張世紅， 張旭東， 劉志濱， 王 霖， 孫麗晶， 譚浩強(qiáng)，2， 徐廣志

(1.天津水務(wù)集團(tuán)有限公司，天津300042；2.臺(tái)州學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江臺(tái)州318000)

隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，飲用水安全也越來(lái)越受到重視。目前，天津市的主要水源是引江水和引灤水，混凝過(guò)程中針對(duì)原水水質(zhì)特點(diǎn)采取適合的混凝劑和投加量，是優(yōu)化工藝運(yùn)行參數(shù)、保證處理效果的關(guān)鍵。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與藥劑

Hach 2100N濁度儀、Malvern ZS90 納米粒度及Zeta電位分析儀、Hitachi F-7000熒光光譜儀、Malvern 2000激光粒度儀。

混凝劑：PAC、FeCl3。

1.2 試驗(yàn)方案

通過(guò)對(duì)比長(zhǎng)江水源與灤河水源的水質(zhì)特點(diǎn)，包括分子量分布、濁度變化、溶解性有機(jī)物的分布，選擇合適的混凝劑。

根據(jù)混凝后Zeta電位的變化趨勢(shì)，分析混凝機(jī)理。對(duì)不同的混凝工藝，采用馬爾文激光粒度儀進(jìn)行粒徑變化的研究，優(yōu)化凈水劑投加方案。

1.3 混凝試驗(yàn)流程

于攪拌杯中準(zhǔn)備1 L引江水源水，加入混凝劑。在快速混合階段，單獨(dú)投加混凝劑時(shí)，以200 r/min快速混合60 s?；旌贤都踊炷齽r(shí)，先投加其中1種，以200 r/min快速混合30 s，再加入另1種混凝劑，以200 r/min快速混合60 s。

在一級(jí)絮凝階段，以50 r/min分別絮凝5和7.5 min。在二級(jí)絮凝階段，以20 r/min分別絮凝5和7.5 min。

在絮體破碎階段，以200 r/min破碎5 min；絮體恢復(fù)階段，以40 r/min恢復(fù)10 min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水源水質(zhì)分析

2.1.1 分子量的分布

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江水源與灤河水源中有機(jī)物的分子量均在1～5 kDa，并分成3個(gè)主峰，但灤河水源對(duì)應(yīng)的主峰分子量含量是長(zhǎng)江水源的1.5～2倍。長(zhǎng)江水源的濁度明顯低于灤河水源，給絮凝階段帶來(lái)了一定的困難，如圖1、圖2所示。

圖1 灤河水源和長(zhǎng)江水源的分子量分布Fig.1 Distribution of molecular weight of source water from Luan River and Yangtze River

圖2 灤河水源與長(zhǎng)江水源的濁度變化Fig.2 Turbidity of source water from Luan River and Yangtze River

2.1.2 溶解性有機(jī)物分布比對(duì)

采用熒光光譜分析儀，對(duì)長(zhǎng)江水源和灤河水源進(jìn)行溶解性有機(jī)物的分析測(cè)定。對(duì)比圖3和圖4可以看出，在5個(gè)區(qū)域內(nèi)灤河水有機(jī)物的總量明顯高于長(zhǎng)江水源，灤河水以區(qū)域Ⅳ溶解性微生物代謝產(chǎn)物和區(qū)域Ⅴ腐殖酸類(lèi)物質(zhì)為主，而長(zhǎng)江水主要集中在區(qū)域Ⅴ腐殖酸類(lèi)物質(zhì)。

腐殖酸類(lèi)物質(zhì)是由動(dòng)物、植物殘?bào)w在微生物和地球化學(xué)作用下，分解和合成的一類(lèi)天然有機(jī)高分子聚合物。去除引江水中的腐殖酸，是減少消毒副產(chǎn)物生成、保證飲用水水質(zhì)安全的重要工作。

圖3 灤河水源溶解性有機(jī)物熒光分布Fig.3 Fluorescence distribution of soluble organic of water source from Luan River

圖4 長(zhǎng)江水源溶解性有機(jī)物熒光分布Fig.4 Fluorescence distribution of soluble organic of water source from Yangtze River

2.2 FeCl3與PAC的混凝機(jī)理

采用FeCl3和PAC作為混凝劑，對(duì)引江水源進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)，通過(guò)Zeta電位的變化趨勢(shì)分析其作用機(jī)理。FeCl3和PAC(以Al2O3計(jì))的投加量均為1，2，3，4，5和6 mg/L。

從圖5可以看出，在1～6 mg/L內(nèi)投加FeCl3，絮體的Zeta電位未見(jiàn)明顯增大。隨著投加量的增大，絮體明顯變大，沉降速度加快，這表明FeCl3混凝的主要作用機(jī)理不是電中和，而是卷掃網(wǎng)捕。

圖5 投加FeCl3與PAC 時(shí)Zeta電位的變化Fig.5 The change of Zata potential when doing FeCl3 and PAC

投加PAC時(shí)，Zeta電位由負(fù)逐漸上升到0，再到正電位，電中和發(fā)揮了主要作用。PAC的作用機(jī)理主要是其在混凝過(guò)程中形成的水解化合物帶有較高的正電荷，吸附水中帶負(fù)電荷的膠體粒子和其他顆粒物。投加PAC形成的絮體細(xì)小松散，沉降速度慢，其吸附架橋、卷掃網(wǎng)捕的能力較差。

2.3 絮體的粒徑分布

2.3.1 PAC混凝過(guò)程中的粒徑分布

改變PAC的投加量，在絮凝結(jié)束后增加剪切力，重新凝聚。從圖6可以看出，投加1 mg/L PAC，引江水源的粒徑變化很小，說(shuō)明該投加量不足以形成絮體。此時(shí)，Zeta電位為-11 mV，電中和作用剛開(kāi)始。投加量增大到3 mg/L，電中和作用所產(chǎn)生的絮體隨著絮凝時(shí)間的延長(zhǎng)，粒徑逐漸增大。當(dāng)投加量為6 mg/L時(shí)，絮體粒徑與3 mg/L投加量時(shí)相比，相同的混凝時(shí)間下明顯增大，混凝效果較好。說(shuō)明對(duì)于長(zhǎng)江水源，單獨(dú)投加PAC無(wú)法達(dá)到預(yù)期的混凝效果。

圖6 PAC不同投加量時(shí)絮體的粒徑變化Fig.6 The change of particle size of floc under different PAC dosages

給形成的絮體施加一個(gè)剪切力時(shí)，絮體迅速破碎，粒徑隨即變小，幾乎沒(méi)有緩沖時(shí)間。這說(shuō)明電中和作用形成的絮體極易在剪切力的作用下破碎，而且再絮凝的恢復(fù)能力較弱。當(dāng)投加量為6 mg/L時(shí)，其破碎因子為0.72，恢復(fù)因子僅為0.22，也證明了電中和作用下形成的絮體易破碎、難恢復(fù)的特性。

2.3.2 FeCl3混凝過(guò)程中的粒徑分布

低投加量時(shí)，隨著絮凝時(shí)間的延長(zhǎng)，投加FeCl3形成的絮體粒徑變化較小，如圖7所示。當(dāng)投加量增大到6 mg/L時(shí)，初始絮體生成緩慢。增加剪切力后，由于產(chǎn)生的絮體少而小，破碎現(xiàn)象并不明顯，絮體的碰撞幾率反而提高，到再絮凝階段，絮體粒徑持續(xù)增大。這說(shuō)明由于長(zhǎng)江水源濁度較小，初始階段FeCl3的卷掃網(wǎng)捕不能發(fā)揮有效的作用，絮體粒徑增加緩慢。當(dāng)絮體尺寸和數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，再提高混凝轉(zhuǎn)速，絮體粒子之間的碰撞幾率繼續(xù)增大，則卷掃網(wǎng)捕能力增強(qiáng)，粒徑逐漸變大。

因此，單獨(dú)使用FeCl3混凝劑時(shí)，對(duì)低濁水的絮凝效果不好，而一旦形成絮體，增加剪切力對(duì)其的破碎作用要小于使用PAC。但是，F(xiàn)eCl3需要較大的投加量才能形成穩(wěn)定的絮體，而且水體顏色較深，感官性狀差，不利于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。

圖7 FeCl3不同投加量時(shí)絮體的粒徑變化Fig.7 The change of particle size of floc under different FeCl3 dosages

因此，單獨(dú)投加FeCl3或PAC時(shí)的混凝作用機(jī)理比較單一。如果將2種混凝劑依次投加到原水中，電中和與卷掃網(wǎng)捕協(xié)同作用，混凝效果會(huì)優(yōu)于單一種類(lèi)的藥劑投加。

2.3.3 混合投加時(shí)的粒徑分布

在加入FeCl3后投加PAC，首先加入的FeCl3會(huì)將引江水源的pH值降低到7.5左右，處于PAC最適宜的pH值范圍內(nèi)。此后，PAC通過(guò)電中和凝聚帶負(fù)電荷的粒子，形成一定粒徑和數(shù)量的絮體。此后，F(xiàn)eCl3通過(guò)卷掃網(wǎng)捕繼續(xù)凝聚粒子，絮體逐漸增大。增加剪切力對(duì)絮體進(jìn)行破碎后再次絮凝，與單獨(dú)使用PAC時(shí)相比，絮體的恢復(fù)速度和粒徑大小都更好。因此混合投加FeCl3和PAC，能夠克服FeCl3投量低時(shí)不能有效形成絮體的缺點(diǎn)和PAC形成的絮體易破碎的不足。

將再次絮凝的時(shí)間由5 min延長(zhǎng)為7.5 min，優(yōu)化混凝程序后，不同F(xiàn)eCl3與PAC投加量下的絮體粒徑分布如圖8所示。可以看出，4 mg/L FeCl3+2 mg/L PAC投加量下，絮體粒徑增長(zhǎng)很好。繼續(xù)增大2種藥劑的投加量，粒徑并無(wú)明顯改善。因此考慮經(jīng)濟(jì)成本，對(duì)于引江水源，F(xiàn)eCl3投加量為4 mg/L，PAC投加量為2 mg/L時(shí)已滿足生產(chǎn)需要。

圖8 混合投加時(shí)絮體粒徑的變化Fig.8 The change of particle size of floc under multi-dosing

3 結(jié)論

① 引江水源的濁度明顯小于同時(shí)期的引灤水源，有機(jī)物分子量分布與引灤水源類(lèi)似。但引江水源中有機(jī)物的含量低，溶解性有機(jī)物以腐殖酸類(lèi)物質(zhì)為主。

② 單獨(dú)投加PAC混凝劑，投加量小時(shí)，電中和作用不明顯，提高投加量后形成的絮體易破碎。單獨(dú)投加FeCl3，投量少時(shí)，絮凝作用不明顯，而增大投加量會(huì)導(dǎo)致水體顏色加深，感官性狀不佳，且絮體松散。

③ 混合投加FeCl3和PAC時(shí)，既能發(fā)揮PAC的電中和作用，又能發(fā)揮FeCl3的卷掃網(wǎng)捕能力,且先投加FeCl3的混凝效果優(yōu)于先投加PAC。