对低浊河水絮凝处理的小型实验
| 论文类型 | 技术与工程 | 发表日期 | 2008-02-01 |
| 来源 | 中国水网 | ||
| 摘要 | 泰国成功地用低浊(20～240NTU)河水测试了流动床絮凝反应器。该装置根据所用不同聚合物药剂配备了一个或两个φ54mm，高500mm快混器及一个φ54mm，高2500mm絮凝反应器。反应器内水的上升流速为20cm/min，停留时间仅为12.5min。脱稳处理采用不同剂量硫酸铝，配合使用一些高分子的阴离子、非离子及阳离子聚合物。经加入3000mg/L高岭土进行专门启动运行后，装置连续进行了两种运行，分别为6小时和72小时，处理实际河水，其浊度因季节不同而异。除投加0.3mg/L聚合物外，仅少量加入1.53 | ||
Pilot plant application of a pelletisation process on low-turbidity river water
摘要：泰国成功地用低浊(20～240NTU)河水测试了流动床絮凝反应器。该装置根据所用不同聚合物药剂配备了一个或两个φ54mm，高500mm快混器及一个φ54mm，高2500mm絮凝反应器。反应器内水的上升流速为20cm/min，停留时间仅为12.5min。脱稳处理采用不同剂量硫酸铝，配合使用一些高分子的阴离子、非离子及阳离子聚合物。经加入3000mg/L高岭土进行专门启动运行后，装置连续进行了两种运行，分别为6小时和72小时，处理实际河水，其浊度因季节不同而异。除投加0.3mg/L聚合物外，仅少量加入1.53mg/L AI2O3就足以将20～100NTU原水处理到5NTU以下。遇240NTU高浊时，则需较高药量即3.83mg/L AI2O3加入阳离子聚合物比其它两种聚合物（离分子）电解质更有效。絮凝床上层和临界层的颗粒粒径和沉降速度分别为0.25～0.29mm和18.7～23cm/min，相应颗粒密度为1.06～1.10g/cm3。
引言
现已有数名作者报道了他们用流动床絮凝法成功地处理了250～3000mg/L的高浊水。Pansward和Chamarong两个最近又用低浊水，50NTU，验证了该系统的功能，提供了一种启动系统的方法。然而，所做全部研究均采用合成水体，所以用该方法处理真正河水是否有效必然产生疑问，尤其对30～200NTU这样的低浊水。
本研究旨在探索用絮凝方法去除低浊河水中的浊度。该河，即CHAO PHRAYA河，是泰国曼谷市数百市民的主要用水源。混凝使用了硫酸铝，对不同类型的聚合电解质的混凝和助凝的效果也做了调研。
试验方法和材料
图1是本研究所用装置图，主要有一个恒定水位进水箱、两个内径54mm、高500mm塑料快速混合器和一个同样内径、有效高度为2500mm的流动床絮凝反应器。当使用阴离子和非离子聚合物时，只使用一个快混器，而使用阴离子聚合物时则需两个快速器，这样从阳离子聚合物中获得的正电荷也起到附加脱稳作用。在系统启动阶段加入3000mg/L高岭土，再配入7.5mg/L的AI2O3和0.3mg/L聚合物，使反应器内先形成充分的颗粒量，约至1～3小时待反应器内出现大量颗粒团后，再处理实际的河水。河水浊度范围是15NTU至夏季50NTU和雨季的240NTU。
配制3000mg/L的高岭土水和实际河水均用泵送进恒定水位水箱，以控制流量，然后再流入450r/min的快混器中，中途加入硫酸铝，控制量至0～9.2mg/L AI2O3时开始脱稳处理。脱稳水与0.3mg/L的阴离子或非离子聚合物混合，再进入反应器底部并向上流通过整个流动床反应器全长。反应器内的搅拌机提供充分的搅拌强度达到良好的颗粒凝聚效果。当使用阳离子聚合物时，脱稳水被送到另一个快混器中分开混合。处理后水然后经反应器出水槽溢流进集水池，再进行采样、分析。浊度、pH、及粒径的测量分别使用的是Ratio XIR HACH浊度仪、Accumet 910 pH仪和CHSOlypus显微镜(100×)。颗粒沉降速度采用在圆筒上固定300mm距离三次重复沉降的平均时间来确定，应用斯托克斯定理计算相应的颗粒密度。表1和表2列出了硫酸铝及所用三种聚合物的性能和运行中采用的有关参数。应提及的是非离子聚合物也带一些＋电荷，所以在0.8%的溶液中阳离子电荷达5×104mEq/L。测量胶体电荷采用滴定技术。
该试验分两种运行方式，第一种是6小时短运行作为筛分实验。第二种相应长些，运行72小时，两种运行分别每隔1小时和6小时采样一次。上升流速保持在20cm/min(12m/hr)，分别相当于第一种29乘以反应器内滞留时间(RT)的倒数和第二种345乘以反应器内滞留时间(RT)的倒数。
产生的沉泥和多余的泥团从距反应器底部1300mm处的排泥孔取出。这些泥粒可作为确定泥粒性质的样品。硫酸铝使用剂量各异，AI2O3高达9.2mg/L ，而用聚合物作为助凝剂或混凝剂时（0 mg/L硫酸铝情况时），剂量均为0.3mg/L。
| 原水浊度 | 15～240NTU（根据季节不同） |
| 反应器运行条件 | |
| *结粒层高度 | 1300mm（最大） |
| *搅拌速度 | 450r.p.m在快混器RM内 5r.p.m..在反应器内 |
| *上升流速 | 20cm/min；约12m/hr |
| *滞留时间 | 2.0min在快混器内 12.5min在反应器内 |
| 第一种运行* | 第二种运行 | |
| 1.运行时间(小时) | 6(或29×RT) | 72(或是345×RT) |
| 2.硫酸铝剂量(mg/L AI2O3) | 0**～9.2 | 0**～3.8 |
| 3.聚合物剂量***(mg/L） | 0.3 | 0.3 |
| *包括预先调节pH≈7.5和未预调节pH两种情况 **0mg/L硫酸铝＝只用聚合物混凝；有的运行中使用的AI2O3小于9.2mg/L ***根据以前的试验经验，三种聚合物均采用0.3mg/L | ||
| a)硫酸铝 | |
| 制造商 | 本地区 |
| 外观 | 液体 |
| 浓度 | 50%溶液 |
| AI2O3（最小） | 6.5%按重量 |
| Fe（最大） | 0.1% |
| Sp.Gr. | 1.265 |
| b)阴离子聚合物 | |
| 商标名称 | R--300 |
| 外观 | 白色颗粒 |
| 分子重量 | 高 |
| 电荷密度 | 高 |
| pH(0.1%溶液) | 6.5～7.5 |
| c)非离子聚合物 | |
| 商标名称 | KuriflocPN--13 |
| 外观 | 白色粉末 |
| 分子重量 | 12个百万以上 |
| 松密重 | 0.7～0.8g/cc |
| 粘度（0.1%溶液） | 20～40cps30℃ |
| pH（0.1%溶液） | 5.5～7.5 |
| 有效pH范围 | 5.0～8.0 |
| 电荷（0.8%溶液） | 5×104mEq/L |
| d)阳离子聚合物 | |
| 商标名称 | K530C |
| 外观 | 白色颗粒 |
| 分子重量 | 高 |
| 电荷密度 | 高 |
试验结果和探讨
表3、4和5所示为平均试验结果，所用药剂为硫酸铝为阴离子、非离子和阳离子聚合物，聚合物剂量分别为0.3mg/L。第一种运行作为筛分研究，每次运行6小时，所用硫酸铝剂量范围很宽从0（控制）～9.2mg/L Al2O3。
| 硫酸铝(mg/L AI2O3) | 第一种运行方式(6小时／次) | ||||||||||||
| pH | 碱度(mg/L 以CaCO3计) | NTU | |||||||||||
| 进水 | RM | 出水 | 进水 | 出水 | 进水 | 出水 | % | ||||||
| (a)pH未预调节 | |||||||||||||
0 | 7.46 | - | 7.70 | 69.3 | 74.7 | 52.8-84.8 | 23.8-33.4 | 58.0 | |||||
| 3.1 | 8.13 | 7.91 | 8.21 | 70.0 | 72.7 | 215-223 | 14.5-17.2 | 92.6 | |||||
| 3.8 | 8.20 | 7.78 | 8.14 | 68.0 | 66.0 | 200-205 | 2.8-4.9 | 98.2 | |||||
| 4.6 | 8.22 | 7.88 | 8.12 | 68.3 | 65.3 | 182-185 | 2.9-3.5 | 98.3 | |||||
| 6.1 | 7.89 | 7.72 | 8.13 | 64.0 | 64.0 | 199-201 | 2.8-5.4 | 96.2 | |||||
| 7.7 | 7.60 | 7.55 | 8.05 | 67.3 | 64.7 | 170-179 | 2.5-3.2 | 98.0 | |||||
| 8.4 | 8.26 | 7.51 | 8.10 | 66.3 | 162-170 | 1.0-1.9 | 98.6 | ||||||
| (b)预先调节pH≈7.5 | |||||||||||||
| 2.3 | 7.35 | 7.57 | 7.67 | 64.0 | 62.0 | 110-113 | 12.1-12.3 | 89.0 | |||||
| 3.1 | 7.45 | 7.60 | 7.79 | 63.7 | 67.0 | 123-134 | 0.6-1.3 | 99.2 | |||||
3.8 | 7.48 | 7.52 | 7.72 | 64.7 | 64.3 | 178-203 | 1.3-1.8 | 99.1 | |||||
| 硫酸铝(mg/L AI2O3) | 第二种运行方式*（72小时／次） | ||||||||||||
| pH | 碱度(mg/L | NTU | |||||||||||
进水 | RM | 出水 | 进水 | 出水 | 进水 | 出水 | % | ||||||
| (c)pH未预调节 | |||||||||||||
| >0 | 7.63 | - | 7.75 | 99.3 | 97.0 | 50.8-57.5 | 16.7-23.3 | 63.6 | |||||
| 1.5 | 7.35 | 7.35 | 7.52 | 77.5 | 73.5 | 17.1-22.0+ | 2.9-4.8 | 80.1 | |||||
| 2.3 | 7.34 | 7.28 | 7.45 | 74.0 | 68.5 | 20.5-28.0+ | 1.1-2.0 | 93.6 | |||||
| 3.1 | 7.37 | 7.28 | 7.41 | 70.5 | 66.0 | 15.3-17.5+ | 0.9-1.8 | 92.5 | |||||
| 3.8 | 7.35 | 7.19 | 7.32 | 78.3 | 68.8 | 26.4-29.6+ | 0.2-0.5 | 98.8 | |||||
| *最后18个小时运行的结果 注：RM=快混后 | |||||||||||||
表4：用0.3mg/L非离子聚合物试验的平均结果
| 硫酸铝(mg/L AI2O3) | 第一种运行方式(6小时／次) | |||||||
| pH | 碱度(mg/L 以CaCO3计) | NTU | ||||||
| 进水 | RM | 出水 | 进水 | 出水 | 进水 | 出水 | % | |
| (a)pH未预调节 | ||||||||
| 0 | 7.60 | - | 7.88 | 79.7 | 82.3 | 52.8-58.2 | 11.8-13.3 | 78.1 |
| 1.5 | - | - | - | - | - | - | - | - |
| 2.3 | 7.88 | 7.79 | 8.15 | 66.7 | 64.3 | 196-210 | 17.0-21.0 | 90.6 |
| 3.1 | 7.85 | 7.72 | 8.30 | 65.3 | 63.3 | 205-210 | 2.7-4.2 | 98.3 |
| 3.8 | 7.92 | 7.80 | 8.24 | 67.7 | 65.3 | 198-220 | 1.8-2.2 | 99.0 |
| 5.4 | 8.37 | 8.02 | 8.38 | 67.7 | 65.0 | 238-240 | 4.8-5.6 | 97.7 |
| 9.2 | 8.26 | 7.73 | 8.17 | 65.0 | 63.3 | 212-232 | 1.5-1.7 | 99.0 |
| (b)预先调节pH≈7.5 | ||||||||
| 2.3 | 7.62 | 7.77 | 7.93 | 66.0 | 65.7 | 165-171 | 5.6-6.5 | 96.3 |
| 3.1 | 7.61 | 7.71 | 7.95 | 71.3 | 68.7 | 202-210 | 1.2-2.5 | 99.1 |
| 3.8 | 7.60 | 7.64 | 7.97 | 70.3 | 66.3 | 146-155 | 1.2-1.8 | 99.0 |
| 硫酸铝(mg/L AI2O3) | 第二种运行方式*（72小时／次） | |||||||
| pH | 碱度(mg/L as CaCO3计) | NTU | ||||||
| 进水 | RM | 出水 | 进水 | 出水 | 进水 | 出水 | % | |
| (c)pH未预调节 | ||||||||
| 0 | 7.59 | - | 7.79 | 101.3 | 100.3 | 35.0-53.5 | 7.6-9.5 | 81.1 |
| 1.5 | 7.59 | 7.61 | 7.82 | 89.0 | 85.5 | 18.5-29.7+ | 5.3-6.2 | 76.7 |
| 2.3 | 7.53 | 7.49 | 7.70 | 78.0 | 74.8 | 61.1-73.2 | 3.6-4.8 | 93.5 |
| 3.1 | 7.50 | 7.51 | 7.75 | 76.5 | 67.3 | 60.2-69.2 | 1.8-2.5 | 96.7 |
| 3.8 | 7.71 | 7.52 | 7.78 | 81.8 | 75.3 | 69.3-73.3 | 0.9-1.5 | 98.3 |
＊最后18个小时运行的结果
注：RM=快混后
表5：用0.3mg/L阳离子聚合物试验的平均结果
| 硫酸铝(mg/L AI2O3) | 第一种运行方式(6小时／次) | ||||||||
| pH | 碱度(mg/L as CaCO3) | NTU | |||||||
| 进水 | RM1 | RM2 | 出水 | 进水 | 出水 | 进水 | 出水 | ％ | |
| 0 | 7.48 | - | 7.61 | 7.78 | 86.0 | 88.3 | 29.2-36.5 | 5.9-7.8 | 78.3 |
| 1.5 | 7.37 | 7.39 | 7.57 | 7.70 | 90.7 | 88.7 | 31.6-37.2 | 2.7-3.2 | 90.6 |
| 2.3 | 7.49 | 7.41 | 7.66 | 7.79 | 84.0 | 82.0 | 24.1-35.3 | 1.2-2.0 | 94.0 |
| 3.1 | 7.42 | 7.42 | 7.69 | 7.71 | 82.7 | 75.3 | 23.8-29.3 | 0.4-0.8 | 97.6 |
| 3.8 | 7.40 | 7.75 | 7.75 | 7.89 | 80.7 | 74.3 | 25.3-30.6 | 0.4-0.6 | 98.1 |
| Alum (mg/L AI2O3) | 第二种运行方式*（72小时／次） | ||||||||
| pH | 碱度(mg/L as CaCO3) | NTU | |||||||
| 进水 | RM1 | RM2 | 出水 | 进水 | 出水 | 进水 | 出水 | ％ | |
| 0 | 7.40 | - | 7.61 | 7.71 | 85.0 | 86.0 | 24.9-35.0 | 4.2-4.9 | 84.7 |
| 1.5 | 7.40 | 7.34 | 7.66 | 7.77 | 94.5 | 90.3 | 24.2-36.l | 1.6-2.1 | 93.8 |
| 2.3 | 7.41 | 7.33 | 7.72 | 7.86 | 88.3 | 81.5 | 30.5-39.2 | 0.5-0.9 | 98.1 |
| 3.1 | 7.52 | 7.35 | 7.77 | 7.78 | 89.5 | 77.0 | 29.5-43.5 | 0.4-0.6 | 98.7 |
| 3.8 | 7.66 | 7.47 | 7.77 | 7.85 | 80.0 | 71.3 | 26.9-44.5 | 0.3-0.8 | 98.5 |
| *最后18个小时运行的结果 注：RM1＝第一快混器后 RM2＝第二快混器后 | |||||||||
三种聚合物各自的效果
从图2数据中可看出，该絮凝法可有效地处理浊度仅为20～30NTU的河水。三种聚合物均采用0.3mg/L加上1.5mg/L AI2O3。其中效果最佳的当属阳离子聚合物，其处理后水约达2～3NTU。
聚合物单独混凝的效果
使用阴离子、非离子、（具有一些正电荷的）、及阳离子三种聚合物，剂量为0.3mg/L，单独混凝的效果请参阅表3、4、5中硫酸铝为0的一栏。很明显，每种聚合物都有混凝作用，但使胶体脱稳的机理各异阴郭子聚合物在两种运行中（6小时及72小时）使原水浊度分别从53～58降到24～33NTU；51～58降到17～23NTU（参阅表3a和3c）。
从表4a和4c两种运行中可看出，用非离子处理后的水浊度仍很高，即进水浊度分别为53～58和51～ 54NTU，处理后分别降到11.8～13.3和7.6～9.5NTU，但系统的去浊能力是显而易见的。
用阳离子聚合物作为混凝剂效果较好（见表5），两种运行的去浊情况分别从30～37降到5.9～7.9NTU；25～35降到4.2～4.9NTU结果表明进水浊度越低，阳离子聚合物的脱稳能力越高，加入药剂量高些，处理后水质会更好，但规定一个适当的剂量尚需进一步研究。图三所示为，在第二种运行试验中的最后18个小时这段时间，三种聚合单独使用的效果，结果表明尽管原水浊度分别为55、45、30NTU都有降低。但阳离子聚合物比其他两种聚合物的效果更好些。
颗粒沉降速度及粒径大小
据Tambo和Matsui两人报道，在稳定状态下，颗粒沉速稳定，较大颗粒沉在底部，较小的和较轻的受水向上推力使其飘在絮凝床上层，而太小太轻的则被处理后水带出反应器，导致出水浑浊。因此要研究、选择一种使颗粒能良好絮凝的方法。在本装置中可明显看出，絮凝床顶层的临界成形颗粒是从底部向上至1300mm处。在稳定处理状态下颗粒团块的恒定沉速因所用混凝剂和助凝剂种类不同而异。表6所示为各种情况下临界成形颗粒的沉降速度。用阴郭聚合物单独混凝时（硫酸铝为0 mg/L），沉降速度一直减慢，直到运行到最后18～24小时时才稳定。这是因为大剂量的高岭土换成低浊河水的原因。另一方面，在运行刚开始(1～4小时）时，使用非离子、阳离子聚合物可得到相应的稳定处理状态。这可能是这两种聚合物提供了正电荷的原因。表6所示的三种情况中，a的沉降速度(Vs)较慢(21.3cm/min)与b(23cm/min)和c(23cm/min)两种情况相比性能较差，这与前述图3的状况相符。
由于投加了硫酸铝会产生水结絮体并在反应器内经充分搅拌，使较松散的絮体破碎再重新结成强度更大、体积更大的颗粒。这样与不加硫酸铝相比，形成恒速沉降(Vs)的稳定状态更快。几乎在各种情况下达到稳定状态均需一小时的运行时间。然而，用硫酸铝混凝并加聚合物为助凝剂时，颗粒沉降速度常比不用硫酸铝要慢，可能是由于这三种聚合物给系统加入了絮体松散特性所决定的。由于颗粒是从临界成形深度或者说是从结粒层顶层开始凝结的，上升流速20cm/min又是恒定的，所以颗粒沉降速度相似。范围在1.8～21.6cm/min（见表6 )。进水差别水在，而絮凝的粒径有些不同，用阴离子聚合物形成的粒径最小，0.25mm，而其他两种分别为0.29mm和0.25～0.27mm。此次试验的絮凝粒径比其他报道的要小，因为采样的位置不同。用斯托克斯定律(Stokes Law)计算所用三种聚合物产生的颗粒密度分别为1.08～1.09、1.06～1.08和1.08～1.09，此数据在其他人报道的1.002～1.25范围内。
表6：在第二种运行的最后6小时期间，颗粒在临界层成形的平均特性
| 硫酸铝 (mg/L) | 阴离子聚合物 | 非离子聚合物 | 阳离子聚合物 | ||||||
| Vs(cm/min) | ф(mm) | P(g/cc) | Vs(cm/min) | ф(mm) | P(g/cc) | Vs(cm/min) | ф(mm) | P(g/cc) | |
| 0 | 21.3 | 0.27 | 1.08 | 23.0 | 0.29 | 1.08 | 23.0 | 0.28 | 1.08 |
| 1.5 | 20.5 | 0.25 | 1.09 | 20.0 | 0.29 | 1.07 | 21.4 | 0.25 | 1.10 |
| 2.3 | 20.6 | 0.25 | 1.09 | 19.6 | 0.29 | 1.07 | 21.6 | 0.25 | 1.10 |
| 3.0 | 20.8 | 0.25 | 1.09 | 21.0 | 0.29 | 1.07 | 21.2 | 0.27 | 1.09 |
| 3.8 | 20.6 | 0.25 | 1.09 | 18.7 | 0.29 | 1.06 | 21.4 | 0.26 | 1.09 |
| 注：聚合物剂量＝0.3mg/L Vs=沉降速度，ф＝粒径，p＝颗粒密度。 | |||||||||
结论
本研究清楚地表明，采用20cm/min上升流动床颗粒絮凝法，分别经6小时和72小时两种试验运行，均能有效地去除低浊河水(20～240NTU)的浊度。仅用1.5～3.8mg/L AI2O3配用0.3mg/L聚合物就能使处理后水优于曼谷市供水局规定的5NTU标准。甚至于在pH为7.5～8.2不可能很好地中和电荷的情况下也能获得良好的效果。通过加硫酸把原水pH从7.8～8.2降到7.5也能提高去浊效果。本研究中需要的硫酸铝的投加量低于曼谷供水局用于固体接触式澄清池所用药量。因此，采用此法既能节约投资又能节省药剂费用。处理的水仅在反应器内滞留12.5分钟。使用阴离子聚合物经18小时运行出水便达到稳定NTU，而经12小时运行后颗粒团便从污泥层顶部沉下达到恒速沉降，使系统进入稳定处理状态。从模拟情况看，非离子聚合物达到稳定出水浊充需经18小时运行，颗粒达到恒速沉降需运行一小时，而阳离子聚合物分别为24小时和1小时。使用阳离子聚合物比使用其他两种效果更好。三种聚合物投加量均为0.3mg/L，它们都可单独作为混凝剂使用，但出水浊度不理想，提高投加量也许能提高系统处理能力。临界颗粒沉降速度范围从18.7～23.0cm/min，粒径为0.25～0.29mm。按斯托克斯定律计算出的相应颗粒密度相当高，为1.06～1.10g/cm3。
天津市自来水集团有限公司科技情报站 刘万福译 王秀丽校 1999年3月
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