膨润土在低温低浊高有机物水处理中的应用研究

Posted 2023-01-12 用量

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在我国广大东北地区的水源大约3～4个月处于冰封期，这时水体处于低温低浊的状态，加之冬天这些地区补给水量小，引起水体中较高有机物含量，出现了东北冬季的低温低浊高有机物原水水质的特征。在水处理工艺中，低温低浊高有机物水仍旧是个难以解决的问题。利用膨润土的物理、化学性能，向水中投加膨润土，通过大量实验，确定最佳混凝剂、助凝剂及膨润土的投加量。有效解决了低温低浊高有机物水处理的难题。
文章编号：1005-2992(2011)05/06-0142-05
对于低温低浊较高有机物原水，也出现了一些新技术，有气浮、泥渣回流、微絮凝、磁力分离的技术。但对于已经运行生产的老厂使用这类技术并不合适，所以就要选择对混凝过程强化的技术，采用适合低温低浊状态的混凝剂，高效的助凝剂，适当增加投加物是根本。膨润土的应用无处不在，资源很丰富，价格低廉，可以充分利用本地资源。在整个混凝过程之前投加膨润土作为添加物，可以提高原水浊度，增强了絮体的絮凝核心，同时吸附水中的有机物降低水的色度。
1.膨润土处理低温低浊较高有机物水的机理。
1.1膨润土的性质
1.1.1膨润土的结构特征
膨润土的晶体结构是两层Si—O四面体片(图1-1)中间夹一层Al—O八面体片(图1-2)的夹心结构的层状硅酸盐。

分子间力维系了硅氧四面体与铝氧八面体的单元层，致使结构十分疏松。在外力或极性水分子的吸收下，层间存在相对运动后发生膨胀或分离。Mg2+、Fe2+、Zn2+等多种可以置换Al—O八面体片的Al3+，置换率为20～30%。膨润土存在吸附阳离子和极性有机分子的性质。
1.1.2膨润土的物理化学性质
(1)吸水膨胀性：膨润土具有吸湿性，吸附的水体积是自身体积的8～15倍。
(2)分散悬浮性：膨润土在水中的情况是胶体分散，膨润土的外形是犹如粉末的细微粒子，单位晶层彼此可轻松分离，水分子轻松进入两个晶层内部。膨润土完全水化完在水溶液中以溶胶状态悬浮着。
(3)黏结性：膨润土在水介质中的分散度好，只要不是在特殊环境中，膨润土颗粒可以稳定的聚集在一起，使粒子絮凝时凝聚强度良好。
(4)低价阳离子能够同晶置换在晶胞组织里的Si4+和Al3+，引发单位晶层的电荷失去平衡产生多余的负电荷，使膨润土晶胞变成一个带大量负电荷的离子。最常见的可交换阳离子是Na+、Ca2+。所以，依照所含的可交换阳离子的类别和分量，划分为Na-膨润土和Ca-膨润土两大类。
(5)热稳定性：有一定的热稳定性。受到高温影响时仍有一定的阳离子交换能力和膨胀性。膨润土在标准温度时与碱、氧化剂、还原剂都不产生反应，化学稳定性特别出色。
(6)无毒性：膨润土对人、动物、植物没有毒害和腐蚀作用，对人的表皮组织、神经、呼吸系统没有伤害。
1.2膨润土处理低温低浊较高有机物水的机理
1.2.1除浊机理
膨润土的投加主要增加低温低浊水的悬浮物含量，增加絮凝核心。强化絮凝效果，使之形成的絮凝体密度及体积较大，易于沉降。
1.2.2去出有机物的机理
(1)交换吸附：能以共价键结合也能以离子键结合。氢基膨润土的-H与CH2N2结合成-Si-OCH3是共价结合，钠基膨润土与有机铵盐反应，Na+被交换产生R-NH3-膨润土复合物。
(2)物理吸附：膨润土吸附极性有机分子交换膨润土晶格层间所吸附的水成为有机溶剂化膜，原理等同于膨润土吸附极性水分子生成水化膜，膨润土阳离子交换性在这样的有机吸附时不会改变，通常极性水分子被极性有机分子交换是可逆的。
2.实验方案、器材及装置
2.1实验方案
实验采用辉发河水以及几种定向有机物水进行混凝沉淀处理实验，吉林磐石某冶金企业水厂一直以镍矿旁的辉发河河水为供水水源，每年12月～第二年3月初为河水低温低浊期，浊度变化大、色度高、碱度低、黏度大。

2.2实验装置
混凝搅拌试验使用CNC可编程步进电机控制器六联搅拌仪；COD值测定使用回流冷凝装置和COD-572型化学需氧量测定仪；浊度测定使用WZS-180型低浊度仪。
2.3实验材料
实验用膨润土为400目钠基膨润土。实验用混凝剂和助凝剂分别为聚合硫酸铁(PFS)和聚丙烯酰胺(PAM)。
2.4实验检测方法
浊度与COD检测方法采用国家现行标准方法
3.实验内容
3.1膨润土投加量的确定
取一系列原水，加不同剂量的膨润土，采用适合膨润土的搅拌方法，比较浊度和COD值，找出最佳的膨润土加入量。维持水温在0℃左右，进行试验。

由表2可知，在原水中投加40～50mg的膨润土，提高原水的浊度，对COD去除量是最多的，加入的量过少膨润土还没有发挥其吸附能力；加入过量会出现水质变浑，增加去除浑液面的困难，对COD值的去除没有更好效果。所以，确定膨润土量为40～50mg，分别在40mg和50mg进行混凝试验，确定膨润土与混凝剂和助凝剂的最佳配比投加量。
3.2膨润土投加量分别为40mg/L和50mg/L升时PFS和PAM的加入量确定
(1)分别取多份1L原水水样，在加入40mg膨润土时加入PFS的用量0.1mL开始，逐渐增加PFS用量至2.5mL。在低温状态混凝效果不明显，同时平行进行PFS加0.1mLPAM的试验，观察两种情况的混凝除浊和除COD的效果。混凝过程温度维持在0℃左右，原水浊度为15.2NTU，COD值为56.6mg/L。

由图3可知，膨润土加入量为40mg，PFS用量为1.0mL时，处理后水浊度为6.6NTU，COD值为23.4mg/L，这时能明显看到去除效果。同时加0.1mLPAM时，浊度为5.3NTU，COD值为22.8mg/L。在有PAM助凝剂时，浊度和COD值都有明显变化，说明此水质在处理时不但需要PFS还需要PAM同时进行混凝试验。
(2)分别取多份1L水样，加入50mg膨润土时加PFS从用量0.1mL开始，逐渐增加至2.5mL。同时进行PFS加0.1mLPAM，观察两种情况的混凝除浊和除COD的效果。混凝过程中温度维持在0℃左右，浊度为13.7NTU，COD值为49mg/L。
由图4可知，膨润土加入量为50mg，PFS用量为0.8mL时，处理水浊度为6.8NTU，COD值为22.3mg/L，能明显看到去除效果。同时加PFS和0.1mLPAM，浊度为5.8NTU，COD值为20.9mg/L。在有PAM助凝剂的辅助下，浊度和COD值都有明显的变化，说明此水质在处理时还需要PAM同时进行混凝试验。这时的沉淀效果明显增强，形成的矾花密度大，沉降速度快，上层清液水质清澈。随着PFS量增加，浊度逐渐增加，沉降性差，COD去除也基本不变，增加PFS量过多，对试验没有意义。
3.3不加膨润土，PFS和PAM混凝实验
(1)在不加膨润土，PFS用量为1.8mL时，膨润土加入量40mg，PFS用量为1.0mL时和膨润土加入量50mg，PFS用量为0.8mL时，在这三种情况下，取一系列1L水样，加PAM用量从0.1mL逐渐增加至1.0mL。观察三种情况的混凝除浊和除COD效果。混凝过程温度维持在0℃左右。

由图5可知，在不加膨润土PFS用量1.8mL，PAM用量为0.4mL时，浊度4.5NTU，COD值为22.0mg/L；在膨润土加入40mg，PFS用量为1.0mL，PAM用量为0.2mL时，浊度3.3NTU，COD值为21.2mg/L；膨润土加入50mg，PFS用量为0.8mL，PAM用量为0.3mL时，浊度3.9NTU，COD值为21.8mg/L。在这三种情况，形成的矾花密度最大，沉降速度最快，上层清液水质清澈，处理效果好。
3.4温度对混凝试验的影响
取一系列1L原水水样，分别在0℃和10℃时，在原水中加入40mg膨润土，加入不同剂量的PFS，同时加0.1mLPAM方便观察结果。
水温10℃，PFS用量0.5mL时，浊度为5.3NTU，COD为22.1mg/L，水温0℃，PFS用量1.0mL，浊度为5.5NTU，COD为22.8mg/L。在同样水质、相同药剂量和试验步骤时，0℃的加药量远大于10℃的药量。温度升高时对混凝结果有很大影响，因此在试验过程中，要严格控制水温和混凝时的温度。此试验为模拟水样的混凝试验，提供维持低温试验的依据，以确保试验准确性。
3.5特定有机污染物混凝实验
3.5.1苯的混凝试验
由图7可知，在膨润土加入量为30mg，PFS用量为1.2mL时，再加PAM助凝剂时，COD去除率为62.0%。浊度和COD值的去除率有明显增加。

4.结论
在本课题研究与试验过程中，针对低温低浊较高有机物水的处理工艺进行探讨。主要是在混凝沉淀过程中，在原来投加PFS、PAM混凝过程中，投加钠基膨润土原土，提高对浊度和COD值的去除效果。低温低浊较高有机物水样，浊度去除率和COD的去除率随着PFS用量的增加而逐渐增大，达到最优值后，继续增加投加量，浊度去除率会明显下降，COD的去除率也会有所下降。在加入膨润土和PFS的条件下，不同有机物的低温低浊水样，浊度去除率和COD的去除率随着PAM用量的增加而逐渐增大，达到最优值后，浊度去除率和COD的去除率会明显下降。实践证明，在低温低浊较高有机物水处理应用中，钠基膨润土作用明显，对工业用水的处理效果较理想，可降低混凝剂和助凝剂的投加用量，制水成本低，投加方式简单易行。