石灰对高藻原水泥凝影响的试验研究

汪义强 张金松 梁 明 尤作亮
深圳市自来水(集团)有限公司 水技术研究所

　　摘 要　通过试验证明，石灰对高藻原水混凝具有促进作用。其促絮凝作用机理在于：高藻原水混凝由于藻类影响，絮体形成虽量多，但絮片小，不易沉降，除浊的充分发挥需要借助于良好的架桥吸附和沉淀物网捕作用，投加石灰通过调节原水pH值为8.7左右，能够形成最多量、架桥吸附和沉淀物网捕较强的无定形Al(OH)₃。投加石灰虽增加了水中Ca²⁺离子强度，影响水中胶体及有机物的ζ电位，但促双电层压缩作用微弱。
　　关键词 　 高藻原水：石灰；水解产物：ζ电位

1 引言

　　高藻原水通常伴随低浊、高氨氮、高有机物的特点，常规工艺在处理过程时引起的主要问题之一是经混凝、沉淀、过滤后，水的pH值较低。为保证出厂水pH 值，国内水厂多在混凝过程中加石灰，事实证明，投加石灰方式调节出厂水pH值 的作法是有效的。但生产过程中，石灰对混凝过程发生了怎样的影响，又是如何影响的，却少见有报导，本文旨在对上述问题通过试验加以论证和探讨。

2 试验材料、方法与内容

2.1试验药剂与器材
　　试验药剂：碱式氯化铝、生石灰(CaO)、NaOH、HCl、固体CaCl₂ 试验器材：六联搅拌仪、电光天平、蒸馏水器、温度计、药匙、烧杯、容量瓶、吸耳球、浊度仪、pH计、ζ电位仅、移液管等试验方法：取生产原水，在混凝搅拌仪上利用优化的搅拌程序进行试验，优化混凝程序为：快速搅拌10秒(500r／min)→中速搅拌60秒(250r／min)→慢速搅拌12min(50r／min)→沉淀10min→表层取样测定。
2.2 试验内容
　　进行投加石灰与不投加石灰的混凝沉淀效果对比，以酸、碱、Ca(OH)₂等调节原 水pH值并测定相应的ζ电位变化等试验结果，分析石灰对混凝影响的作用机理。

3 试验结果与分析

3.1 投加石灰对混凝的作用
　 混凝前投加石灰水上清液(石灰有效成分投加量采用1.5mg/L。5mg/L)和不加石灰水 上清液的混凝沉淀结果观察表明：预先加石灰对混凝具有明显促进作用。形成的矾花密实且沉淀水清亮透明。图1所示沉后余浊的检测结果也表明，预先投加石 灰比未加石灰的最终沉后水浊度低。

　

　　预先投加石灰对高藻原水混凝除浊具有促进作用。究其原因，可从石灰对水体 影响的两方面来分析：石灰的的有效成分为CaO，投加石灰一方面改变了原水反应pH值，使pH值升高，另一方面即增加了水中Ca²⁺。由于水的池凝过程是一个十分复杂的过程，混凝的效果不仅与所加混凝剂的类别、搅拌条件等因素有关，而且与溶胶分散系的成分组成、浓度、电荷电位等众多因素有关。因此投加石灰使原水pH值增加和增加水中Ca²⁺离子浓度势必会对混凝过程造成一定影响。
3.2 不同pH值条件下原水的混凝效果
　　投加石灰增加了原水pH值，为考察石灰增加原水pH值对混凝的影响，以HCl、NaOH调节原水为不同pH值进行多组混凝试验。结果见图2。
　　由图2(a)、(b)可以看出，在偏酸性的条件下，混凝效果不理想，最终沉淀 余浊较高，而随着原水pH值的增加(5.5→8.7)，浊度去除率升高，当超过8.7后，浊度去除率又有降低趋势。可见，对所使用的碱铝及原水，较佳的反应pH值为8.7左右较好。

　　

　　因此，反应前预先加石灰不仅能够有效抑制后续的出厂水pH值不致过低，而且对混凝反应也起到了pH值调节剂作用，改善了絮凝效果。
3.3 不同pH值条件下原水的ζ电位试验结果与分析
　　石灰改变了原水pH值，对混凝的影响包括两个方面：一是影响了混凝剂水解产物在水中存在的形态；其次，原水pH值的改变影响了水中胶体物等各种带电微粒的ζ电位，改变了水中部分有机物的形态。调节原水pH值影响水中有机物方面，有人专门培养过单种藻细跑并进行藻类及其分泌物对混凝过程影响研究，结果表明，pH值的调节影响了藻细胞分泌物的电性和分子结构，改变了水中胶体物 等各种带电微粒的ζ电位，从而改变了水中胶体的稳定性[1]。
　　由于混凝剂水解产物在水中的存在形态不易测定，因此以石灰上清液、NaOH 或HCl分别调整原水为不问pH值，考察其对ζ电位的影响，结果见图3、图4。

　　由图3、图4可见，以NaOH、HCl调节原水pH值，随着pH值的升高，水体ζ电位负电性增强(远离于零)，而以石灰水上清液调节原水pH值，随pH值的升高，水体ζ电位负电性却减弱(趋向于零)，二者趋势相反。由此可见，投加石灰使水体ζ电位恢往零靠近并非由其增加水的pH引起。
3.4 增加水中Ca²⁺对泥凝效果的影响
　　 根据上述试验结果及前述石灰的成分分析，投加石灰使水体ζ电位往零靠近则应由增加水中的Ca²⁺引起、为证实此结论，以与石灰等摩尔量的CaCl₂溶液加入原水，进行混凝沉淀试验,结果见图5。

　　可见，在较佳絮凝剂投量范围内(2.4—2.9mg/L)，加CaCl₂的絮凝沉淀效果比不加CaCl₂与的效果好，除浊率稍高。此说明。混凝中石灰的投加确实起到了增加水中离子Ca²⁺，使ζ电位趋向于零促进絮凝。
　　但由图4试验结果也可看出，投加石灰使pH值由7.0增加到前述混凝效果较佳的pH值8.6，ζ电位负值由-27.1减小到-22.7，仅减小4.4mv。同时由图5也可看出，加CaCl₂的絮凝沉淀效果只比不加CaCl₂与的效果稍好。此外，试验过程中同时对原水投加CaCl₂后的pH值也进行了检测，显示pH值未发生变化。由此可见，投加石灰虽增加了Ca²⁺，使ζ电位趋近于零促絮凝，但加石灰使ζ电位朝着有 利于混凝的方向变化并非石灰促絮凝的主要作用机理。

4 石灰促絮凝作用机理

　　按照混凝理论，混凝剂水解产物与胶粒之间的作用分为：双心层压缩(DLVO理论)、吸附电中和、吸附架桥、沉淀物卷扫。DLVO理论指向水中投加混凝剂。增加反离子浓度压缩胶体扩散层，降低排斥势能峰；吸附电中和理论指高价混凝剂经水解缩聚形成带正电的高分子物，与带负电的胶粒间发生静电吸附和电性中和，从而最终沉淀；吸附架桥指高分子物对胶体的强烈吸附，体现胶粒与胶粒间的架桥联接作用；沉淀物卷扫指铝盐、铁盐等由于超过容度积产生絮状氢氧化物沉淀，这些絮状氢氧化物只存巨大网状表面结构且带一定正电荷，在沉淀过程中胶体颗粒可同时被黏附网捕而在沉淀物中迅速卷扫沉淀[2]。
　　根据以上试验结果，石灰使原水pH值升高促絮凝作用并非影响水体的ζ电位起主要作用。对铝盐而言，其水解产物在水中存在的形态多达二、三十种，铝盐 混凝剂的水解平衡状态主要取决于投入水铝盐的浓度和溶液的pH值。在一定条件下，Al³⁺经过水解、聚合或络合反应形成多种形态的配合物、聚合物以及A1(OH)₃。强酸性条件下，铝盐主要水解产物是比电荷(电荷量／摩尔铝)高、聚合度低的溶解性低分子物种。pH＜4时，[Al(OH)n]³⁺(n=6-10)占绝对对数，随着pH值的升高，比电荷低、聚合度高的物种开始形成：pH为4-6时，[Al6（OH）15]³⁺、[Al8(OH)20]⁴⁺是主要的物种，此时混凝作用机理主要是压缩双电层。但当pH值达到6左右时，溶液中开始形成不定形[Al(OH)₃],pH值到达8左右时，不定形[Al(OH)₃]形成最多， 沉淀物卷扫成为混凝作用的主要机理。而当pH值继续增大为强碱性时，不定形[Al(OH)₃]又开始溶解，形成带负电的水解物种如[Al(OH)₄]^－、[Al(OH)26]^2-等，并与负电胶体物间存在排斥作用^[3][4]。
　　由此可见，投加石灰增大原水使pH为8左右，铝盐混凝剂水解产物存在形态主要为无定形[Al(OH)₃]，增加石灰则应主要是影响了絮凝剂水解产物的形态，形成量多、结构有利于发挥网捕作用的絮状[Al(OH)3]，从而提高混凝除浊率。高藻原水相对于高浊度低有机物的污染原水而言，由于其中所含的带负电胶体数量大大减少，而不定形、比胶体粒度大得多的藻类有机物大大增多，因此更需要籍表面积更大、网捕作用更好的不定形水解物来去除胶体，而不象传统无机胶体物占主导的原水那样，主要借助双电层压缩和吸附电中和作用去除。
　　综上所述，高藻原水处理时，由于无机胶体相对较少，混凝除浊作用主要是要形成有利于网捕作用的絮体。加石灰使pH值升高，使铝盐混凝剂水解产物形成具有表面积巨大、吸附和网捕作用最好的无定形[Al(OH)₃]，因此更有利于混凝除浊，试验条件下原水调整pH值为8.7左右混凝效果最好。

4　 结论

　　1)铝盐混凝剂处理高藻原水时，预投加石灰具有促进絮凝、改善混凝效果的作用。
　　2）石灰促进絮凝的作用主要在于增大了原水反应pH值，从而影响铝盐絮凝剂水解产物的结构形式，采用铝盐混凝剂时，形成了具有巨大表面积、能充分发挥架桥吸附和网捕作用水解产物的Al（OH）3，从而利于混凝除浊；而通过增加水中[Ca²⁺]，虽影响了水中胶体及有机物的ζ电位保双电层压缩，使朝着有利于混凝的方向发展，但不是石灰促絮凝作用的主要方面。
　　3）高藻原水处理时，絮凝除浊主要借助絮凝剂水解形成具有巨大表面积、能充分发挥架桥吸附和网捕作用的水解产物。

参考文献

　　[1]罗晓鸿等，藻类及其分泌物对混凝过程的影响研究，《环境科学学报》1985.5,Vol.18,No3。
　　[2]《给水工程》下册（第二版），中国建筑工业出版社，1992。
　　[3]妙重华，《混凝剂》，中国环境科学出版社，1992
　　[4]王晓昌，浅论铝盐的水解和吸附电中和过程被凝聚物浓度的影响，《环境化学》，1996，15（6）：530-535。