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聚合氯化鋁及聚合氯化鋁鐵處理微污染地表水效果

發布時間:2020-09-01     瀏覽次數:

摘要:選用兩種無機高分子混凝劑聚合氯化鋁(PAC)和聚合氯化鋁鐵(PAFC),與傳統混凝劑Al2(SO4)3處理微污染地表水。以濁度和CODMn去除率為主要指標,考察投藥量和pH對混凝效果的影響。通過考察沉淀時間對濁度去除效果的影響,結合實驗現象,討論三種混凝劑生成礬花的大小和沉降性能。結果發現,PAC和PAFC在5mg/L的投藥量下可以取得較好的混凝效果,出水符合GB 5749-2006《生活飲用水衛生標準》。三種混凝劑的較佳pH為6,PAFC受pH影響較小,當pH為5-8時可取得較好的CODMn去除效果。PAFC生成的礬花體積較大,沉降性能較好,在實際應用中可縮短沉淀池的水力停留時間。

0引言

微污染地表水中的天然有機物(NOM)是形成具有“三致”毒性的消毒副產物的主要前驅物之一。目前,常用的去除NOM的方法是強化混凝,即通過研制新型高效混凝劑、增加混凝劑投藥量和強化混凝條件等方法提高NOM的去除率。無機高分子混凝劑是近二十年來發展起來的,并逐漸成為水處理領域的研究熱點。水體pH及混凝過程的水力條件是影響混凝效果的主要因素,因此調節pH和優化水力條件也是提高混凝效果的主要途徑。本文以微污染水庫水為研究對象,選取聚合氯化鋁和聚合氯化鋁鐵兩種無機高分子混凝劑,考察兩種混凝劑強化混凝去除濁度和有機物的效果。

1、實驗部分

1.1實驗材料

實驗所用水樣取自北方某大型水庫,水質指標為:水溫為17.6-19.3℃,濁度為7.87-9.40NTU,ρ(CODMn)為5.05-5.68mg/L。

1.2混凝劑的合成

取一定量的AlCl3·6H2O,用去離子水溶解。在磁力攪拌的條件下,按照OH-/Al=1.0緩慢加入一定量的無水Na2CO3。待泡沫消失后,繼續攪拌3h,即得到PAC混凝劑。

用摩爾比為5:1的AlCl3·6H2O和FeCl3·6H2O代替上述步驟中的AlCl3·6H2O,并按OH-/(Al+Fe)=1.0加入無水Na2CO3,即可制得PAFC混凝劑。

將制得的PAC和PAFC混凝劑稀釋至10mg/L(以Al2O3+Fe2O3計),備用。

1.3燒杯實驗

燒杯實驗在混凝試驗攪拌機上進行。向6個燒杯中分別加入1L的水樣,加入一定量的混凝劑。以250r/min快速攪拌2min后,再以50r/min轉速繼續攪拌10min。靜置沉淀15min后,取一定量的上清液進行指標測試。部分水樣用濁度計和zeta電位儀測量濁度和zeta電位,部分水樣按酸性高錳酸鉀法測量CODMn。

2、結果與討論

2.1投藥量對混凝效果的影響

在原水pH條件下,向地表水樣中加入一定量的PAC和PAFC混凝劑,以傳統混凝劑Al2(SO4)3為對比??疾旎炷齽┩都恿繉岫群虲ODMn去除效果的影響。

圖1為3種混凝劑在不同投藥量下的濁度去除效果,從圖1可知:在實驗條件下三種混凝劑對濁度的去除率均隨投藥量的增加而增加,其中當投藥量到達4mg/L以上時,濁度去除率增加不大,出水濁度趨于穩定。3種混凝劑對CODMn的去除效果也呈現出隨投藥量增加而升高的趨勢,見圖1b,當PAC和PAFC兩種混凝劑的投藥量大于5mg/L時,CODMn去除率可達45%,此時上清液中CODMn<3mg/L,達GB 5749-2006《生活飲用水衛生標準》。在相同投藥量下,與Al2(SO4)3相比,兩種高分子混凝劑可以取得較好的濁度和有機物去除效果;同時,復合混凝劑PAFC較PAC效果更佳,而在燒杯實驗過程中可以發現加入PAFC混凝劑后,生成的礬花明顯較PAC和Al2(SO4)3大,這可能是因為鐵鹽的加入可以與鋁鹽產生協同作用,使得生成礬花的體積增加,同時取得較好的濁度和有機物去除效果。有人在使用自制聚合氯化鋁鐵混凝劑處理黃河水和生活污水時發現了類似的現象。

圖1投藥量對混凝效果的影響

不同投藥量下混凝出水的zeta電位如圖2所示。結果表明:增加混凝劑的投藥量可以降低水中膠體顆粒表面所帶的負電荷,出水中膠體顆粒的zeta均隨投藥量的增加而升高。Al2(SO4)3和PAC兩種混凝劑分別在投藥量3-4mg/L和5-6mg/L時達到等電點,繼續增加投藥量,水中膠體顆粒所帶電荷為正。而在實驗投藥量范圍內,PAFC混凝劑未能中和膠體顆粒表面的負電荷。在相同投藥量下,3種混凝劑相比較,Al2(SO4)3的zeta電位較高,這說明其電中和能力較強。而圖1的結果表明,在相同投藥量下,PAFC的混凝效果較佳,而Al2(SO4)3效果較差。這說明電中和能力并非影響混凝效果的唯一因素。

圖2投藥量對zeta電位的影響

2.2 pH對混凝效果的影響

圖3pH對混凝效果的影響(5mg/L)

改變水樣的pH,分別投加5mg/L的混凝劑,考察pH對濁度和有機物去除效果的影響,結果如圖3所示。結果表明:濁度去除率隨pH的增加而升高。這可能是因為在較低的pH下混凝劑水解不充分,未能充分發揮網羅卷掃作用;而在中性或堿性條件下,水中OH-含量增加,混凝劑水解形成的網狀結構可以網捕水中的顆粒物質,形成礬花,從而通過沉淀將其去除。而有機物的去除效果隨pH的升高呈現出先增加后下降的趨勢,三種混凝劑的較佳pH均出現在6附近。這可能是因為有機物的去除機理與顆粒物質不同,一般認為,有機物的去除主要通過與混凝劑中的鐵鋁形成不溶于水的螯合物,在酸性條件下,水中有機物離解不全,且H+與金屬離子存在競爭關系,導致去除率不高;而在堿性條件下,水中的OH-與有機物相互競爭,導致去除率下降。三種混凝劑相比較,傳統混凝劑Al2(SO4)3受pH影響較大,在酸性條件和堿性條件下有機物去除效果均較差。而PAFC的較佳pH范圍較大,在pH>5的范圍內均可取得較高的濁度去除率,而在5-8的pH范圍內CODMn去除率均可在45%以上,出水符合GB 5749-2006的要求。

圖4pH對zeta電位的影響

混凝出水zeta電位隨pH的變化趨勢如圖4所示。結果表明,增加pH,混凝出水中膠體顆粒表面的正電荷逐漸增加,在越過等電點后,表面電性為負。Al2(SO4)3和PAC出現在pH=6-7的范圍內,而PAFC的等電點則出現在pH為5-6時。在此范圍內,三種混凝劑均同時能夠取得較好的有機物去除效果(圖3)。

2.3沉淀時間對混凝效果的影響

圖5沉淀時間對混凝效果的影響

在較佳混凝條件(水樣pH=6,投藥量為5mg/L)下,進行混凝實驗。慢攪結束后,靜置一定時間后從燒杯中部取出適量水樣,測量其濁度,考察沉淀時間對混凝效果的影響,如圖5所示。結果發現:三種混凝劑的濁度去除率均隨沉淀時間的增加而升高,在達到某一時刻后,出水濁度趨于穩定。三種混凝劑出水濁度達到穩定所需的沉淀時間分別為:Al2(SO4)3:15min,PAC:9min,PAFC:5min。這說明PAFC生成的礬花具有較好的沉降性能,可以在較短的時間內完成沉淀過程。而Al2(SO4)3的沉淀性能較差,需要較長的沉淀時間。這與試驗中觀察到的現象相符,向水樣中投加Al2(SO4)3,生成的礬花較小,沉降速度慢,沉淀15min后仍有少量肉眼可見的白色礬花懸浮于水中。而投加PAFC后,慢攪5min后即可看到礬花,生成的礬花體積較大,沉降速度較快,經過15min的沉淀后,幾乎全部沉至水底。

在工程應用中,混凝劑生成的礬花大小及其沉降性能對后續的固液分離過程有著較大的影響。一般情況下,當混凝階段生成的礬花體積較大,沉降性能較好時,可以縮短沉淀池的水力停留時間,減小沉淀池的體積。

3、結論

使用實驗室制備的PAC和PAFC處理地表水時,混凝效果好于傳統混凝劑Al2(SO4)3。在5mg/L的投藥量下,兩種高分子混凝劑均可取得較好的濁度和CODMn去除效果,出水濁度小于1NTU,CODMn小于3mg/L,符合GB 5749-2006《生活飲用水衛生標準》的要求。三種混凝劑的較佳pH均出現在6附近,pH對PAFC混凝效果的影響較小,在pH=5-8內可取得較好的有機物去除效果。PAFC生成的礬花體積較大,沉降性能較好,靜置5min后即可取得較高的濁度去除率。

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