高浊度矿井水处理中混凝剂投加方式研究

Posted 2023-01-12 水处理

篇首语：少年负壮志，奋烈自有时。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了高浊度矿井水处理中混凝剂投加方式研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

针对高浊度矿井水胶粒含量大、粒径小、体积质量小等水质特点，开展了混凝剂聚合氯化铝(PAC)与聚丙烯酰胺(PAM)不同投加方式的混凝试验研究，考察了混凝剂各投加方式下的最佳剂量及处理效果，并对PAC与PAM最佳投加间隔时间进行分析。结果表明，原水浊度为2450NTU，采用先投加0.5mg/L浓度PAM，后投加100mg/L浓度PAC及0.4mg/L浓度PAM的混凝剂投加方式，出水浊度取得最低值4.6NTU，总药剂成本最低。PAC与PAM不同投加间隔时间中，PAM的投加点滞后于PAC投加点120s时混凝效果最佳。
间隔时间对混凝出水的影响进行研究，为高浊度矿井水在混凝处理过程中，混凝剂的合理利用提供技术参考。
1.试验仪器与方法
试验所用矿井水取自某煤矿矿井水处理站总进水口，矿井水原水水质指标如下：浊度2450～2670NTU，CODcr为208～252mg/L，悬浮物浓度为1328～1570mg/L，pH值为8.90～9.18。
试验所用仪器为ZR4-6型智能混凝试验搅拌器，1900C型便携式浊度计。试验所用试剂为聚合氯化铝(PAC)，工业级，有效铝含量30%；阴离子聚丙烯酰胺(PAM)，工业级，有效分子量460万。
将混凝剂PAC与PAM划分成单独投加PAM、单独投加PAC、先投加PAC后投加PAM、先投加PAM后投加PAC及先投加PAM后投加PAC和PAM五种混凝剂投加方式，分别以一定的搅拌转速及时间安排混凝试验，沉淀15min后取上清液进行3次浊度测定，并取平均值[14-15]。试验中投加PAC的搅拌转速及时间安排如下：以300r/min快速混合30s，100r/min快速搅拌2min，70r/min中速搅拌4min，40r/min慢速搅拌6min。试验中投加PAM，以40r/min慢速搅拌5min。
2.试验结果与分析
2.1单独投加PAM的脱浊效果
以0.1mg/L等分依次投加PAM溶液，结果如图1所示。由图1可知，当PAM投加量在低于0.5mg/L时，浊度去除率变化较为明显，此后随着PAM投加量的增加，上清液浊度虽继续下降，但幅度已变得很小。试验中PAM投加量达到0.8mg/L时，上清液浊度取得最低值254NTU，此后上清液浊度呈上升趋势。这是因为阴离子电性的PAM在与矿井水中的胶粒絮凝时，主要作用并非通过电性中和来完成，而是起着一种桥连作用。当PAM投加量逐渐提高时，胶粒表面被PAM大分子所饱和，胶粒表面的吸附空位越来越少，PAM桥连作用逐渐减弱，胶粒间因高分子的阻碍很难再次接近而产生聚集，胶粒重新处于稳定分散状态。单独投加PAM脱浊能力有限，但控制其投加量为0.5mg/L可以取得较好的预处理效果。

2.2单独投加PAC的脱浊效果
以100mg/L等分依次投加PAC溶液，结果如图2所示。由图2可知，当PAC投加量小于200mg/L时，上清液浊度下降较快，水中的胶粒与PAC充分混合，絮凝反应随PAC投加量的增加逐渐变得完善；继续增加PAC投加量至350mg/L，上清液浊度取得最低值10.4NTU，去除率的变化趋势趋于平稳。这是因为原水中投加的PAC量已接近发生凝聚的临界浓度，水中的AL3+水合作用逐渐增强，吸附作用逐渐减弱。此后再继续增加PAC投加量，上清液浊度无显著变化，反有上升趋势，分析认为是PAC投加量太高而发生再稳现象，使水质呈现乳浊色，水质开始恶化。单独投加PAC的脱浊效果有限，最低只能将原水浊度降至10.4NTU，但优于单独投加PAM的脱浊效果。

2.3 先投加PAC后投加PAM的脱浊效果
先投加PAC后投加PAM是矿井水混凝处理常见的混凝剂投加方式。将PAC以50mg/L等分依次加入试验水样，快速混合后，依次交叉投加0.25、0.50、0.75、1.00mg/L的PAM溶液，结果如图3所示。由图3可知，PAC与PAM投加量分别为200和0.25mg/L时，试验出水浊度为6.8NTU，优于单独投加PAC或PAM的脱浊效果，且总药剂使用成本得到降低。继续增加PAC与PAM投加量，出水上清液浊度虽进一步降低，但变化不是很明显。试验中PAC投加量为150mg/L时，上清液浊度出现明显拐点值，此后随着PAC与PAM投加量的增大，浊度始终呈下降趋势，与单独使用PAC脱浊的情况不同，这是因为：先利用PAC的吸附电中和作用，可将水中胶体表面电荷中和到一定程度，使得胶体的ξ电位降低，增加了胶粒间的碰撞概率，再加入PAM可进一步提高胶粒吸附架桥和网捕卷扫作用，使被部分中和的胶粒迅速凝聚成大的絮体。因此，采用PAC与PAM联合投加的方法不会产生胶体再稳现象，并且联合投加后生成的絮体大而密实。

试验发现，随着PAM投加量的提高，出水浊度在开始时随着PAM投加量的增加逐渐降低，当PAC投加量超过150mg/L时，PAM投加量对出水浊度的影响不再明显，这是因为水中胶体颗粒表面被过量投加的PAM水解分子覆盖后，高分子间因相互排斥使胶体颗粒之间难以接近，不能形成聚集作用，从而发生胶粒保护现象。因此，PAM投加量并不是一次投加，投加量越多越好，而是应采取分批次投加的方式，尽量降低高分子间的相互排斥作用。
2.4 先投加PAM后投加PAC的脱浊效果
先进行单独投加0.5mg/L浓度PAM的试验，重复收集10cm以上上清液后，测得上清液混合后的浊度为513NTU，再以50mg/L等分依次投加PAC溶液，结果如图4所示。由图4可知，试验水样在PAC投加量为200mg/L时取得出水浊度为8.2NTU的效果，不及先投加PAC后投加PAM的脱浊效果好，但优于单独投加PAC取得的脱浊效果。

2.5 先投加PAM后投加PAC和PAM的脱浊效果
先进行单独投加PAM试验，重复收集10cm以上上清液后，测定上清液混合后的浊度，再依次交叉投加PAC与PAM，PAC、PAM分别按50、0.1mg/L等分依次增加，结果如图5所示。由图5可知，原水投加0.5mg/L的PAM溶液后，当PAC、PAM投加量分别超过100、0.3mg/L时，试验出水浊度均取得了小于10NTU的脱浊效果，且随着PAC投加量的提高，脱浊效果越发明显。与图3中采用PAC投加200mg/L，PAM投加0.25mg/L投加方式相比，只需PAC投加100mg/L，PAM投加0.9mg/L(PAM初始投加0.5mg/L，后续投加0.4mg/L)就能取得4.6NTU的脱浊效果，PAC的投加量节约了50%，总药剂成本得到有效降低。

试验发现，PAC投加量为50mg/L，PAM投加量超过0.2mg/L时，上清液出水浊度呈上升趋势，此后随着PAC投加量的提高，这种趋势越来越弱。这是因为当PAC和PAM投加一定量时，水中胶粒表面电荷被PAC的吸附电中和，以及PAM的桥连共同作用达到某种平衡，再继续增加PAM投加量，PAM会因自身电性及高分子量的作用吸附掉一部分PAC和胶粒，使水中部分胶粒因分散而混凝不彻底，出水浊度升高。采用先投加PAM再投加PAC和PAM混凝剂投加方式，所取得的脱浊效果优于其他4种混凝剂投加方式，这是因为通过PAM溶液的分批次投加降低了后段试验进水浊度；同时后段试验中PAM投加量的减少，减轻了混凝过程中高分子间相互排斥作用，缓解了胶粒保护现象的产生。
2.6 PAC与PAM投加间隔时间对浊度的影响
将PAC溶液投入原水水样中，快速混合后，分别间隔0、30、60、90、120、150s后投入PAM溶液，结果如图6所示。

由图6可知，投加PAC后，不同的PAM投加点对出水浊度有明显影响，尤其在PAC投加量较低的情况下。试验得出PAM的投加点滞后PAC投加点120s时混凝效果最佳，这说明PAC投入水中经过120s的混合絮凝后，方能使水中的胶粒彻底完成电性中和特性吸附作用，然后经阴离子电性的PAM桥连作用，加速了絮体的沉淀。当PAM投加点与PAC投加点之间间隔少于120s时，带负电性的PAM凭借其较高的分子量优势吸附或置换出一部分胶粒形成胶粒保护，影响混凝效果和出水水质。
3.结论
针对高浊度矿井水的水质特征，在混凝剂PAC与PAM组成的5种混凝剂投加方式中，单独投加PAM所获得的脱浊效果最差，但采取先投加PAM进行预处理，再投加PAC和PAM的混凝剂投加方式，所取得的脱浊效果最好。原水先投加0.5mg/L浓度的PAM进行预处理后，再投加100mg/L的PAC与0.4mg/L的PAM，出水浊度取得最低值4.6NTU，并且PAC用量比先投加PAC后投加PAM的混凝剂投加方式节省了50%，总药剂成本得到有效降低。不同PAM投加点对高浊度矿井水絮凝过程中的脱浊效果影响显著，PAM的投加点滞后于PAC投加点120s时，混凝效果最佳。