聚硅酸硫酸鋁處理低溫低濁水分析

王帥

摘? 要：文章闡釋了低溫低濁水對(duì)于混凝效果的影響與聚硅酸硫酸鋁的制備方法，圍繞SIO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硅酸活化pH值、硅酸活化時(shí)間、Al/Si摩爾比等層面，試分析不同制備條件對(duì)聚硅酸硫酸鋁混凝效果的影響，并依托實(shí)驗(yàn)比較得出不同絮凝劑對(duì)于低溫低濁廢水的處理性能，證實(shí)聚硅酸硫酸鋁具備良好的混凝效果。

關(guān)鍵詞：絮凝劑;低溫低濁水;混凝效果

中圖分類號(hào)：TU528.042 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）04-0108-02

Abstract： This paper explains the influence of low temperature and low turbidity water on coagulation effect and the preparation method of polysilicate aluminum sulfate. Around the aspects of SIO2 mass fraction， silicic acid activation pH value， silicic acid activation time， Al/Si molar ratio， etc.， try to analyze the effects of different preparation conditions on the coagulation effect of polysilicate aluminum sulfate， and compare the treatment performance of different flocculants for low temperature and low turbidity wastewater based on experiments. It is proved that polysilicate aluminum sulfate has good coagulation effect.

Keywords： flocculant; low temperature and low turbidity water; coagulation effect

引言

低溫低濁水是指溫度和濁度較低、不利于混凝沉淀的原水，北方地區(qū)將低溫低濁水界定為溫度處于0-4℃范圍內(nèi)、濁度為10-30NTU的水。以往水廠主要選用鋁鹽改善出水水質(zhì)，然而在低溫條件下鋁鹽難以實(shí)現(xiàn)充分水解，且投入量的增大也將導(dǎo)致出水中鋁含量提升，因此對(duì)于給水處理工藝提出了更高的要求。

1 低溫低濁水對(duì)于混凝效果的影響分析

1.1 低溫影響條件

在低溫條件下采用常規(guī)工藝進(jìn)行給水處理，易因絮凝劑水解不充分導(dǎo)致混凝效果下降、投入量增大，致使出水中鋁含量大幅提升，影響到用水質(zhì)量與安全。其作用機(jī)理主要體現(xiàn)在以下三方面：其一是低溫條件下液體的粘滯系數(shù)增大，將機(jī)械攪拌技術(shù)應(yīng)用于水的混凝處理時(shí)需要更高的水功率，導(dǎo)致混凝難度大幅提升;其二是低溫條件下使得微生物對(duì)于水中有機(jī)物的分解速率減緩，導(dǎo)致水體混凝后生成的絮體中有機(jī)物質(zhì)含量較高，這類有機(jī)成分的密度較小，難以實(shí)現(xiàn)有效沉降;其三是低溫將破壞絮凝劑中金屬氫氧化物的動(dòng)力學(xué)平衡，導(dǎo)致金屬混凝劑的水解效果難以實(shí)現(xiàn)充分發(fā)揮。

1.2 低濁度影響條件

濁度與水體中顆粒物數(shù)目存在關(guān)聯(lián)，在低濁度條件下對(duì)于混凝效果的影響主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：其一是水中膠體顆粒的含量較低、難以實(shí)現(xiàn)有效凝聚，由此影響到絮體形成效果，倘若采用機(jī)械攪拌技術(shù)或增加水力的方式，易導(dǎo)致現(xiàn)已形成的低強(qiáng)度絮體再次離散;其二是低濁度水的固相濃度、分散相面積較小，將生成易溶解產(chǎn)物，加之缺乏大量高聚物形成的有效空間網(wǎng)格交鏈的鍵，導(dǎo)致產(chǎn)物強(qiáng)度較低、易被破壞;其三是水體中的雜質(zhì)、微生物呈細(xì)膠體分散體系溶于水，膠體微粒大小均勻、帶負(fù)電顆粒較少，動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性與凝聚系統(tǒng)穩(wěn)定性均較強(qiáng)，而混凝劑需在電中和狀態(tài)下方可發(fā)揮良好的混凝效果，因此導(dǎo)致形成的絮體多為細(xì)小礬花，沉淀效果較差[1]。

2 聚硅酸硫酸鋁的制備及其在處理低溫低濁水中的具體應(yīng)用探討

2.1 聚硅酸硫酸鋁的制備

2.1.1 制備方法

選取硫酸鋁、鋁酸鈉、含有SiO2的水玻璃等作為主要試劑，實(shí)驗(yàn)儀器包含S212系列恒速攪拌器、501型超級(jí)恒溫器、ZK-82A電熱真空干燥箱、ST2-B24型濁度儀、PHS-3C型pH計(jì)等。將硫酸鋁、鋁酸鈉、水玻璃溶液稀釋至一定濃度數(shù)值，將鋁酸鈉溶液與水玻璃溶液進(jìn)行混合、均勻攪拌，隨后選取一定量碳酸鈉粉末加入到混合液中進(jìn)行高速攪拌，在10-20℃溫度條件下將混合液緩慢滴入硫酸鋁溶液中，待高速攪拌30min、膠體呈均勻分散狀態(tài)后，令混合液在60-80℃溫度下充分反應(yīng)1h左右，并將其進(jìn)行靜置處理，獲取到澄清透明的聚硅酸硫酸鋁溶液。

2.1.2 水質(zhì)測(cè)定

稱量1000mL濁度為18-20NTU的低溫低濁水，將配制好的絮凝劑加入到低溫低濁水中開展容器攪拌實(shí)驗(yàn)，先以200r/min的轉(zhuǎn)速將其攪拌60s，再以60r/min的轉(zhuǎn)速攪拌10min，隨后將加入絮凝劑的低溫低濁水靜置10min，取其上清液進(jìn)行pH值、濁度、色度、COD含量、SS含量測(cè)試。其一是pH值測(cè)定，采用PHS-3C型pH計(jì)作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將pH計(jì)預(yù)熱30min，分別選取pH值為6.86、9.18的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液進(jìn)行定位、斜率校準(zhǔn)，經(jīng)由校準(zhǔn)后即可利用該pH計(jì)進(jìn)行水體pH值的測(cè)定;其二是濁度測(cè)定，量取攪拌后的10mL低溫低濁水注入濁度儀中，取兩次測(cè)試的均值作為原始濁度，隨后量取經(jīng)由絮凝實(shí)驗(yàn)后得到的上清液進(jìn)行濁度測(cè)試，依照（1-絮凝后水體濁度/絮凝前水體濁度）×100%的方法完成除濁率的計(jì)算;其三是色度測(cè)定，分別選用稀釋倍數(shù)法、吸光光度法進(jìn)行低溫低濁水原始色度與脫色率的測(cè)定，其中脫色率的計(jì)算方法為（1-處理后水體吸光度/處理前水體吸光度）×100%;其四是COD含量測(cè)定，主要選取快速開管法進(jìn)行COD含量計(jì)算;其五是SS含量測(cè)定，采用重量法測(cè)定水體中的固體懸浮物含量，其計(jì)算方法為（懸浮物重量×106）/水樣體積[2]。

2.2 制備條件對(duì)聚硅酸硫酸鋁混凝效果的影響

選取聚硅酸硫酸鋁的除濁率作為衡量指標(biāo)，綜合判斷SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硅酸活化pH值、硅酸活化時(shí)間、Al/Si摩爾比等條件對(duì)于該絮凝劑混凝效果的影響，從中得出制備聚硅酸硫酸鋁的最優(yōu)工藝條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫低濁水的有效處理。

2.2.1 SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)

選取SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、3%、5%、7%、9%的聚硅酸硫酸鋁進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，將絮凝劑投入量設(shè)為10mg/L，用于判斷SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)與除濁率之間的變化關(guān)系。通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增大時(shí)，除濁率呈先增大、后減小的特點(diǎn)，并且在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)達(dá)到最佳除濁效果，除濁率為40.76%。

2.2.2 硅酸活化pH值

選用20%硫酸進(jìn)行聚硅酸硫酸鋁pH值的調(diào)節(jié)，分別采用pH值為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0的絮凝劑開展絮凝實(shí)驗(yàn)，聚硅酸硫酸鋁投入量為10mg/L。通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，伴隨絮凝劑pH值的逐漸增大，除濁率呈先增大、后減小的變化規(guī)律，在pH值為3.5時(shí)達(dá)到最佳混凝效果，除濁率超過(guò)45%。

2.2.3 硅酸活化時(shí)間

將聚硅酸硫酸鋁稀釋至濃度為3%后，選用20%硫酸將其pH值調(diào)節(jié)為3.0，隨后分別以30min、45min、55min、60min、80min、120min的時(shí)間進(jìn)行活化，再熟化30min，開展絮凝實(shí)驗(yàn)。通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在硅酸活化時(shí)間不斷增長(zhǎng)時(shí)，除濁率呈先增大、后減小的趨勢(shì)，在硅酸活化時(shí)間處于60-80min范圍內(nèi)時(shí)達(dá)到最佳除濁效果，且活化時(shí)間越長(zhǎng)、除濁效果越差，因此選取60min設(shè)為硅酸最佳活化時(shí)間。

2.2.4 Al/Si摩爾比

選取濃度為3%、pH值為3.0的聚硅酸硫酸鋁溶液，分別依照1：3、1：2、1：1、1.5：1、2：1、3：1、5：1的Al/Si摩爾比進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)。通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，伴隨Al/Si摩爾比的增大，除濁率也隨之而增大，但在增至一定程度后其變化趨于平緩。在考慮到采用絮凝劑處理低溫低濁水需控制水體中鋁含量的情況下，選取3：1作為最佳Al/Si摩爾比，其除濁率可達(dá)58.67%。

2.2.5 其他條件

一方面，在采用聚硅酸硫酸鋁進(jìn)行水體處理時(shí)涉及到熟化反應(yīng)，因此需考量熟化時(shí)間對(duì)其絮凝效果的影響，分別選取30min、1h、2h、4h、8h作為熟化時(shí)間，通過(guò)觀察其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，伴隨熟化時(shí)間的推移，聚硅酸硫酸鋁的除濁率呈先增大、后逐漸趨于平緩的特點(diǎn)，在熟化時(shí)間超過(guò)1h后除濁率趨于平穩(wěn)，因此選取1h設(shè)定為最佳熟化時(shí)間。另一方面，絮凝劑投入量也將對(duì)水體混凝效果產(chǎn)生影響，選取SIO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%、pH值為3.5、Al/Si摩爾比為3：1的聚硅酸硫酸鋁溶液進(jìn)行低溫低濁水的混凝處理，通過(guò)觀察其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，伴隨絮凝劑投入量的增加，除濁率呈先增大、后趨于平緩的特點(diǎn)，在絮凝劑投入量介于3-7mg/L之間時(shí)其除濁率呈急劇增加的趨勢(shì)，在投入量繼續(xù)增加后其除濁率開始下降，因此應(yīng)將最佳投入量設(shè)為15mg/L，其除濁率可達(dá)94.37%。

2.3 聚硅酸硫酸鋁對(duì)于低溫低濁廢水處理性能的比較

選取某濁度為30NTU、pH值為5.4、水溫為2℃的低溫低濁水作為測(cè)試對(duì)象，在廢水中分別投入100mg/L硫酸鋁、100mg/L聚合硫酸鋁、15mg/L聚硅酸硫酸鋁，針對(duì)三種絮凝劑的混凝效果進(jìn)行對(duì)比分析。其中硫酸鋁的除濁率為76.91%，脫色率為59.02%，pH值為4.0，生成的絮體細(xì)小、未實(shí)現(xiàn)完全沉降;聚合硫酸鋁的除濁率為89.12%，脫色率為70.23%，pH值為4.4，生成的絮體較小、沉降速度較慢;聚硅酸硫酸鋁的除濁率為95.64%，脫色率為78.62%，pH值為4.42，生成的絮體較大、沉降速度較快。

通過(guò)觀察三種絮凝劑對(duì)于低溫低濁水的處理效果可以發(fā)現(xiàn)，聚硅酸硫酸鋁的除濁率達(dá)到95.64%，具備最佳除濁效果;而硫酸鋁、聚合硫酸鋁的除濁率均為76.91%和89.12%，其主要原因?yàn)閺U水的pH值為5.4，兩種絮凝劑的絮凝效果受水溶液pH值的影響較大，在pH值小于5.7的水體中主要呈帶正電荷的多羥基配合物形式，伴隨pH值的增加逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閹ж?fù)電荷的無(wú)定形氫氧化鋁膠體。在色度去除率方面，混凝機(jī)理將一定程度上影響到絮凝劑的脫色率，聚硅酸硫酸鋁由于含有Si，其分子鏈增長(zhǎng)、分子量變高，相應(yīng)使其吸附架橋能力顯著增強(qiáng)，由此使其獲得良好的脫色效果[3]?？傮w來(lái)看，采用聚硅酸硫酸鋁進(jìn)行低溫低濁水處理后，可有效減輕水體的濁度、色度，且生成的絮體較大、沉降速度較快，可收獲良好的混凝效果。鑒于在聚硅酸類絮凝劑實(shí)際生產(chǎn)與應(yīng)用過(guò)程中，批量化生產(chǎn)的可行性、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性等因素均將影響到絮凝劑的使用效果，因此還需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)絮凝劑作用機(jī)理的研究，更好地提升絮凝劑的穩(wěn)定性能。

3 結(jié)論

選取聚硅酸硫酸鋁作為絮凝劑，具有工藝簡(jiǎn)單、成本經(jīng)濟(jì)、混凝效果好等性能優(yōu)勢(shì)，在將其應(yīng)用于低溫低濁水處理時(shí)具有良好的除濁脫色效果，但在實(shí)際使用時(shí)還需結(jié)合水質(zhì)特征進(jìn)行最佳絮凝條件的把控，合理調(diào)節(jié)投入量、Al/Si摩爾比，更好地優(yōu)化水質(zhì)處理效果，推動(dòng)高效絮凝劑研制水平的提升。

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