水樣變化和藥劑變質，在取樣后盡快開展混凝小試。

1.3 分析項目與方法

濁度：分光光度法，HACH 2100N 型濁度儀；pH：玻璃電極法，Mettler Toledo 320 型 pH 計；溫度：JM222L型便攜式數字溫度計。

2 結果與分析

2.1 FeCl3和PFS復合PAC的混凝效果

試驗原水的溫度為16.0～16.4 ℃、pH值為8.81～8.97、濁度為10.7～12.3 NTU，進行重復試驗。單獨投加FeCl3和PFS，投加量分別為35或40 mg/L均可使出水濁度明顯降低，混凝絮體沉降情況相似，但FeCl3的混凝效果優于PFS，濁度去除率約為95%，礬花形成和沉降的速度更快。

對比可知，在總投藥量相同的條件下，復合投加15 mg/L FeCl3+20 mg/L PAC即可實現更好的混凝效果，20 min后余濁小于0.5 NTU。復合投加PFS和PAC可強化單獨投加PFS的混凝效果，使出水濁度由2.7 NTU左右降低至約0.5 NTU，如表3所示。

表3 單獨投加FeCl3和PFS以及復合PAC的混凝結果Tab.3 Coagulation results of dosing FeCl3 and PFS alone and combined with PAC

進一步調整PFS投加量復合PAC進行混凝試驗，結果如圖1所示。濁度去除率隨著投藥量的增大而升高，但需要加量投加2種藥劑且總投藥量為65 mg/L時才能達到與水廠現用藥劑(15 mg/L FeCl3+20 mg/L PAC)接近的出水濁度。增大PFS投加量對進一步提高濁度去除率的效果不明顯，且在工藝段大量投加藥劑也會增大后續水處理難度，不符合生產的實際要求和經濟原則。

2.2 PAFC的混凝效果

PAFC是通過鋁鹽和鐵鹽復合共聚形成新型結構的無機復合型高分子絮凝劑，集合了鋁鹽和鐵鹽的優點，依據協同增效原理，能改善混凝性能[5]。試驗期間處于低溫低濁期，原水濁度為1.97～2.83 NTU，溫度為3.2～4.1 ℃，pH值為8.35～8.41，水質情況較好。PAFC在混凝小試過程中形成的礬花體積較大，沉降速度較快。

圖1 PFS和PAC復合投加對濁度的去除效果Fig.1 Removal effect of turbidity by combined dosing PFS and PAC

由圖2可以看出，當PAFC投加量分別為20，30，40和50 mg/L時，對濁度的去除率隨著投加量增大先上升后下降，在40 mg/L時達到最大去除率72%。復合投加10 mg/L FeCl3+20 mg/L PAFC時，濁度去除率達到74%，優于單獨使用PAFC，并且降低了總投藥量。

同時，在試驗原水中加入15 mg/L FeCl3+15 mg/L PAC進行對照試驗，結果表明同等水力條件下，總投藥量30 mg/L即可達到82%的濁度去除率，綜合考慮去除效果和投藥量認為PAFC并不適合水廠使用。

圖2 PAFC對濁度的去除效果Fig.2 Removal effect of turbidity by PAFC

2.3 不同廠家FeCl3和PAC的比選優化

2.3.1 PAC對比試驗結果

水廠目前正在使用的2種鋁系混凝劑記為PAC1(Al2O3%11.5，鹽基度75.7%)、PAC2(Al2O3%11.5，鹽基度75.2%)，新藥劑(不同廠家生產)記為PAC3(Al2O3% 10.5，鹽基度70.5%)。模擬生產復合投加水廠現用FeCl3進行試驗，結果如表4所示。

表4 現用/新PAC藥劑混凝效果對比試驗Tab.4 Comparison test results of coagulation effect of existing PAC/new PAC

根據生產現用投加量設計投藥比例，原水濁度為10.4 NTU時(試驗I)的結果顯示，投加等量FeCl3和PAC，PAC3的聯合混凝效果略優。投加20 mg/L PAC3復合15 mg/L FeCl3的濁度去除率最好，形成的絮體粗大，沉降速度快。

試驗Ⅱ(原水濁度為10.4 NTU)、試驗Ⅲ(原水濁度為7.91 NTU)的結果表明，單獨投加PAC時，水廠目前使用的藥劑略優于新藥劑，聯合投加10 mg/L FeCl3+20 mg/L PAC以及2種藥劑投加量均為15 mg/L時，都可達到96%以上的濁度去除率，表現較好的混凝效果。這說明在現有水質條件下，少量投加PAC和FeCl3也可實現較低的出水濁度，保證供水安全。在實際生產中可以適當減少混凝劑投藥量，降低運行成本。

2.3.2 同時使用新FeCl3和新PAC對比試驗結果

水廠正在使用的藥劑記為PAC現(Al2O3% 10.2，鹽基度79.8%)、FeCl3現(Fe3+13.89%，Fe2+0.08%)，新廠家藥劑記為PAC新(Al2O3%11.1，鹽基度61.5%)、FeCl3新(Fe3+14.11%，Fe2+0.01%)，試驗結果如表5所示。

表5 現用/新FeCl3和PAC藥劑的混凝效果Tab.5 Coagulation effect of dosing current/new FeCl3 and PAC

試驗Ⅰ(原水濁度為8.12 NTU)使用20 mg/L FeCl3現+15 mg/L PAC現，達到最佳濁度去除率。單獨改變PAC藥劑時，聯合混凝形成的絮體最大，沉降速度最快，濁度去除率為95.7%。進一步驗證FeCl3和PAC新藥劑的混凝效果可知，原水濁度為8.51 NTU(試驗Ⅱ)時，聯合投加2種新藥劑的混凝效果整體良好，濁度去除率均可達95%，總投藥量為25 mg/L時的出水濁度在0.42 NTU，投藥量增加至40 mg/L可進一步降低出水濁度至0.25 NTU。

單獨投加2種藥劑時，PAC的除濁效果優于FeCl3，試驗III中嘗試投加少量FeCl3和較多PAC藥劑，發現原水濁度為7.90 NTU時，在總投藥量相同條件下，較多量PAC可使濁度進一步降低，去除率達97%，聯合投加采用鋁多鐵少的方式混凝效果更佳。

此外，嘗試投加5 mg/L FeCl3+10 mg/LPAC 時出水濁度為0.70 NTU，投加10 mg/L FeCl3+10 mg/L PAC時出水濁度為0.46 NTU，也可滿足水廠出水指標要求。實際生產中可以考慮降低混凝劑投加量，2種新藥劑的混凝效果優良，可以作為水廠備選混凝劑使用。

3 結論

① 適當增大混凝藥劑投加量可以提高濁度去除率，復合投加鐵、鋁藥劑可以加強單獨投加某類藥劑的混凝效果。PFS和PAFC的除濁效果不佳，總體上不及復合投加FeCl3和PAC，不建議水廠在實際生產中使用。

② 藥劑的選擇和使用要綜合考慮混凝效果、出廠水水質要求和經濟成本，對比分析水廠現用FeCl3、PAC和新藥劑的使用情況，以便及時對生產運行進行調整。如果減少同類藥劑投藥量能達到同等除濁效果，可將新藥劑應用于生產或作為生產備用藥劑。

③ 原水濁度為8～10 NTU時，各類混凝劑配合使用均可取得較好的濁度去除效果，但冬季低溫低濁期的混凝效果反而不理想，需要進一步進行試驗研究。