汪義強(qiáng) 張金松 梁 明 尤作亮
深圳市自來水(集團(tuán))有限公司 水技術(shù)研究所

　　摘 要　通過試驗(yàn)證明，石灰對高藻原水混凝具有促進(jìn)作用。其促絮凝作用機(jī)理在于：高藻原水混凝由于藻類影響，絮體形成雖量多，但絮片小，不易沉降，除濁的充分發(fā)揮需要借助于良好的架橋吸附和沉淀物網(wǎng)捕作用，投加石灰通過調(diào)節(jié)原水pH值為8.7左右，能夠形成最多量、架橋吸附和沉淀物網(wǎng)捕較強(qiáng)的無定形Al(OH)₃。投加石灰雖增加了水中Ca²⁺離子強(qiáng)度，影響水中膠體及有機(jī)物的ζ電位，但促雙電層壓縮作用微弱。
　　關(guān)鍵詞 　 高藻原水：石灰；水解產(chǎn)物：ζ電位

1 引言

　　高藻原水通常伴隨低濁、高氨氮、高有機(jī)物的特點(diǎn)，常規(guī)工藝在處理過程時(shí)引起的主要問題之一是經(jīng)混凝、沉淀、過濾后，水的pH值較低。為保證出廠水pH 值，國內(nèi)水廠多在混凝過程中加石灰，事實(shí)證明，投加石灰方式調(diào)節(jié)出廠水pH值 的作法是有效的。但生產(chǎn)過程中，石灰對混凝過程發(fā)生了怎樣的影響，又是如何影響的，卻少見有報(bào)導(dǎo)，本文旨在對上述問題通過試驗(yàn)加以論證和探討。

2 試驗(yàn)材料、方法與內(nèi)容

2.1試驗(yàn)藥劑與器材
　　試驗(yàn)藥劑：堿式氯化鋁、生石灰(CaO)、NaOH、HCl、固體CaCl₂ 試驗(yàn)器材：六聯(lián)攪拌儀、電光天平、蒸餾水器、溫度計(jì)、藥匙、燒杯、容量瓶、吸耳球、濁度儀、pH計(jì)、ζ電位僅、移液管等試驗(yàn)方法：取生產(chǎn)原水，在混凝攪拌儀上利用優(yōu)化的攪拌程序進(jìn)行試驗(yàn)，優(yōu)化混凝程序?yàn)椋嚎焖贁嚢?0秒(500r／min)→中速攪拌60秒(250r／min)→慢速攪拌12min(50r／min)→沉淀10min→表層取樣測定。
2.2 試驗(yàn)內(nèi)容
　　進(jìn)行投加石灰與不投加石灰的混凝沉淀效果對比，以酸、堿、Ca(OH)₂等調(diào)節(jié)原 水pH值并測定相應(yīng)的ζ電位變化等試驗(yàn)結(jié)果，分析石灰對混凝影響的作用機(jī)理。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 投加石灰對混凝的作用
　 混凝前投加石灰水上清液(石灰有效成分投加量采用1.5mg/L。5mg/L)和不加石灰水 上清液的混凝沉淀結(jié)果觀察表明：預(yù)先加石灰對混凝具有明顯促進(jìn)作用。形成的礬花密實(shí)且沉淀水清亮透明。圖1所示沉后余濁的檢測結(jié)果也表明，預(yù)先投加石 灰比未加石灰的最終沉后水濁度低。

　

　　預(yù)先投加石灰對高藻原水混凝除濁具有促進(jìn)作用。究其原因，可從石灰對水體 影響的兩方面來分析：石灰的的有效成分為CaO，投加石灰一方面改變了原水反應(yīng)pH值，使pH值升高，另一方面即增加了水中Ca²⁺。由于水的池凝過程是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，混凝的效果不僅與所加混凝劑的類別、攪拌條件等因素有關(guān)，而且與溶膠分散系的成分組成、濃度、電荷電位等眾多因素有關(guān)。因此投加石灰使原水pH值增加和增加水中Ca²⁺離子濃度勢必會(huì)對混凝過程造成一定影響。
3.2 不同pH值條件下原水的混凝效果
　　投加石灰增加了原水pH值，為考察石灰增加原水pH值對混凝的影響，以HCl、NaOH調(diào)節(jié)原水為不同pH值進(jìn)行多組混凝試驗(yàn)。結(jié)果見圖2。
　　由圖2(a)、(b)可以看出，在偏酸性的條件下，混凝效果不理想，最終沉淀 余濁較高，而隨著原水pH值的增加(5.5→8.7)，濁度去除率升高，當(dāng)超過8.7后，濁度去除率又有降低趨勢?？梢?，對所使用的堿鋁及原水，較佳的反應(yīng)pH值為8.7左右較好。

　　

　　因此，反應(yīng)前預(yù)先加石灰不僅能夠有效抑制后續(xù)的出廠水pH值不致過低，而且對混凝反應(yīng)也起到了pH值調(diào)節(jié)劑作用，改善了絮凝效果。
3.3 不同pH值條件下原水的ζ電位試驗(yàn)結(jié)果與分析
　　石灰改變了原水pH值，對混凝的影響包括兩個(gè)方面：一是影響了混凝劑水解產(chǎn)物在水中存在的形態(tài)；其次，原水pH值的改變影響了水中膠體物等各種帶電微粒的ζ電位，改變了水中部分有機(jī)物的形態(tài)。調(diào)節(jié)原水pH值影響水中有機(jī)物方面，有人專門培養(yǎng)過單種藻細(xì)跑并進(jìn)行藻類及其分泌物對混凝過程影響研究，結(jié)果表明，pH值的調(diào)節(jié)影響了藻細(xì)胞分泌物的電性和分子結(jié)構(gòu)，改變了水中膠體物 等各種帶電微粒的ζ電位，從而改變了水中膠體的穩(wěn)定性[1]。
　　由于混凝劑水解產(chǎn)物在水中的存在形態(tài)不易測定，因此以石灰上清液、NaOH 或HCl分別調(diào)整原水為不問pH值，考察其對ζ電位的影響，結(jié)果見圖3、圖4。

　　由圖3、圖4可見，以NaOH、HCl調(diào)節(jié)原水pH值，隨著pH值的升高，水體ζ電位負(fù)電性增強(qiáng)(遠(yuǎn)離于零)，而以石灰水上清液調(diào)節(jié)原水pH值，隨pH值的升高，水體ζ電位負(fù)電性卻減弱(趨向于零)，二者趨勢相反。由此可見，投加石灰使水體ζ電位恢往零靠近并非由其增加水的pH引起。
3.4 增加水中Ca²⁺對泥凝效果的影響
　　 根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及前述石灰的成分分析，投加石灰使水體ζ電位往零靠近則應(yīng)由增加水中的Ca²⁺引起、為證實(shí)此結(jié)論，以與石灰等摩爾量的CaCl₂溶液加入原水，進(jìn)行混凝沉淀試驗(yàn),結(jié)果見圖5。

　　可見，在較佳絮凝劑投量范圍內(nèi)(2.4—2.9mg/L)，加CaCl₂的絮凝沉淀效果比不加CaCl₂與的效果好，除濁率稍高。此說明。混凝中石灰的投加確實(shí)起到了增加水中離子Ca²⁺，使ζ電位趨向于零促進(jìn)絮凝。
　　但由圖4試驗(yàn)結(jié)果也可看出，投加石灰使pH值由7.0增加到前述混凝效果較佳的pH值8.6，ζ電位負(fù)值由-27.1減小到-22.7，僅減小4.4mv。同時(shí)由圖5也可看出，加CaCl₂的絮凝沉淀效果只比不加CaCl₂與的效果稍好。此外，試驗(yàn)過程中同時(shí)對原水投加CaCl₂后的pH值也進(jìn)行了檢測，顯示pH值未發(fā)生變化。由此可見，投加石灰雖增加了Ca²⁺，使ζ電位趨近于零促絮凝，但加石灰使ζ電位朝著有 利于混凝的方向變化并非石灰促絮凝的主要作用機(jī)理。

4 石灰促絮凝作用機(jī)理

　　按照混凝理論，混凝劑水解產(chǎn)物與膠粒之間的作用分為：雙心層壓縮(DLVO理論)、吸附電中和、吸附架橋、沉淀物卷掃。DLVO理論指向水中投加混凝劑。增加反離子濃度壓縮膠體擴(kuò)散層，降低排斥勢能峰；吸附電中和理論指高價(jià)混凝劑經(jīng)水解縮聚形成帶正電的高分子物，與帶負(fù)電的膠粒間發(fā)生靜電吸附和電性中和，從而最終沉淀；吸附架橋指高分子物對膠體的強(qiáng)烈吸附，體現(xiàn)膠粒與膠粒間的架橋聯(lián)接作用；沉淀物卷掃指鋁鹽、鐵鹽等由于超過容度積產(chǎn)生絮狀氫氧化物沉淀，這些絮狀氫氧化物只存巨大網(wǎng)狀表面結(jié)構(gòu)且?guī)б欢ㄕ姾?，在沉淀過程中膠體顆?？赏瑫r(shí)被黏附網(wǎng)捕而在沉淀物中迅速卷掃沉淀[2]。
　　根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，石灰使原水pH值升高促絮凝作用并非影響水體的ζ電位起主要作用。對鋁鹽而言，其水解產(chǎn)物在水中存在的形態(tài)多達(dá)二、三十種，鋁鹽 混凝劑的水解平衡狀態(tài)主要取決于投入水鋁鹽的濃度和溶液的pH值。在一定條件下，Al³⁺經(jīng)過水解、聚合或絡(luò)合反應(yīng)形成多種形態(tài)的配合物、聚合物以及A1(OH)₃。強(qiáng)酸性條件下，鋁鹽主要水解產(chǎn)物是比電荷(電荷量／摩爾鋁)高、聚合度低的溶解性低分子物種。pH＜4時(shí)，[Al(OH)n]³⁺(n=6-10)占絕對對數(shù)，隨著pH值的升高，比電荷低、聚合度高的物種開始形成：pH為4-6時(shí)，[Al6（OH）15]³⁺、[Al8(OH)20]⁴⁺是主要的物種，此時(shí)混凝作用機(jī)理主要是壓縮雙電層。但當(dāng)pH值達(dá)到6左右時(shí)，溶液中開始形成不定形[Al(OH)₃],pH值到達(dá)8左右時(shí)，不定形[Al(OH)₃]形成最多， 沉淀物卷掃成為混凝作用的主要機(jī)理。而當(dāng)pH值繼續(xù)增大為強(qiáng)堿性時(shí)，不定形[Al(OH)₃]又開始溶解，形成帶負(fù)電的水解物種如[Al(OH)₄]^－、[Al(OH)26]^2-等，并與負(fù)電膠體物間存在排斥作用^[3][4]。
　　由此可見，投加石灰增大原水使pH為8左右，鋁鹽混凝劑水解產(chǎn)物存在形態(tài)主要為無定形[Al(OH)₃]，增加石灰則應(yīng)主要是影響了絮凝劑水解產(chǎn)物的形態(tài)，形成量多、結(jié)構(gòu)有利于發(fā)揮網(wǎng)捕作用的絮狀[Al(OH)3]，從而提高混凝除濁率。高藻原水相對于高濁度低有機(jī)物的污染原水而言，由于其中所含的帶負(fù)電膠體數(shù)量大大減少，而不定形、比膠體粒度大得多的藻類有機(jī)物大大增多，因此更需要籍表面積更大、網(wǎng)捕作用更好的不定形水解物來去除膠體，而不象傳統(tǒng)無機(jī)膠體物占主導(dǎo)的原水那樣，主要借助雙電層壓縮和吸附電中和作用去除。
　　綜上所述，高藻原水處理時(shí)，由于無機(jī)膠體相對較少，混凝除濁作用主要是要形成有利于網(wǎng)捕作用的絮體。加石灰使pH值升高，使鋁鹽混凝劑水解產(chǎn)物形成具有表面積巨大、吸附和網(wǎng)捕作用最好的無定形[Al(OH)₃]，因此更有利于混凝除濁，試驗(yàn)條件下原水調(diào)整pH值為8.7左右混凝效果最好。

4　 結(jié)論

　　1)鋁鹽混凝劑處理高藻原水時(shí)，預(yù)投加石灰具有促進(jìn)絮凝、改善混凝效果的作用。
　　2）石灰促進(jìn)絮凝的作用主要在于增大了原水反應(yīng)pH值，從而影響鋁鹽絮凝劑水解產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)形式，采用鋁鹽混凝劑時(shí)，形成了具有巨大表面積、能充分發(fā)揮架橋吸附和網(wǎng)捕作用水解產(chǎn)物的Al（OH）3，從而利于混凝除濁；而通過增加水中[Ca²⁺]，雖影響了水中膠體及有機(jī)物的ζ電位保雙電層壓縮，使朝著有利于混凝的方向發(fā)展，但不是石灰促絮凝作用的主要方面。
　　3）高藻原水處理時(shí)，絮凝除濁主要借助絮凝劑水解形成具有巨大表面積、能充分發(fā)揮架橋吸附和網(wǎng)捕作用的水解產(chǎn)物。

參考文獻(xiàn)

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　　[4]王曉昌，淺論鋁鹽的水解和吸附電中和過程被凝聚物濃度的影響，《環(huán)境化學(xué)》，1996，15（6）：530-535。