聚丙烯酰胺在凈水生產(chǎn)中的助凝應用研究
摘要：多年來，我公司在供水生產(chǎn)中，有時盡管調(diào)整投礬量和pH值，原水仍然難以凈化處理好。以往凡是遇到原水難凈化時，唯有大幅度減產(chǎn)保質(zhì)供水。這種措施不但使供水量和服務水壓下降而嚴重 影響 市民正常用水，而且公司的 經(jīng)濟 效益亦受到損失。為了徹底解決這個凈水生產(chǎn)中的大難題，從1991年開始在公司屬下的供水廠以聚丙烯酰胺為助凝劑進行了深入的生產(chǎn)性 應用 試驗，獲得了令人滿意的助凝沉淀效果。
關(guān)鍵詞：聚丙烯酰胺 凈水生產(chǎn) 助凝應用 研究
一 實驗部分
1 儀器與試劑
六組攪拌葉片的混凝攪拌機;
濁度計和pH計;
聚丙烯酰胺;
氫氧化鈉;
硫酸鋁或聚合氯化鋁;
1L燒懷;
各種刻度吸管等。
| 杯號 | 投加量（mg/L) | 礬花描述 | 混液面沉速（mm/s) | 上清液濁度（NTU） | 上清液pH |
| 1 | —— | 很細 | 0.30 | 9.6 | 6.6 |
| 2 | 0.01 | 很細 | 0.38 | 4.9 | 6.6 |
| 3 | 0.03 | 較大、實 | 0.57 | 3.1 | 6.6 |
| 4 | 0.06 | 大、重 | 0.83 | 3.0 | 6.6 |
| 5 | 0.10 | 很大、重 | 1.70 | 3.2 | 6.6 |
| 6 | 0.30 | 很大、重 | 3.12 | 3.1 | 6.6 |
| 7 | 0.60 | 助凝劑加入后迅速形成粗而結(jié)實的礬花，3min后礬花沉底，上清液透明 | 2.8 | 6.6 | |
| 8 | 1.00 | 2.9 | 6.6 | ||
2 實驗條件及 方法
按《給水處理》和《水處理工程 理論 與應用》中介紹的凝聚試驗方法，模擬凈水生產(chǎn)工藝的混合攪拌條件，攪拌轉(zhuǎn)速為150r/min、攪拌時間3min，絮凝反應攪拌條件，攪拌轉(zhuǎn)速為50r/min、攪拌時間10min，觀察并記錄礬花形成情況，靜止沉淀10min，同時觀察并記錄礬花沉淀情況的和檢測上清液濁度及pH值。當原水出現(xiàn)常規(guī)凈水方法不能凈化處理的情況時，首先應進行最優(yōu)投礬量試驗，選出最佳投礬量，然后進行模擬凈水生產(chǎn)的助凝沉降試驗，最后將助凝試驗結(jié)果運用到凈水生產(chǎn)實際中。
| 杯號 |
投加量 （mg/L) |
礬花描述 |
混液面沉速 （mm/s) |
上清液濁度 （NTU） |
上清液pH |
| 1 | —— | 很細 | 0.30 | 7.2 | 7.5 |
| 2 | 0.01 | 很細 | 0.32 | 6.9 | 7.5 |
| 3 | 0.03 | 較大、實 | 0.83 | 3.1 | 7.5 |
| 4 | 0.06 | 大、重 | 3.12 | 2.8 | 7.5 |
| 5 | 0.10 | 很大、重 | 4.17 | 2.9 | 7.5 |
| 6 | 0.30 | 助凝劑加入后迅速形成粗而結(jié)實的礬花，3min后礬花沉底，上清液透明。 | 2.8 | 7.5 | |
| 7 | 0.60 | 3.1 | 7.5 | ||
| 8 | 1.00 | 2.9 | 7.5 | ||
注：原水濁度：2073NTU;pH值：7.5;溫度：26℃固體聚合氯化鋁投加量：5mg/L。
| 杯號 | 投加量（mg/L) | 礬花描述 | 混液面沉速（mm/s) | 上清液濁度（NTU） | 上清液pH |
| 1 | —— | 很細、輕 | 0.23 | 13.6 | 7.2 |
| 2 | 0.01 | 很細、輕 | 0.23 | 13.0 | 7.2 |
| 3 | 0.03 | 較大、實 | 0.52 | 5.0 | 7.2 |
| 4 | 0.06 | 大、重 | 0.83 | 4.1 | 7.2 |
| 5 | 0.10 | 很大、重 | 1.14 | 3.8 | 7.2 |
| 6 | 0.30 | 很大、重 | 1.39 | 2.5 | 7.2 |
| 7 | 0.60 |
加入4min后，礬花沉底，上清液透明。 加入3min后，礬花沉底，上清液透明。 |
2.1 | 7.2 | |
| 8 | 1.00 | 2.1 | 7.2 | ||
注：原水濁度：2037NTU;pH值：7.5;溫度：26℃;固體硫酸鋁投加量：20mg/L。
二 實驗結(jié)果
1 聚丙烯酰胺最佳投加量
我公司規(guī)定待濾水濁度控制<5NTU。從表1至表3的結(jié)果表明：投加適量的助凝劑就能使待濾水濁度<5NTU，聚丙烯酰胺作為凈水助凝劑，其最佳投加量是0.03～0.4mg/L之間。在凈水生產(chǎn)實際應用中也證明了投加量少于0.03mg/L時它的助凝效果不顯著。超過0.4mg/L時它的助凝作用過快，形成的礬花粒特大，易造成大量的污泥沉積在反應池的后部和沉淀池的前部，沉淀池的長度和面積不能充分利用和影響反應沉淀效果。
2 助凝劑最佳投加點
聚丙烯酰胺作為凈水助凝劑，它的投入點是決定助凝沉淀效果好壞的關(guān)鍵(見表4)
| 杯號 |
投加量 （mg/L) |
礬花描述 |
混液面沉速 （mm/s) |
上清液濁度 （NTU） |
上清液pH值 |
| 1 | 13 | 很細 | 0.33 | 9.0 | 7.6 |
| 2 | 10 | 細小、輕 | 0.42 | 7.8 | 7.6 |
| 3 | 8 | 細小、輕 | 0.50 | 5.5 | 7.6 |
| 4 | 6 | 大、結(jié)實 | 0.72 | 3.0 | 7.6 |
| 5 | 4 | 大、結(jié)實 | 0.69 | 3.4 | 7.6 |
| 6 | 2 | 細小、輕 | 0.48 | 6.0 | 7.6 |
表4的試驗結(jié)果和我們在凈水生產(chǎn)中實際應用結(jié)果表明：在絮凝反應總時間的1/2至2/3之間加入聚丙烯酰胺可獲得最佳助凝沉淀效果。如果和混凝劑同時投加則毫無助凝效果;如果在絮凝反應總時間的前或后1/3的時間時里加入，其助凝效果都不顯著，過早加入，細小的礬花未形成，過遲加入其聚合網(wǎng)捕作用時間不充分。所以過早或過遲投加聚丙烯酰胺它的助凝效果都無法發(fā)揮。
三 聚丙烯酰胺水解(堿化)
在溶解聚丙烯酰胺的同時加入一定比例的氫氧化鈉，溶解后放置8h左右使它充分水解(堿化)，經(jīng)水解后可使聚丙烯酰胺卷曲的高分子鏈充分伸展開，見圖1和圖2。伸展的聚丙烯酰胺高分子長鏈大大地增加了它和細小礬花顆粒相碰和吸附的機會，使聚丙烯酰胺的吸附架橋網(wǎng)捕作用得到充分的發(fā)揮，從而進一步提高助凝效果。從生產(chǎn)實際 應用 的經(jīng)驗表明，現(xiàn)配現(xiàn)用的水解化(堿化比)要大一些，一般選用1：0.2為宜，即1g聚丙烯酰胺加入0.2g氫氧化鈉。如果水解時間能滿足8h，水解比應選用1：0.01--1:0.05。水解比過大會造成凈化后的水質(zhì)pH值嚴重升高。如果使用水解度為30%以上的陰離子型聚丙烯酰胺，即可免水解步驟。
四、 生產(chǎn)應用
自1991年初以來，我公司屬下供水廠凡是遇到原水水質(zhì)不能用常規(guī)凈化 方法 凈化時和超負荷生產(chǎn)供水時(我們在凈水生產(chǎn)中遇到的難處理、難凈化的情況是指：低溫低濁或高濁、低pH值，pH值<6.8以硫酸鋁為凈水劑，超負荷供水可達35%)，均采用聚丙烯酰胺作為凈水助凝劑。多年來，助凝劑聚丙烯酰胺為我公司保質(zhì)保量供水發(fā)揮了重的作用，獲得了顯著的 經(jīng)濟 效益和 社會 效益。如我公司第二水廠未投產(chǎn)前幾年，由于采用聚丙烯酰胺作為凈水助凝劑，石灣水廠1991年多供水675.66萬m3，1992多供水2500.72m3，1993多供水4376.98萬m3。 目前 在我們公司屬下的全部水廠使用聚丙烯酰胺作為凈水助凝劑，不但能夠保量優(yōu)質(zhì)供水，而且為凈水生產(chǎn)管理帶來了方便，制水成本不但不會增加，反而由于應用了聚丙烯酰胺而大大地提高了絮凝沉淀效果，減少1/3以上的混凝劑用量(見表5)，也大大地提高了沉淀池的制水能力。因此降低了制水總成本。
使用助凝劑降低凈水劑用量的比較 表5
| 原水濁度（NTU） | 投加量（mg/L) | 待濾水濁度（NTU） | 降低礬耗（%） | ||
| 聚合氯化鋁 | 硫酸鋁 | 聚丙烯酰胺 | |||
| 52 |
2.8 1.5 |
25*2 15*2 |
0.03 0.03 |
4.1 3.9 3.2 2.8 |
46.4 40.0 |
| 150 |
3.2 2.0 |
35*2 20*2 |
0.04 0.05 |
3.9 3.4 4.0 3.8 |
37.5 42.8 |
| 1063 |
5.0 3.0 |
25 15 |
0.04 0.04 |
4.2 2.9 3.9 3.5 |
40.0 40.0 |
| 2037 |
10.0 5.0 |
35 20 |
0.03 0.06 |
4.5 3.1 4.6 4.1 |
50.0 42.8 |
在生產(chǎn)實際應用中，使用粉末狀的固體聚丙烯酰胺高分子助凝劑，通常用自動送粉器或簡易分散器等定量送粉，使其在一定量的水中分散溶解之后，再通過計量泵投加到反應池中。其一般的流程見圖3
在溶解時，如果只是簡單地將聚丙烯酰胺投入水中，就會形成塊狀，即使長時間攪拌也不溶解，不僅是徒勞，而且容易造成投加系統(tǒng)堵塞事故。因此一般采用分散器溶解水和粉末接觸分散呈薄膜狀態(tài)。在自動送粉器中，一般裝有分散器。在用手工分散時，使用如圖4所未的簡易分散器。
完全溶解的聚丙烯酰胺投加到反應池的中段處，利用水的流動作用，可使細小的絮凝體與聚丙烯酰胺均勻結(jié)合形成大而結(jié)實的礬花。如果人為地增設混合措施則千萬絮凝體被破壞而失去助凝作用。不需要輔助混合設施是此方法的一大優(yōu)點。只要在反應總時段的1/2至2/3之間加入溶解好的助凝劑聚丙烯酰胺，即可獲得理想的助凝沉淀效果。
五 衛(wèi)生安全性
聚丙烯酰胺作為飲用水的凈水助凝劑，它的毒性如何是人們普遍關(guān)心的 問題 。根據(jù)國內(nèi)外大量的動物急、慢性毒理實驗證明，聚丙烯酰胺高分子絮凝劑屬“三無”產(chǎn)品(即無致畸、無致癌、無致突變)。而且通過小白鼠和大白鼠急性灌胃給藥實驗證明，當劑量高達7.5g/kg時，未引起動物死亡，亦未出現(xiàn)任何中毒癥狀。因引聚丙烯酰胺屬安全性極高的產(chǎn)品。但是聚丙烯酰胺在飲用水處理中的應用時需考慮丙烯酰胺單體的含量，歐共體國家對此的標準為0.1μg/L，美國為0.7μg/L,我國的規(guī)定是經(jīng)常性使用時為0.01mg/L，非經(jīng)常使用時為0.01mg/L。而我們使用的聚丙烯酰胺是優(yōu)等品，丙烯酰胺單體含量是0.028%，聚丙烯酰胺的投加量也在歐共體的標準<0.4mg/L以內(nèi)。所以我們采用的聚丙烯酰胺作為飲用水的凈水助凝劑是無毒無副作用、衛(wèi)生安全可靠的。
六 應用中的幾點體會
1 投加點是決定聚丙烯酰胺助凝沉淀效果好壞的關(guān)鍵。最佳投加點是在凈水生產(chǎn)絮凝反應總時段中的1/2至2/3之間。
2 聚丙烯酰胺作為凈水助凝劑，要獲得最佳助凝效果的用量幅度很小，其最佳投加量是0.03～0.4mg/L之間。超出這個范圍會不起作用或很容易起壞作用。
3 聚丙烯酰胺作為凈水助凝劑，必須充分攪拌溶解后才能投加使用。否則不能發(fā)揮它應有的高效助凝效果，還會造成投加系統(tǒng)堵塞、封閉濾池表面破壞濾池效率、大大縮短濾池的反沖洗周期等不良后果。溶解時攪拌速度應控制在400～1000r/min。溶解攪拌時間1h左右為宜。低溫季節(jié)水溫低、難溶解，用熱水可縮短溶解時間。但水溫不能超過60℃。
4 應該使用有效的最稀濃度進行投加，以保證均勻混合。聚丙烯酰胺濃度為0.05%左右既利于攪拌溶解又便于投加使用，而且助凝效果最佳。聚丙烯酰胺使用溶液不宜存放超過10天，也不能與鐵器接觸，溶解水水溫不能超過60℃。因為這些都能造成聚丙烯酰胺分子鏈斷開而失去助凝效果，而且造成出廠水的丙烯酰胺單體含量超標的不良后果。
5 聚丙烯酰胺經(jīng)過水解(堿化)可提高助凝效果。水解時間要8h左右，最佳水解比是1：0.01～1:0.05。在實際生產(chǎn)中經(jīng)常是應急使用，如無充足的水解時間，可通過加大水解比來達到較好水解的目的，F(xiàn)配現(xiàn)用的水解比是1：0.02較為適合。
6 為了使凈化后的水中丙烯酰胺單體含量不超過衛(wèi)生標準的規(guī)定，必須采用高聚合度的聚丙烯酰胺作為飲用水的凈水助凝劑，要求使用丙烯酰胺單體含量低于0.2%的產(chǎn)品。
7 不能用常規(guī)的方法凈水或超負荷35%左右供水，高效助凝劑聚丙烯酰胺均能發(fā)揮良好的助凝沉積效果。如我公司石灣水廠第三車間，其設計供水能力是15萬m3/d，采用聚丙烯酰胺作為助凝劑，其投加量是0.05mg/L，在保證優(yōu)質(zhì)供水的前提下，1993年8月7日原水濁度為140NTU，出廠水濁度是0.6NTU，全天供水量達到22.3萬m3，超出設計供水能力的48.7%。
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