低浊细泥悬浮液絮凝技术

Posted 2023-01-15 絮凝

篇首语：吾生也有涯,而知也无涯。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了低浊细泥悬浮液絮凝技术相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

去除一些工业废水以及城市生活污水中的低浊细泥悬浮物，一直是水处理界研究的重点之一。P. Ludwig等研究不同粒径的颗粒稳定性时发现，颗粒粒径越小，悬浮液越稳定，混凝处理难度越大。而水中含有黏土、蒙脱石等物质时，其在水中极易泥化，使表面电位变大，黏土颗粒之间始终为斥力而处于分散状态，导致悬浮液难沉降。加之低浊水中颗粒数量少，颗粒碰撞速率和几率都减少，从而全面影响混凝效果。这是低浊细泥悬浮液混凝处理困难的主要原因。在以往的研究与工业应用中，对于低浊细泥悬浮液的处理，一般采用无机药剂（如PAC、PFS），这主要是因为无机药剂在水中易于分散，适当的水力条件便能作用到颗粒表面，且获得满意的除浊效果。但它也存在缺陷，如形成的絮体细小，沉降速度缓慢，相应地所需沉降时间较长，影响了其总体处理效果，此外金属离子含量过高对微生物有毒害作用，因此有些废水的处理要限制使用无机药剂。

针对低浊细泥悬浮液混凝处理中存在的问题，笔者采用PAM作絮凝剂，并向悬浮液中投加一定量的PAM-絮体来强化处理低浊细泥悬浮液，通过多组试验研究PAM-絮体的强化效应。

1 试验材料与方法

1.1 试验药剂与仪器
聚丙烯酰胺（PAM，工业级，相对分子质量＞700 万），聚合氯化铝（PAC，Al2O3质量分数为30%，工业级），WJL-602激光粒度分析仪（上海精密科学仪器有限公司），ZR4－6型混凝搅拌机（深圳中润有限公司），WZS-180型浊度仪（上海雷磁仪器厂），D 10 mm×1 000 mm型玻璃圆柱。

1.2 试验用水
取河南陈四楼选煤厂浓缩池煤泥样，烘干、碾磨至0.045 mm（325目）以下，称取适量样品，用去离水充分浸泡并间歇搅拌后配制成一定浓度的煤泥水，用浊度仪进行测定，试验期间水温为20～23 ℃，水样pH为7～8。

1.3 试验方法
分别取1 L水样于混凝烧杯中，向烧杯中各自投加不同剂量的PAC和PAM，先快搅（400 r/min） 5 min，然后慢搅（100 r/min）10 min，测定不同沉降时间下的出水浊度和絮体平均沉降速度。根据不同投加量PAC和PAM对浊度的去除情况，比较二者的除浊效果及絮体平均沉降速度差异，同时确定各自最佳处理效果。再取相同量的水样，同时加入PAM-絮体（PAM絮凝形成的絮体）和PAM进行絮凝试验，考察PAM-絮体的絮凝效果，即PAM-絮体加入量、水力条件、药剂投加顺序以及水样浊度等因素对絮凝效果的影响，进而探讨PAM-絮体的絮凝去除机理，并确定不同浊度水样的最佳工艺参数。其中水力条件由搅拌转速和搅拌时间表示；出水浊度取沉后水面下2 cm 处的上清液用浊度仪测定；絮体平均沉降速度可取少量絮体置于内径10 mm、高度1 m的玻璃圆柱中，记录平均沉降时间，由水柱高度和平均沉降时间之比进行表示。

2 试验结果与讨论

2.1 PAC和PAM对比混凝试验
试验配水浊度为45 NTU，考察PAC、PAM不同投加量下对低浊细泥悬浮液的处理效果。结果表明，在一定投加量范围内，两种药剂的除浊效果有明显差异：投加PAC且沉淀10 min后的出水浊度要比投加PAM的低。随着投加量的增加，二者对浊度的去除率逐渐升高，当PAC投加量>60 mg/L时，其对浊度的去除率呈下降趋势，这是由于PAC投加量超过一定限度会使颗粒表面电性异号，反而影响出水水质；当PAM投加量>2 mg/L时，其对浊度的去除率增长缓慢，考虑成本因素也不宜过多投加。因此，PAM总体上的除浊效果都不如PAC，PAC最佳投加量为60 mg/L，此时出水浊度为11.82 NTU，浊度去除率为73.7%；PAM最佳投加量为2 mg/L时出水浊度为20.21 NTU，浊度去除率为55.09%。这可能是因为悬浮液中颗粒细小且浓度低，PAM不易扩散，吸附桥联难以与细颗粒充分接触作用，故处理效果没有PAC压缩双电层或吸附电中和作用好。

对比二者形成絮体的平均沉降速度可知，PAC-絮体（投加PAC形成的絮体）的平均沉速速度比 PAM-絮体慢，仅为0.45 cm/s，而PAM-絮体可达1.56 cm/s，是其3.4倍，且PAC出水浊度基本稳定所需沉降时间为10 min，而PAM只需3 min。造成两者差异的原因在于PAM絮凝架桥形成的絮体尺寸要比PAC压缩双电层形成的絮体尺寸大，使得PAM-絮体获得很好的沉降速度。

2.2 PAM-絮体和PAM联用的絮凝效果
通过2.1对比试验得出，向低浊细泥悬浮液投加PAM可使絮体的体积增大，平均沉降速度加快，从而缩短沉降时间，但PAM的除浊效果不如PAC好。为了保持PAM絮凝时的良好沉降性能，并提高其浊度去除率，试验采用加入PAM的同时投加PAM絮凝形成的絮体即PAM-絮体，以期利用PAM-絮体结构特性产生的吸附效应，提高原水浊度，增加颗粒碰撞几率，扩大粒径比，从而达到较好的絮凝处理效果。试验中PAM-絮体为0～200 mg/L，PAM为2 mg/L；药剂投加顺序为同时加入PAM-絮体和PAM，絮凝效果见图 1。

图 1 PAM-絮体不同投加量下的絮凝效果

由图 1可知，PAM-絮体与PAM联用时的絮凝效果比单独使用PAM的要好。随着PAM-絮体投加量的增加，浊度去除率增加，絮体平均沉降速度增大。这主要是因为多孔结构的PAM-絮体具有很强的吸附能力，能吸附和网捕水中悬浮的细小颗粒，形成结构更密实的絮体；同时PAM-絮体的加入增加了水中固体颗粒物的数量，使颗粒碰撞次数增多，形成絮体的几率加大，联合絮凝剂PAM的作用可进一步提高浊度去除率。此外加入PAM-絮体可扩大颗粒粒径比，Y. I. Chang等认为，悬浮液中颗粒粒径比越大，溶液越不稳定，混凝效果也越好。当PAM-絮体投加量为120 mg/L时处理效果最好，浊度去除率可由55.09%提高到78.56%（出水浊度仅为9.65 NTU），絮体平均沉降速度为2.57 cm/s，但当PAM-絮体投加量>120 mg/L，浊度去除率和絮体的平均沉降速度呈下降趋势。这是因为PAM -絮体投加量超过饱和用量时，过多的PAM-絮体不仅不能吸附水中颗粒，反而会把原吸附在絮体上的颗粒释放出来，此时出水浊度增加，絮体平均沉降速度减小。因此，试验中PAM-絮体的最佳投加量为120 mg/L。

与PAC处理低浊细泥悬浮液的处理效果对比可以看出，PAM-絮体与PAM联用产生的絮体平均沉降速度明显提高，浊度去除率达到甚至超过PAC的去除率。因此，通过PAM-絮体和PAM的联用可提高絮凝处理低浊细泥悬浮液的除浊率，缩短沉降时间，具有重要意义。

2.3 水力条件对PAM-絮体强化絮凝效果的影响
在PAM-絮体为120 mg/L、PAM为2 mg/L，同时加入PAM-絮体和PAM的条件下，分别采取以下4种水力条件：（1）先快搅（400 r/min）5 min，然后慢搅（100 r/min）10 min；（2）先快搅（300 r/min）5 min，然后慢搅（100 r/min）10 min；（3）先快搅（300 r/min） 3 min，然后慢搅（100 r/min）10 min；（4）先快搅（300 r/min）3 min，然后慢搅（100 r/min）7 min。考察水力条件对PAM-絮体强化PAM絮凝处理低浊细泥悬浮液的影响，试验结果见表 1。

由表 1可知，快搅速度对絮凝效果影响很大，300 r/min时的絮凝效果要比400 r/min的好。快速搅拌有两个目的，一是使PAM-絮体和PAM迅速分散并与水中颗粒物充分接触，故需要一定强度的搅拌速度；二是使投加的PAM-絮体保持适当的尺寸大小，避免彻底破碎而失效，所以又要求快搅速度不宜过大，搅拌时间不宜过长。水力条件（1）的处理效果最差，这是由于快搅速度过快、时间过长，导致投加的PAM-絮体破碎成小絮体，破坏了多孔结构，没有充分发挥其吸附特性与尺寸效应。慢搅时间为7 min的处理效果不如10 min，原因是慢搅时间过短，PAM-絮体及大絮体没有充分发挥网捕作用吸附水中细小颗粒，同时小絮体也来不及充分结合成大絮体。因此，最佳的水力条件应为先快搅（300 r/min）3 min，然后慢搅（100 r/min）10 min。

2.4 药剂投加顺序对PAM-絮体强化絮凝效果的影响
药剂投加量为PAM-絮体120 mg/L、PAM 2 mg/L，水力条件为先快搅（300 r/min）3 min，然后慢搅（100 r/min）10 min，分别采取以下3种药剂投加顺序：（1）同时投加PAM-絮体和PAM；（2）先投加PAM-絮体，然后再投加PAM，前后相隔30 s；（3）先投加PAM，然后再投加PAM-絮体，前后相隔30 s。考察药剂投加顺序对PAM-絮体强化PAM絮凝处理低浊细泥悬浮液的影响，试验结果见表 2。

由表 2可以看出，后投加PAM-絮体的絮凝效果要好于其他两种投加顺序，浊度去除率提高约5%以上，絮体平均沉降速度也有所提高。先向水样中投加PAM-絮体，较长时间的快搅使PAM-絮体很容易破碎，无法充分发挥其强化效应；而先投加PAM，水中悬浮物和胶体颗粒在PAM的作用下大部分形成较大絮体，剩余难絮凝的细颗粒将被之后投加的PAM-絮体吸附或网捕，进一步降低出水浊度。因此，先投加PAM再投加PAM-絮体为最佳投药顺序。

2.5 不同浊度悬浮液的PAM-絮体投加量
配制不同浊度的低浊细泥悬浮液，药剂投加量为PAM-絮体120 mg/L、PAM 2 mg/L，投药顺序为先投加PAM再投加PAM-絮体；水力条件为先快搅（300 r/min）3 min，然后慢搅（100 r/min）10 min。确定不同浊度悬浮液的最佳PAM-絮体投加量，试验结果见表 3。

由表 3可知，随着悬浮液浊度的增加，PAM-絮体的最佳投加量相应减小，对于浊度为45～206 NTU的悬浮液，投加70～120 mg/L的PAM-絮体，浊度去除率和絮体平均沉降速度基本保持稳定。这表明对于一定低浊度范围内的细泥悬浮液，投加适量的PAM-絮体，即使药剂用量不变也能获得很好的除浊效果和絮体沉降速度，具有减少药剂用量、节省成本的意义。

3 结论
（1）投加PAM-絮体对PAM絮凝处理低浊细泥悬浮液具有强化作用，不仅能缩短絮凝和沉降时间，更重要的是能显著提高浊度去除率；此外PAM-絮体是PAM絮凝处理的剩余产物，不增加额外药剂成本，投加PAM-絮体还能减少PAM的用量，经济效益明显。。

（2）PAM-絮体是多孔结构，能吸附或网捕水中细小的悬浮物和胶体颗粒；其较大的尺寸扩大了悬浮液中颗粒粒径比，能降低溶液稳定性，使之更容易发生絮凝；投加PAM-絮体还能增加水中颗粒物浓度，提高颗粒碰撞几率，因此投加适量的PAM-絮体可显著提高PAM的絮凝效果。

（3）PAM-絮体与PAM联用处理低浊细泥悬浮液的效果比投加PAC时的效果好，对于浊度为45 NTU的水样，最佳药剂用量为PAM-絮体120 mg/L、PAM 2 mg/L，先快搅（300 r/min）3 min，然后慢搅（100 r/min）10 min，先投加PAM，然后再投加PAM-絮体。在上述最佳工艺条件下，浊度去除率从55.09%提高到88.35%，絮体平均沉降速度从1.56 cm/s提高到3.05 cm/s。针对不同浊度的低浊细泥悬浮液，投加相应用量的PAM-絮体都可获得良好的处理效果。因此，PAM-絮体强化絮凝技术在低浊细泥悬浮液处理中具有广阔的应用前景。