關(guān)于凈水劑絮凝劑的定義目前有兩種解釋：其一，是根據(jù)膠體粒子聚集過程的不同階段，即膠粒表面改性（靜電中和）及膠粒的粘連，將主要是膠粒表面改性或由于壓縮雙電層而產(chǎn)生脫穩(wěn)作用的藥品稱為凝聚劑；而將主要使脫穩(wěn)后的膠粒通過粒間搭橋和卷掃作用粘結(jié)在一起的稱為絮凝劑。其二，把凝聚劑和絮凝劑兩者當(dāng)作同義語，不加區(qū)分互相通用。
河南晶科水處理材料有限公司生產(chǎn)的凈水劑聚合氯化鋁絮凝劑在印染、紡織、造紙方面的性能研究
實(shí)驗(yàn)部分
1.1 儀器與試劑
儀器：MY3000-6A-2混凝試驗(yàn)攪拌儀 潛江市梅宇儀器有限公司
722-s可見光柵分光光度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司
pHS-3C精密pH計(jì) 上海雷磁儀器廠
調(diào)節(jié)式萬用電爐 通州市化學(xué)儀器有限公司
BS 210 S分析天平
500mL全玻璃回流裝置。
試劑：98%的濃硫酸，硫酸銀，硫酸鋁，硅藻土,蒸餾水,重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)液(CK2Cr2O7=0.25mol/L)試亞鐵靈指示液,硫酸亞鐵胺標(biāo)準(zhǔn)液[C(NH4)2Fe(SO4)2≈0.1mol]:
藥品：固體聚合氯化鋁，固體聚合氯化鐵，固體聚合硫酸鐵鋁，固體聚合氯化鋁鐵，均由××市××××有限公司提供。
本文研究的固體聚合氯化鋁絮凝劑，為淡黃色固體，其氧化鋁（Al2O3）的含量≥27.0%，鹽基度在45.0%～85.0%之間，水不溶物的含量≤3.0%，1%水溶液的pH值在3.5～5.0之間。
以上所用藥品均為分析純級(jí)別。
印染廢水水樣由××市××印染廠提供。
1.2 分析內(nèi)容與方法
1.2.1 分析內(nèi)容
1.2.1.1 研究聚合氯化鋁對(duì)印染廢水的絮凝效果，找出最佳加入量與最佳pH值，并討論它們對(duì)聚合氯化鋁絮凝效果的影響。
1.2.1.2 探討攪拌強(qiáng)度、攪拌時(shí)間、沉降時(shí)間對(duì)聚合氯化鋁絮凝效果的影響。
1.2.1.3 比較聚合氯化鋁和硫酸鋁對(duì)印染廢水的絮凝效果。
1.2.1.4 比較聚合氯化鋁對(duì)不同廢水的絮凝效果。
1.2.1.5 比較聚合氯化鋁、聚合氯化鐵、聚合硫酸鐵鋁、聚合氯化鋁鐵對(duì)印染廢水的絮凝效果。
1.2.1.6 通過試驗(yàn)，列表作圖對(duì)比結(jié)果，得出論文結(jié)論。
1.2.2 分析方法
表1 分析方法
|
項(xiàng)目
|
CODCr
|
pH
|
濁度
|
|
測定方法
|
重鉻酸鉀法
|
玻璃電極法
|
分光光度法
|
濁度—吸光度線性回歸標(biāo)準(zhǔn)曲線：
濁度 = 吸光度*384.3941-13.0627，r= 0.9930
1.3 印染廢水水質(zhì)分析
顏色：藍(lán)紫色；pH：7.86；CODCr：415.7mg/L；濁度：436.2 NTU
2 結(jié)果與討論
2.1 PAC加入量對(duì)CODCr、濁度去除率的影響
分別量取六份200mL水樣于干凈的燒杯中，各加入0.025、0.05、0.075、0.1、0.125、0.15g PAC絮凝劑，先以150r/min的攪拌強(qiáng)度作用1min,然后以50r/min的攪拌強(qiáng)度作用10min,在沉降20min的條件下，取上層清液，考察PAC加入量對(duì)CODCr、濁度去除率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2、圖2、圖3所示。
表3 PAC聚合氯化鋁加入量對(duì)CODCr、濁度去除率的影響
|
PAC加入量（mg/L）
|
處理后水質(zhì)
|
CODCr去除率
(%)
|
濁度去除率
(%)
|
|
CODCr (mg/L)
|
濁度
|
|
125
|
242.9
|
320.7
|
41.56
|
26.48
|
|
250
|
188.8
|
211.7
|
54.59
|
51.46
|
|
375
|
148.1
|
111.1
|
64.37
|
74.53
|
|
500
|
126.5
|
79.7
|
69.58
|
81.73
|
|
625
|
137.7
|
98.5
|
66.87
|
77.41
|
|
750
|
172.0
|
142.6
|
58.62
|
67.32
|
通過以上圖表可知，PAC絮凝劑的加入量對(duì)該水樣的pH影響不大，其加入量應(yīng)在400～600mg/L之間。此時(shí)，PAC絮凝劑對(duì)CODCr、濁度都有很好的處理效果。若加入量較少，則不能很好地使膠體脫穩(wěn)，不足以將膠粒架橋聯(lián)接起來，導(dǎo)致形成的絮體不夠多、大，不能起到很好的吸附卷掃作用，絮凝效果不夠理想。若偏多，則會(huì)使膠粒的吸附面均被無機(jī)PAC高分子覆蓋，兩膠粒接近時(shí)，就受到高分子之間的相互排斥而不能聚集，產(chǎn)生“膠體保護(hù)”作用，使絮凝效果下降，甚至重新穩(wěn)定，即“再穩(wěn)”[8]。在實(shí)驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)，PAC對(duì)印染廢水的脫色效果也很明顯。原水樣的顏色為藍(lán)紫色，加入PAC后，顏色明顯變淺，至最佳絮凝效果時(shí)，基本上呈透明色。而由以上曲線可以看出，峰值出現(xiàn)在PAC加入量為500mg/L時(shí)。此時(shí)，效果最佳，CODCr去除率達(dá)69.58%，濁度去除率達(dá)81.73%。
故確定PAC的最佳加入量為500mg/L。
2.2 pH值對(duì)CODCr、濁度去除率的影響
分別量取六份200mL水樣于干凈的燒杯中，將各水樣的pH值分別調(diào)節(jié)至5、6、7、8、9、10，然后各加入0.1g PAC絮凝劑，先以150r/min的攪拌強(qiáng)度作用1min,然后以50r/min的攪拌強(qiáng)度作用10min,在沉降20min的條件下，取上層清液，考察在最佳用量的情況下，不同pH值對(duì)CODCr、濁度去除率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3、圖4、圖5所示。
表3 pH值對(duì)CODCr、濁度去除率的影響
一般來講，在絮凝反應(yīng)中，pH值的影響是非常大的，它對(duì)膠體表面電荷的Zeta(ζ)電位，混凝劑的性質(zhì)和作用等都有很大的影響。不同的混凝劑都有其最佳的混凝區(qū)域。pH值調(diào)整的恰當(dāng)，就可以節(jié)約大量的藥劑，降低成本，并且能夠使絮凝作用發(fā)揮得完全，絮凝效果好；反之，pH值選擇不恰當(dāng)，輕者影響混凝效果，重者不能形成絮凝沉淀，甚至使已形成的絮凝體重新變成膠體溶液[9]。
而由資料得知[3]，PAC的水解聚合形態(tài)強(qiáng)烈地依附于水體的pH值。在低pH值時(shí)，PAC的水解形態(tài)為單體形式，在中性范圍內(nèi)為多核水解產(chǎn)物Al7(OH)174+、Al6(OH)153+,高pH值時(shí)為Al(OH)3、Al(OH)4-。
通過以上圖表可知，在中性與弱堿條件下，PAC絮凝劑對(duì)CODCr、濁度的處理效果受影響的程度不大，仍有著較高的去除率。而且，在實(shí)驗(yàn)過程中，pH值對(duì)PAC的脫色效果影響也不大。其中，CODCr去除率達(dá)到72.63%，濁度去除率達(dá)到87.14%。
確定PAC的最佳絮凝pH為8。
3.3 攪拌強(qiáng)度、攪拌時(shí)間對(duì)CODCr、濁度去除率的影響
分別量取四份200mL水樣于干凈燒杯中，調(diào)節(jié)溶液PH值到8，再加入0.1g PAC絮凝劑。分別以50r/min、100r/min、150r/min、200r/min轉(zhuǎn)速攪拌10min，靜置沉降20min,取上層清液，考察攪拌強(qiáng)度對(duì)CODCr、濁度去除率的影響。結(jié)果如表4所示。
表4 攪拌強(qiáng)度對(duì)CODCr、濁度去除率的影響
|
攪拌強(qiáng)度(r/min)
|
處理后水質(zhì)
|
COD去除率(%)
|
濁度去除率(%)
|
|
CODCr (mg/L) 濁 度
|
|
50
|
135.3
|
88.6
|
67.45
|
79.69
|
|
100
|
121.1
|
63.8
|
70.85
|
85.37
|
|
150
|
113.8
|
56.1
|
72.63
|
87.14
|
|
200
|
152.6
|
108.5
|
63.28
|
75.13
|
通過實(shí)驗(yàn)得知，對(duì)于該水樣，攪拌強(qiáng)度對(duì)PAC聚合氯化鋁的絮凝效果一定的影響，但不是很大。當(dāng)攪拌強(qiáng)度較小時(shí)，CODCr的去除率僅比最優(yōu)絮凝條件下低5%，濁度去除率低8%左右；當(dāng)攪拌強(qiáng)度較大時(shí)，CODCr、濁度去除率最差，分別只為63.28%、75.13%。由此，我們可以看出，當(dāng)攪拌強(qiáng)度過小時(shí)，不利于絮凝劑與顆粒物的充分接觸；當(dāng)攪拌強(qiáng)度過大時(shí)，則容易將大顆粒的固體攪碎變成小顆粒，將能夠沉淀的顆粒攪碎變成不能沉淀的顆粒，同樣降低了絮凝效果。
接著，我們討論攪拌時(shí)間對(duì)CODCr、濁度去除率的影響。取三份水樣，調(diào)節(jié)溶液pH值到8，再加入0.1g/200mL PAC絮凝劑，以150r/min分別攪拌2min、10min、20min,靜置沉降20min,取上層清液，考察攪拌時(shí)間對(duì)CODCr、濁度去除率的影響。結(jié)果如表5所示。
表5 攪拌時(shí)間對(duì)CODCr、濁度去除率的影響
|
攪拌時(shí)間(min)
|
處理后水質(zhì)
|
COD去除率(%)
|
濁度去除率(%)
|
|
CODCr (mg/L) 濁 度
|
|
2
|
155.6
|
112.5
|
62.58
|
74.21
|
|
10
|
113.8
|
56.1
|
72.63
|
87.14
|
|
20
|
133.8
|
83.3
|
67.81
|
80.91
|
由表5可以看出，攪拌時(shí)間對(duì)PAC的絮凝效果也有影響。攪拌2min時(shí)，絮凝劑與水樣中顆粒物作用不夠充分，不利于捕集膠體顆粒，而且絮凝劑的濃度分布也不均勻，更不利于發(fā)揮絮凝劑的作用[10]。此時(shí)，CODCr、濁度去除率比最佳絮凝條件下低10%、13%之多。攪拌時(shí)間過長，又容易將已經(jīng)形成的絮狀物攪碎，使其懸浮于水中，導(dǎo)致絮凝效果下降，此時(shí)CODCr、濁度去除率僅達(dá)67.81%、80.91%。
本文確定最佳攪拌強(qiáng)度為150r/min，最佳攪拌時(shí)間為10min。
3.4 沉降時(shí)間對(duì)CODCr、濁度去除率的影響
分別量取三份200mL水樣于干凈燒杯中，調(diào)節(jié)溶液pH值到8，再加入0.1g PAC絮凝劑，以150r/min的攪拌速度作用10min。第一個(gè)燒杯靜置10min后,取上層清液，測CODCr、濁度等指標(biāo)；第二個(gè)靜置20min后，測各項(xiàng)指標(biāo)；第三個(gè)靜置30min后，測各項(xiàng)指標(biāo)。以此考察沉降時(shí)間對(duì)CODCr、濁度去除率的影響。結(jié)果如表6所示。
表6 沉降時(shí)間對(duì)CODCr、濁度去除率的影響
|
沉降時(shí)間(min)
|
處理后水質(zhì)
|
COD去除率(%)
|
濁度去除率(%)
|
|
CODCr (mg/L) 濁 度
|
|
10
|
123.3
|
66.6
|
70.35
|
84.73
|
|
20
|
113.8
|
56.1
|
72.63
|
87.14
|
|
30
|
115.1
|
57.5
|
72.30
|
86.81
|
由表可知，在最佳PAC加入量、pH值、攪拌強(qiáng)度、攪拌時(shí)間的情況下，隨著沉降時(shí)間的增加，CODCr、濁度去除率都有所提高，幅度約為2%～3%。但10 min后即趨于平穩(wěn)，CODCr、濁度去除率幾乎達(dá)到恒定。可知，沉降時(shí)間對(duì)PAC絮凝效果的影響不大。確定最佳沉降時(shí)間為20min。
3.5 PAC、AS絮凝效果的對(duì)比實(shí)驗(yàn)
硫酸鋁（AS）又稱明礬，是給水處理中較為常用的一種絮凝劑。無水硫酸鋁為無色結(jié)晶，易溶于水。含水硫酸鋁可帶有6、10、16、18、27個(gè)結(jié)晶分子，常溫下十八水合物較為穩(wěn)定，為無色粉狀或粉末晶體。本實(shí)驗(yàn)采用白色粒狀A(yù)l2(SO4)3•18H2O結(jié)晶體[3]。
3.5.1 AS最佳絮凝條件的確定及其與PAC絮凝效果的對(duì)比
按照PAC實(shí)驗(yàn)的步驟，進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)。我們得出AS的最佳加入量為1500 mg/L,最佳絮凝pH值為8。在此最佳絮凝效果的情況下，AS對(duì)印染廢水的處理效果達(dá)到：CODCr去除率達(dá)68.74%，濁度去除率達(dá)81.32%。與PAC絮凝效果進(jìn)行對(duì)比，得表7。
表7 PAC、AS最佳絮凝條件及絮凝效果的對(duì)比
|
絮凝劑
|
加入量
(mg./L)
|
處理后水質(zhì)
|
COD去除率(%)
|
濁度去除率(%)
|
|
CODCr (mg/L) 濁 度
|
|
PAC
|
500
|
113.8
|
56.1
|
72.63
|
87.14
|
|
AS
|
1500
|
129.9
|
81.5
|
68.74
|
81.32
|
通過對(duì)比，我們可以看出，當(dāng)AS的加入量為PAC加入量的三倍左右時(shí)，才可能達(dá)到與PAC相當(dāng)?shù)男跄Ч�，即CODCr去除率達(dá)70%，濁度去除率達(dá)80%以上。
而且,在實(shí)驗(yàn)過程中,我們發(fā)現(xiàn)它們所形成的絮體也有所不同：加入PAC后,形成絮體的速度快,絮體大而嚴(yán)實(shí)；加入AS后，形成絮體的速度慢，絮體不大，而且較為蓬松，過量投加后易使膠體產(chǎn)生再穩(wěn)定現(xiàn)象，絮凝效果明顯下降。
3.5.2 相同試驗(yàn)條件下PAC、AS絮凝效果的對(duì)比
分別取兩份200mL水樣于干凈的燒杯中，各加入0.1g PAC、AS絮凝劑，以150r/min的攪拌速度作用10min,靜置沉降20min，取上層清液，測定CODCr、濁度，計(jì)算去除率。結(jié)果如表8所示。
表8 同等條件下PAC、AS絮凝效果的對(duì)比
|
絮凝劑
|
處理后水質(zhì)
|
COD去除率(%)
|
濁度去除率(%)
|
|
CODCr (mg/L) 濁 度
|
|
PAC
|
113.8
|
56.1
|
72.63
|
87.14
|
|
AS
|
206.4
|
148.7
|
50.34
|
65.91
|
通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，我們可以看出，當(dāng)加入量相同且為PAC最佳加入量時(shí)，AS難以達(dá)到與PAC相同的絮凝效果，對(duì)CODCr的去除率只有PAC的70%左右，濁度去除率也不高。
根據(jù)Amirtharajah的理論，硫酸鋁對(duì)水中膠體顆粒物的絮凝過程分為吸附脫穩(wěn)、沉淀型絮凝、吸附沉淀混合區(qū)和再穩(wěn)定區(qū)等四個(gè)區(qū)域。當(dāng)投加量較少時(shí)，鋁鹽的帶正電的水解產(chǎn)物吸附在帶負(fù)電的膠體表面，部分或全部中和膠體顆粒表面電荷，使膠體脫穩(wěn)并相互碰撞粘結(jié)生長為大顆粒的絮凝過程。當(dāng)投加量較多時(shí)，鋁鹽的各種水解產(chǎn)物包裹在水中膠體顆粒物表面，并通過這些水解物種連接膠體顆粒物形成較大的絮體，在絮體的沉降過程中卷掃水中其他膠體顆粒物后共同沉淀，即沉淀型絮凝[3]。
本文認(rèn)為，當(dāng)AS加入量為500mg/L時(shí)，AS的絮凝作用主要以吸附脫穩(wěn)為主，使大部分膠體得到脫穩(wěn)。脫穩(wěn)后的膠體由于相互碰撞而得到聚合、絮凝。這也是AS加入量只有PAC加入量的三分之一，而能達(dá)到一定絮凝效果的原因。
3.6 PAC對(duì)不同廢水絮凝效果的對(duì)比
參照同組成員的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比PAC對(duì)不同廢水的絮凝效果，得表9。
表9 PAC對(duì)生活污水、造紙廢水、印染廢水絮凝效果的對(duì)比
| 水 樣 |
處理前水質(zhì)
|
處理后水質(zhì)
|
CODCr 去 除 率
（%）
|
濁 度
去除率（%）
|
|
pH
|
CODCr
(mg/L)
|
濁 度
|
CODCr
(mg/L)
|
濁 度
|
| 生活廢水 |
8.73
|
198.5
|
262.5
|
20.5
|
16.4
|
89.67
|
93.74
|
| 造紙廢水 |
7.58
|
1083.3
|
312.2
|
235.5
|
130.8
|
78.26
|
58.11
|
| 印染廢水 |
7.86
|
415.7
|
436.2
|
113.8
|
56.1
|
72.63
|
87.14
|
通過對(duì)比，我們可以看出，PAC對(duì)原水的處理效果較好。其中，CODCr去除率較高，都達(dá)到了70%以上；對(duì)于濁度的處理也有一定的效果，對(duì)生活污水、印染廢水的去除率均達(dá)到85%以上。這可以從水樣的性質(zhì)中得到解釋。生活污水、印染廢水的CODCr、濁度主要來自于水體中有色懸浮物的貢獻(xiàn)。當(dāng)加入PAC后，對(duì)廢水中的懸浮物起到了很好的絮凝、沉降、去除作用，從而使得廢水的CODCr、濁度得到大幅度的降低，也就反映出較好的絮凝效果、較高的去除率。
由于造紙廢水的處理難度較大，而且含有大量的化學(xué)藥品及其它雜質(zhì)，如堿法制漿產(chǎn)生的廢水pH值很高，形成的CODCr主要附和的堿木素量大，懸浮物的含量高，可生化性差，導(dǎo)致PAC對(duì)造紙廢水的絮凝效果不夠理想，CODCr去除率為78.26%，濁度去除率只達(dá)到60%左右，需進(jìn)一步處理。
3.7 PAC、PFC、PAFS、PAFC絮凝效果的對(duì)比
分別量取三份200mL印染水樣于干凈燒杯中，調(diào)節(jié)溶液pH值到8，分別加入0.1g PAC、PFS、PAFS絮凝劑，以 150r/min轉(zhuǎn)速攪拌10min，靜置沉降20min,取上層清液，測定CODCr、濁度。所得結(jié)果如表10所示。
表10 PAC、PFC、PAFS、PAFC對(duì)印染廢水絮凝效果的對(duì)比
|
絮凝劑
|
處理后水質(zhì)
|
COD去除率(%)
|
濁度去除率(%)
|
|
CODCr (mg/L) 濁 度
|
|
PAC
|
113.8
|
56.1
|
72.63
|
87.14
|
|
PFC
|
122.5
|
68.6
|
70.52
|
84.27
|
|
PAFS
|
52.3
|
29.8
|
87.43
|
93.16
|
|
PAFC
|
70.4
|
40.7
|
83.06
|
90.68
|
通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，我們可以看出，單一型鋁、鐵高分子絮凝劑在對(duì)印染廢水的處理效果相當(dāng)，具體表現(xiàn)在對(duì)CODCr、濁度的去除率相差無幾。而復(fù)合型絮凝劑則表現(xiàn)出了更為良好的絮凝效果，CODCr、濁度的去除率分別達(dá)到了80%、90%以上，出水達(dá)到了國家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。
本文認(rèn)為PAFS、PAFC復(fù)合型絮凝劑比單一型鋁、鐵高分子絮凝劑更優(yōu)良的凈水效果原因有：聚電解質(zhì)所含有異性電荷粒子的種類少，水溶液中不易形成離子對(duì)；有高度水解-聚合，接近沉淀態(tài)而不沉淀的羥基聚離子；異核金屬離子交錯(cuò)排列形成的分子鏈更穩(wěn)定，長鏈能同時(shí)包裹，吸引許多溶膠粒子、即橋長、單元多、絮凝體大而穩(wěn)定，在架橋絮凝的同時(shí)發(fā)生了卷掃絮凝作用[11]。
4 結(jié)語
(1) 以PAC為絮凝劑，對(duì)水樣處理進(jìn)行了工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，得出了實(shí)驗(yàn)最佳工藝條件：PAC最佳投加質(zhì)量濃度為500mg/L，絮凝pH值為8，絮凝攪拌強(qiáng)度和作用時(shí)間分別為150r/min和10min，沉降時(shí)間為20min。通過混凝法的處理，使出水CODCr從415.7mg/L降至113.8mg/L，去除率達(dá)73%；濁度從436.2 NTU降至56.1 NTU，去除率達(dá)87%,達(dá)到國家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。
(2) 通過試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)，PAC的加入量是其絮凝效果的決定因素，而其良好的適應(yīng)pH變化的性能也使得pH值對(duì)絮凝效果的影響不大。攪拌強(qiáng)度、攪拌時(shí)間對(duì)PAC的絮凝效果有較小的影響。沉降時(shí)間對(duì)其絮凝效果的影響也不大。
(3) 通過PAC與AS絮凝實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，聚鋁PAC絮凝劑的性能要明顯優(yōu)于單分子鋁AS。
(4) 通過PAC絮凝劑對(duì)不同廢水、不同絮凝劑對(duì)印染廢水的橫、縱向的對(duì)比，本文進(jìn)一步探討了聚合氯化鋁在對(duì)低濁原水處理能力強(qiáng)、適應(yīng)pH變化能力強(qiáng)等方面的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，也研究了它與復(fù)合型絮凝劑相比所不足的方面，即起作用的金屬離子成分單一，不夠多元化。
（5）本實(shí)驗(yàn)不但對(duì)解決××市**印染廠廢水處理和工程設(shè)計(jì)提供了一條可行的途徑，而且對(duì)于類似印染廢水的治理具有借鑒和參考價(jià)值。
