摘要: 本研究旨在对净水厂混凝试验进行研究，以分析不同混凝剂在水处理过程中的效果。混凝是水处理过程中的关键步骤，通过添加适量的混凝剂，可以有效去除水中的悬浮物、胶体物质和有机物，提高水质。在本试验中，我们选择了聚合硅酸铝铁(PSAF)、聚合氯化铝铁(PAFC)和聚合氯化铝(PAC)作为混凝剂，通过对比它们的效果，评估其在净水厂混凝过程中的适用性。试验过程中，我们控制了混凝剂的投加量、混合时间和沉淀时间等参数，并通过测量悬浮物、浊度和有机物的去除率来评估混凝效果。结果显示，PAFC在净水厂混凝过程中表现出较好的效果。相比之下，PSAF的混凝效果较差。PAFC投加量适当时，可以显著降低水中的悬浮物含量，使浊度降低到符合标准要求。同时，PAFC还能有效去除水中的有机物，提高水质。试验结果表明，同等条件下，PAFC对引江济淮原水具有较好的混凝处理效果。在净水厂混凝过程中，PAFC是一种较为适用的混凝剂。通过控制投加量、混合时间和沉淀时间等参数，可以实现有效的悬浮物和有机物去除，提高水质。这对于净水厂的正常运行和水质改善具有重要意义。
Abstract:
This study aims to conduct a study on coagulation tests in water purification plants to analyze the effects of different coagulants in the water treatment process. Coagulation is a key step in the water treatment process. By adding an appropriate amount of coagulant, suspended solids, colloidal substances and organic matter in the water can be effectively removed and water quality improved. In this experiment, we selected polyaluminum ferric silicate (PSAF), polyaluminum ferric chloride (PAFC) and polyaluminum chloride (PAC) as coagulants. Their applicability in the coagulation process of water purification plants was assessed by comparing their effectiveness. During the test, we controlled parameters such as the coagulant dosage, mixing time, and settling time, and evaluated the coagulation effect by measuring the removal rates of suspended solids, turbidity, and organic matter. The results show that PAFC performs well in the coagulation process of water purification plants. In contrast, the coagulation effect of PSAF is poor. When the dosage of PAFC is appropriate, it can significantly reduce the suspended solid content in the water and reduce the turbidity to meet the standard requirements. At the same time, PAFC can also effectively remove organic matter in water and improve water quality. The test results show that under the same conditions, PAFC has a better coagulation treatment effect on the raw water diverted from the Yangtze River to Huaihe River. In the coagulation process of water purification plants, PAFC is a more suitable coagulant. By controlling parameters such as dosage, mixing time and settling time, effective suspended solids and organic matter removal can be achieved and water quality can be improved. This is of great significance to the normal operation of water purification plants and the improvement of water quality.
1. 引言
近年来，由于全球水资源短缺和水污染问题的日益严重，人们对提高水资源利用率和保护环境的需求越来越迫切。传统的净水处理方法已经不能满足当前的需求，因此人们正在加大对新技术的研究力度。净水药剂混凝技术因其低成本、高效和易于操作等特点，已成为一种有效的净水处理方式，并广泛应用于水源净化和工业废水处理等领域。净水药剂混凝技术基于废水中污染物吸附和聚集的作用，通过药剂的加入使废物和微粒团沉淀、过滤和转化，以实现减少水污染和提高水质的目的[1]。
混凝剂的选择对净水厂的整体运营成本至关重要。在本试验中，选用了净水厂的取水源，并添加了不同类型的药剂进行混凝处理。目前的无机混凝剂正处于由单一无机高分子混凝剂向复合无机高分子混凝剂过渡的发展时期。而复合无机混凝剂又在向精细化方向发展即针对不同水质专门开发适用于该水质的专属混凝剂。由于无机复合混凝剂价格相对较低，因此已逐步成为主流药剂[2]。铝盐是最传统、应用最广的无机盐类混凝剂。主要有硫酸铝、氯化铝、明矾、聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚磷氯化铝、聚合硅酸铝铁、聚合磷酸铝铁、碱式硅酸硫酸铝铁等[3]。
因此，本试验同样以无机铝盐混凝剂作为研究对象。为了研究混凝剂对同一水源水样的影响，采用了浓度相等的PSAF、PAC和PAFC三种聚合混凝剂。同时，在实验中控制了速度、浓度梯度、搅拌时间和混凝剂比例等参数的变化，并记录了相关指标进行了数据分析，旨在通过在合理的范围内探究不同药剂配方和操作条件对水质净化效果的影响，来降低净水厂的生产成本。
2. 材料与方法
2.1. 工艺流程
本试验所在净水厂采用常规处理工艺“原水–折板絮凝–平流沉淀–过滤–消毒”，取水水源为引江济淮–江淮沟通段，新东淝河下游，如图1所示。
Figure 1. Process flow diagram of a water purification plant
图1. 某净水厂工艺流程图
从东淝河水源地抽取原水，通过水泵将原水提升至水厂进行处理。根据原水的水质情况，可能进行预处理，如投加高锰酸钾、预加氯等。在混合池中投加絮凝剂，通过机械搅拌使絮凝剂与原水充分混合。絮凝剂在水中发挥吸附、脱稳、聚集等作用，使水中不易沉淀的胶状物及微小悬浮物形成较大的絮粒。经混凝反应处理过的水流入沉淀池，絮凝阶段形成的絮状体依靠重力作用从水中分离出来，水中的颗粒沉于池底。污泥不断堆积浓缩，定期通过吸泥机排出池外。沉淀后的水流入滤池，通过石英砂等有空隙的粒状滤料层进一步截留水中的悬浮颗粒、有机物、细菌、病毒等。过滤后的水浊度进一步降低，为后续的消毒处理创造良好条件。在清水池中再次投加次氯酸钠消毒剂，次氯酸钠与水反应生成次氯酸，在细菌内部起氧化作用，破坏细菌的酶系统而使细菌死亡。消毒后的水达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2022)的相关标准。通过水厂二级泵房的水泵加压进入供水管网，最终输送至千家万户。
2.2. 原水水质参数
试验用水为水厂原水进水管道支管上采集，与实际生产中的混凝水保持一致，其原水主要水质参数见表1。
Table 1. Main water quality parameters of raw water from a water purification plant from July to September 2023
表1. 某净水厂2023年7月~9月原水主要水质参数
水温(℃) |
浊度(NTU) |
色度(度) |
pH值 |
CODMn (mg/L) |
10~25 |
10~55 |
50~120 |
6.5~8.5 |
3.8~5.3 |
2.3. 试验仪器与试验材料
用于关键实验的设备包括ZR4-6混凝试验搅拌机制造商深圳中润水工业技术发展有限公司；进行浊度测量的器具则采用HACH (哈希)的TL-2300型号；同时，PH值检测器选用上海仪电雷磁的PHS-3C版本。
在试验中，使用了混凝剂，其中包括聚合硅铝铁(PSAF)、聚合氯化铝铁(PAFC)和聚合氯化铝(PAC)，相关标准参照GB/T 22592-2008、GB/T 22594-2018、GB/T 22627-2022、以及GB 15892-2020。此外，也参考了生活饮用水卫生标准：GB 5749-2022《生活饮用水卫生标准》[4]、GB/T 5750-2023《生活饮用水标准检测方法》。
聚合硅酸铝铁：pH值为1.99，Al2O3含量为10.18%，水不溶物含量为0.4%。
聚合氯化铝铁：pH值为4.1，Al2O3含量为9.59%，Fe2O3含量为0.59%，盐基度为74.50%。
聚合氯化铝：pH值为2.08，Al2O3含量为10.27%，密度为1.233 g/cm3，盐基度为74.13%。
2.4. 试验方法
按照GB/T 16881-2008的标准，使用大塑料桶从净水厂原水进水支管处采集25 L水样，以进行后续的混凝试验，试验方法中混凝剂浓度为10 mg/ml。
在进行混凝试验时，为了使水样内杂质均匀分布，对采集桶进行轻微摇晃，使其充分混合。然后，在六联搅拌器上取6个水样杯，每个杯子都装满水样，并打开水样杯的出水龙头，将水样倒入正好量到1000 ml刻度线的杯子中。接着向六个杯子中分别添加了同一批次的聚合氯化铝铁(PAFC) 20 mg、30 mg、40 mg、50 mg、60 mg和70 mg。首先以转速360 r/min搅拌0.5分钟后，再以180 r/min转速搅拌5分钟后，接着以120 r/min转速搅拌4分钟后，最后以60 r/min转速搅拌4分钟后，最后以0 r/min转速静置14.5分钟。按照顺序依次进行。絮凝完成后，观察各杯中絮体的外观情况并记录。之后，在杯中液面下2 cm处取上清液，检测其浊度、色度等相关指标。同样，使用聚合氯化铝(PAC)、聚合硅酸铝铁(PSAF)混凝剂进行重复试验，并取同样部位的上清液进行检测。
3. 结果与分析
3.1. 混凝剂最佳投入量与去除效果分析
本试验中，针对某厂常规工艺处理引江济淮原水的效果进行分析，并确定混凝剂的最佳投加量，主要通过出水浊度、CODMn来评价处理效果。
3.1.1. 最佳投药量
PAFC由铝盐和铁盐在一定条件下聚合而成，其依据协同增效的原理进行复合，具有较强的电中和能力，对于铝离子和铁离子的形态进行了改善，提高了聚合程度，通过羟化形成网状结构来提高网捕架桥能力，从而增强混凝效果。实验结果表明，在同等操作条件下，三种净水药剂的混凝效果存在显着差异。通过调整最佳操作条件，能够有效地净化水中的痕量有机物和微细颗粒，实现最佳的水质净化效果。图2展示了PSAF、PAFC和PAC三种混凝剂在同等投加量下经过静置沉淀后上清液浊度比较。根据图示可知，当PSAF和PAFC的添加剂量在20 mg/L到70 mg/L之间变化时，上清液的浑浊度会随添加剂的增加先是上升然后下降；而PAC所在的杯罐中上清液的浑浊度则呈不断下降的状态。当投加量为30 mg/L时，投加PSAF、PAC的杯罐上清液出水浊度分别为1.37 NTU和1.35 NTU；而投加PAFC的杯罐上清液出水浊度降至1 NTU以下，为0.62 NTU，远远低于PSAF、PAC在此投加量下的出水浊度，同时已完全可以满足净水厂的生产需求。当投加量在50 mg/L到60 mg/L之间时，PSAF和PAFC絮体的吸附值达到峰值，无法进一步吸附胶体悬浮物，曲线的趋势是平缓的；而PAC仍有一定的吸附效果，但呈现下降趋势。当投加量增加到60 mg/L时，PSAF和PAFC混凝体的浊度开始上升。陈卓然等人的研究也表明随着PAFC投加，浊度呈现先升高再下降这一现象[5]-[7]。
Figure 2. Effect of PSAF/PAFC/PAC at the same dosage on turbidity removal
图2. PSAF/PAFC/PAC在同投加量下对浊度去除的影响
3.1.2. PAFC对CODMn的去除效果
CODMn的是指水中的高锰酸盐指数，是评估水体中有机污染程度的重要指标。通过图3可知，PAFC的投加量与CODMn的去除效果之间存在一定的关系。一般来说，适量的PAFC投加可以显著降低水中的CODMn含量，提高水质。然而，过量投加PAFC并不一定能进一步提高CODMn的去除效果。相反，过高的PAFC投加量可能导致CODMn的去除效果下降。这是因为过量的PAFC会与有机物发生过度反应，形成难以沉淀的胶体物质，从而降低了CODMn的去除效果。李旭枫等人同样做过此类试验，当原水CODMn为2.5 mg/L左右时，在PAC投量为17 mg/L和34 mg/L时，CODMn的去除效果较好，V型滤后出水CODMn降至1.6 mg/L以下，去除率可达到64% [8]。
Figure 3. Effect of PAFC on CODMn removal at different dosages
图3. PAFC在不同投加量下对CODMn去除的影响
3.2. 基于最优混凝剂投入量的净水厂水质参数去除效果
3.2.1. PAFC投产药耗
对使用PAFC作为混凝剂从7月到9月期间在实际生产过程中的药耗情况进行了统计，并绘制了图4所示的图表。实际药耗大致保持在65 mg/L左右，保持相对稳定的状态。相对于最佳添加量而言，实际投加量较高，但在考虑到净水厂的现实生产环境时，这种药耗已经达到了预期的目标，因此可以认为它对处理引江济淮原水是适用的[9]。
Figure 4. Effect of PAFC on turbidity removal at different dosages
图4. PAFC在不同投加量下对浊度去除的影响
3.2.2. PAFC对浊度的去除效果
统计沉淀池出水数据及滤后水出水数据，关注沉淀水浊度、滤后水浊度及去除率。在预定的时间点采集水样将结果记录在表格，包括采样日期、时间、地点以及每个指标的数值。并使用适当的仪器和方法进行水质分析得到表2。
Table 2. The removal effect of turbidity
表2. 浊度的去除效果
项目 |
样本量 |
最大值 |
最小值 |
平均值 |
标准差 |
中位数 |
方差 |
原水 |
92 |
55 |
10 |
21.065 |
8.7 |
19 |
75.688 |
沉淀水 |
92 |
2.6 |
0.5 |
1.375 |
0.321 |
1.3 |
0.103 |
去除率% |
92 |
98.636 |
82.667 |
92.778 |
2.592 |
92.778 |
6.718 |
滤后水 |
92 |
0.44 |
0.14 |
0.244 |
0.06 |
0.24 |
0.004 |
去除率% |
92 |
99.65 |
97 |
98.702 |
0.501 |
98.762 |
0.251 |
统计相关数据可知浊度的变化趋势，原水浊度整体变化趋势较小，7月底达到最高值，浊度为55 NTU。沉淀水浊度浮动明显，平均出水浊度为1.3 NTU，平均去除率为92%。滤后水浊度较为稳定，基本稳定在0.3 NTU以下，去除率98%以上。参考GB 5749-2022《生活饮用水卫生标准》出厂水浑浊度限制为1 NTU，由此可知使用PAFC作为混凝剂对去除引江济淮原水的浊度有较好的效果[10]。
3.2.3. PAFC对CODMn的去除效果
统计试验期间滤后水出水数据得到表3。
Table 3. The removal effect of CODMn
表3. CODMn的去除效果
项目 |
样本量 |
最大值 |
最小值 |
平均值 |
标准差 |
中位数 |
方差 |
原水 |
92 |
5.48 |
3.84 |
4.668 |
0.432 |
4.8 |
0.187 |
出厂水 |
92 |
2.92 |
1.92 |
2.41 |
0.248 |
2.4 |
0.061 |
去除率% |
92 |
61.314 |
37.255 |
48.237 |
4.391 |
47.633 |
19.28 |
通过检测，统计相关数据可知原水高锰酸盐指数的变化区间为4 mg/L~5.5 mg/L，平均值为4.6 mg/L。经过加药混凝、沉淀过滤后随着胶体颗粒一同进入沉淀池底部排泥水及滤池反冲洗水中[11]，去除近半的高锰酸盐指数含量，使得滤后水高锰酸盐指数含量稳定在2.5 mg/L以下，去除率在37%~61% (平均去除率为48%) [12]。参考GB 5749-2022《生活饮用水卫生标准》出厂水浑CODMn限值为3 mg/L，由此可知使用PAFC作为混凝剂对去除引江济淮原水的CODMn也有不错的效果[13]。
4. 结论
① 在相同的试验条件下，PAFC相对于其他两种混凝剂在引江济淮原水上具有更好的混凝效果和对悬浮物的去除效果。
② 当PAFC的添加量为60 mg/L时，浊度去除效果最佳。经过15分钟沉淀后，上清液的浊度降至0.45 NTU，色度小于5度。当添加量为30 mg/L时，经过15分钟后，上清液的浊度可降至1 NTU以下，为0.62 NTU，色度仍小于5度。因此，从经济角度考虑，其最适宜的添加量为30 mg/L。
③ 在净水厂实际生产中，选择合适的混凝剂非常重要。在考虑混凝效果、出厂水水质要求和经济成本的同时，对比分析水厂目前使用的混凝剂和新药剂的使用情况，以便及时进行调整，可以有效降低运营成本。如果能够通过减少同类药剂的投药量来达到相同的除浊效果，那么对于净水厂成本控制是非常有效的。
④ 根据数据分析和评估结果，用PAFC作混凝剂处理引江济淮原水，对浊度及高锰酸盐均有较好的去除效果，出水水质均能较好得达到国家标准。因此，认为其对此原水是适用的。
⑤ 本文主要结合水厂实际生产与试验研究，以一座水厂为例深入探讨了自来水处理的理论指导实践和生产应用。为了不断优化水厂处理工艺和提高出水水质，水厂积极开展试验研究工作。通过对比不同处理方法和药剂的效果，确定最佳的处理工艺和药剂投加量。
参考文献
俞洁, 李茂林, 张翰文, 等. 聚丙烯酸钠配合-超滤工艺分离电池废水中Mn~(2+)和Co~(2+)的试验[J]. 净水技术, 2024: 1-8.
宁寻安, 温勇, 李润生, 温琰茂. 新型聚氯化铝混凝剂(ZR-PAC)混凝性能及经济比较研究[J]. 中山大学学报(自然科学版), 2004, 43(5): 127-130.
杨蒙蒙. 三种铝盐混凝剂去除水中有机物特性的研究[D]: [硕士学位论文]. 兰州: 兰州交通大学, 2014.
国家市场监督管理总局, 国家标准化管理委员会. 生活饮用水卫生标准: GB 5749-2022[S]. 北京: 中国标准出版社, 2022.
陈卓然. 引江水净水工艺优化研究[D]: [硕士学位论文]. 天津: 天津科技大学, 2022.
陈卓然, 李晨, 张怡然, 李思羽, 武莉娅, 杨宗政. 聚氯化铝铁处理引江原水试验研究[J]. 中国给水排水, 2023, 39(3): 62-66.
陈卓然, 张怡然, 赵宇. 净水混凝剂比选优化试验研究[J]. 供水技术, 2020, 14(5): 18-21+58.
李旭枫, 王少坡, 周瑶, 常晶, 李荣光. 天津某净水厂引江水强化处理技术研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(5): 132-140.
汤婷, 尚俊材, 郑恒, 等. 不同絮凝剂对铜绿微囊藻去除性能及机理试验[J]. 净水技术, 2023, 42(7): 66-72.
唐朝春, 冯文涛, 徐豪佑, 等. 基于混凝预处理的超滤净水工艺研究进展[J]. 水处理技术, 2024, 50(4): 1-7.
李鼎, 董慧峪, 李海华, 等. 混凝-超滤工艺处理饮用水厂滤池反冲洗水和排泥水的效能[J]. 环境工程学报, 2023, 17(10): 3169-3177.
张锋, 蒋才芳, 刘敏, 等. 给水厂砂滤池反冲洗水直接回用对出厂水水质影响及其风险评价[J]. 环境科学学报, 2024, 44(5): 128-137.
罗勇, 彭锦玉, 刘伟刚, 等. 预氧化工艺对水厂排泥水处理的影响[J]. 净水技术, 2022, 41(1): 173-179.