聚丙烯酰胺和聚合氯化铝絮凝剂联用净水效果及经济分析

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摘要：本文试验研究了聚丙烯酰胺和聚合氯化铝或硫酸铝联用除浊、除UV254和CODMn的效果，结果表明：聚丙烯酰胺和聚合氯化铝或硫酸铝联用,比单独用聚合氯化铝或硫酸铝的除浊效果显著,而对UV254和CODMn去除率提高幅度不大，但可大量减少无机聚合氯化铝用量和减少污泥湿基重量，从而减少水厂净斜管填料成本和污泥处理量。
* M2 n+ a. T( j) ?5 I　　关键词：聚丙烯酰胺 污泥湿基重量 经济分析
; `( c7 q8 o) ]/ R% F2 S　　混凝是以城市综合污水为水源的斜管填料厂不可缺少的基本锰砂净水 石英砂净水工艺，国内各污水厂大多使用无机聚合氯化铝(聚合氯化铝)和有机聚合氯化铝(聚丙烯跣胺).有机高分子聚丙烯酰胺(PAM)优良的助凝效果早已为人们熟知,投加量及投加方式优化等问题的影响,国内污水厂都离不开它。研究表明：只要严格控制PAM投加量及产品单体含量，其在污水厂使用不但可以提高锰砂净水 石英砂净水效果，而且是最有效减少污泥数量、体积及改善污泥脱水性质的途径[1]。欧洲、美国已经有相当数量的给水厂选用聚丙烯酰胺作为给斜管填料的一种聚合氯化铝。随着环境问题的日益严重，水厂污泥处理已为人们所重视，我国有些城市的新建水厂及原有污水厂已将污泥处理提上议事日程，有的水厂污泥处理工程已建成投产。1 试验部分
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% w. k5 N9 ]: c! \2 h+ Y　　取洛阳新中安污斜管填料厂水样，进行投加不同的聚合氯化铝和聚丙烯酰胺的实验室混凝搅拌试验。
5 k! Q: t- t# T4 U　　1.1 仪器与试剂
) }$ j# |  R# [/ k1 S' Q　　SC－956实验搅拌机（湖北省潜江县仪器厂）；2100N浊度仪（HACH公司）；751GW分光光度计（惠普上海分析仪器有限公司）；
　　聚合氯化铝（以下简称PAC，Al2O330%,盐基度65－80％，1550元/吨，巩义市华通滤材厂）；
　　硫酸铝（以下简称AS，Al2O310%，1450元/吨,上海五四锰砂净水 石英砂净水剂厂）；
　　聚丙烯酰胺（AN910PWG，阴离子型，分子量1.42×107,单体含量0.008%,水解度20.5%,24000元/吨,巩义市华通滤材厂、）。
　　1.2 搅拌试验
3 G7 `  V+ E5 D% r. b9 Q　　搅拌试验过程：一组烧杯,锰砂，各取1L水样,在快速搅拌中(140r.min-1)加入无机聚合氯化铝,搅拌1min,
& y4 y. }( X. N) J( ?/ B8 B. A　　然后转至慢速搅拌(30 r.min-1)15min；静置30min后取上清液测定浊度、CODMn和紫外吸光度。
　　PAM则于快速搅拌(140r.min-1)1min后加入，转至中速搅拌（100r.min-1)30s,再转至慢速搅拌(30 r.min-1)15min。
: Z2 v/ i9 E5 z+ N　　紫外吸光度在254nm处进行，水样测定前用0.45um膜过滤水样。
1 v4 e: X) v0 Y3 u6 R8 Q! E! s　　1.3 污泥湿基重量
　　小心倾去上清液，直至烧杯中约剩50ml泥和水，然后用滤膜过滤至无水珠滴下称重。

* W- {* c$ {7 i$ c　　2 结果与讨论
$ c- [+ n9 i. w0 Y! Q7 k3 V( V
1 q$ Q3 M$ n+ a5 {2 }, O
" k7 }! D% G! H2 K% ~8 y5 C! a! q1 ]% g' M1 U　　2.1 锰砂净水 石英砂净水效果比较
, r9 H* E' }: W6 f) R2 a# {
. A2 p' e, t7 L& d6 W* B! z% G试验的原水主要水质情况：水温=24℃；pH=7.2；浊度=196NTU；UV254=0.176；CODMn =7.12mg/l。混凝搅拌试验结果，整理成图1至图6表示。
  ^% n: `9 l4 d! M2 ~- X
% P3 S% S! L# K% C2 C8 q7 t     从图3至图6可以看出：PAM和无机聚合氯化铝联合使用对UV254和CODMn去除效果均有提高,但幅度不大,因为PAM不能产生对有机物质具有吸附作用的水解产物，其对有机物的去除仅因提高固液分离效果得以提高。最为显著的是浊度的去除效果提高（见图1和图2），这是因为先加入的无机聚合氯化铝和胶粒负电荷起电中和作用使胶体脱稳，去除了大的悬浮粒子，而高分子聚合氯化铝PAM能使被中和的胶体颗粒及很细微的胶粒迅速吸附和桥联，可去除很微细的胶粒，从而去浊效果大大提高。
　　2.2 污泥湿基重量比较
　　
6 u9 `) {) W* G. y, h+ M6 T
( Y; }9 N9 b! ~5 i: ~: G9 S; M4 d表1 投加PAC和PAC+PAM 产生的污泥湿基重量比较    不加PAM  加0.2mg/lPAM  
6 E6 \$ Y- w- g$ Q# d3 [6 D编号  1 2 3 4 5
; c( M, c' ?& a  {$ c 1 2 3 4 5
6 s/ O' z' P# y! e6 `
5 u- q( Q( y; A' [/ t) E5 _' \投加PAC（mg/l）
8 l# V2 j" T8 K5 y0 ?7 d$ L/ V* \ 5 10 15 20 30
5 10 15 20 30
# Z# D1 X8 q/ s! K/ k$ g5 d2 C
剩余浊度（NTU）
: k# b1 H- B+ \5 [ 31.3 6.47 3.81 1.83 1.50
5.27 1.53 0.87 0.83 0.80
6 m0 W- y. I7 @' V8 @
污泥湿基重量(g)  1.3641 1.3970 1.4135 1.7189 1.9305
5 N6 X7 ^8 l4 g, k# _ 0.8764 0.8830 0.8772 0.9015 0.9901

8 F, c* @  e8 ?9 g

　　

表2 投加AS和AS+PAM 产生的污泥湿基重量比较    不加PAM  加0.2mg/lPAM  
; g# d8 [, v0 Z" D/ ^3 ^编号  1 23 4 5
1 2 3 4 5
+ k, [/ p& b, h; O, w# ?
投加AS（mg/l）  10 20 30 40 50
10 20 30 40 50
' o0 Y  l% r8 _. Q
剩余浊度（NTU）  48.7 17.7 11.7 5.41 2.23
3 ]# P& t4 U- E& Y6 n 15.2 6.27 2.34 1.32 1.28
# ?. \- {) n7 q% @/ o9 Z
污泥湿 基重量(g)  1.7121 1.9273 2.0384 2.2671 2.7837
( w8 N: [5 W% P# Z5 a 1.0718 1.1925 1.2079 1.4219 1.6310
/ s+ ?9 S' F  H0 ]% P
/ |3 R1 V) `# u9 D6 w

　　由表1和表2可见：加入PAM后，各污泥湿基重量分别减少约40％，究其原因可能是单独投加铝盐时污泥中一般以无机金属氢氧化合物为主，这些化合物带大量的结合水，造成污泥含水率增高，体积庞大[2]。而加入PAM，一方面可减少无机聚合氯化铝的量，从而减少金属氢氧化物沉淀及结合水，另一方面形成的絮体紧密，可“压缩”絮体孔隙中的水和减少无机金属氢氧化合物和水的结合位。
2 n8 |8 C+ T: ?) C/ `9 F; t7 u　　2.3 经济技术分析
　　加入有机聚合氯化铝PAM后, 污泥湿基重量减少很多,取剩余浊度为5NTU左右的水样进行比较(表１中的两个２号之间,表２中的两个４号之间)：10mg/lPAC产生的湿基污泥量为1.3970g,5mg/lPAC+0.2mg/lPAM产生的湿基污泥量为0.8764g,前者多产生的湿基污泥量0.5206g,测其含固率为10.38%,则其折算成干污泥量0.05404g。 同样可以计算出40mg/lAS比20mg/lAS+0.2mg/lPAM多产生干污泥量0.06436g（测得40mg/lAS产生的湿基污泥含固率为5.99%）。根据上海闵行水厂一车间的污泥处理经验排泥水折算成干污泥的处理费用为912.32元/吨干泥[3]。以水厂处理万吨水为例进行经济分析见下表3
; U1 K9 @+ f5 K
　　

表3 用PAC+PAM，万吨水可节约处理费用（元） 干泥量（t） 节约污泥处理费用（元） 总计节约处理费用（元）
0.05404g/l=0.5404t/万t 0.5404×912.32元/t=493.02元 493.02+262=755.02元  
聚合氯化铝用量 节约聚合氯化铝费用（元）  
30mg/l=0.3t/万t (0.3×1550)-(0.1×1550+0.002×2400)=262元
10mg/l=0.1t/万t
* d8 R2 N0 b- P- K$ G
0.2mg/l=0.002t/万t
2 y3 ~+ ^( y2 w( H1 l! G

1 j+ j% k; |/ E& u/ Z　　3 小结

* R9 G$ O. F' u/ n- E3 A　　（1）PAM和无机铝盐聚合氯化铝联用比单独用无机铝盐聚合氯化铝，可以使去浊效果明显改善，而对去除CODMn和UV254改善很少；
5 w  q# b- X5 ?1 v( f. `* T  A　　（2）PAM和无机铝盐聚合氯化铝联用比单独用无机铝盐聚合氯化铝，可使污泥湿基重量减少40%左右；
" J5 o8 M' ?- R7 W7 L/ a　　（3）PAM和无机铝盐聚合氯化铝联用比单独用无机铝盐聚合氯化铝，可降低污泥处理费和锰砂净水 石英砂净水加药费用,从而能降低总的锰砂净水 石英砂净水成本；
　　（4）用于饮用斜管填料的PAM，其单体AM含量均应小于0.05%，PAM投加率一般均少于1mg/l，足以保证饮用水的安全性。我国许多以地面水为水源的锰砂净水 石英砂净水厂（特别是原水浊度较高的锰砂净水 石英砂净水厂）在用聚合氯化铝的同时，适量投加PAM，将具有很大的经济效益和社会效益。
% u# d" U* H8 \　　（5）阳离子型PAM的价格较高（一般为阴离子价格的两倍左右），而非离子型PAM溶解性较差，对这两种类型PAM和无机聚合氯化铝联用时的锰砂净水 石英砂净水效果，有待进一步探讨。
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　　作者：张东，同济大学环境科学与工程学院98级博士生；（1）马青山 四川斜管填料工程学院99级博士生.