聚丙烯酰胺在净水生产中的应用

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从1991年开始，我厂技术人员对佛山水司供水厂在各种复杂水质条件下的锰砂净水 石英砂净水生产中如何用好助凝剂聚丙烯酰胺，使混凝后产生一种粒度大、比重大而结实的矾花进行了生产性应用试验，获得了满意的助凝沉淀效果。几年来的实践不但解决了锰砂净水 石英砂净水生产中处理各种复杂原水水质的难题，而且在保证水质和不增加锰砂净水 石英砂净水成本的前提下，使生产能力大幅度提高。
1 试验

1.1 试验仪器与试剂
　　6组搅拌叶片的混凝搅拌机；浊度计和pH计；聚丙烯酰胺；氢氧化钠；硫酸铝或聚合氯化铝；1L烧杯；各种刻度吸管。
2 W$ g/ p9 q: S$ u, n% l1.2 试验条件及方法
) {# s$ M7 ?# D$ G/ \, d$ k: d　　按《给斜管填料》和《斜管填料工程理论与应用》中介绍的凝聚试验方法，模拟锰砂净水 石英砂净水生产工艺的混合搅拌条件为：搅拌转速150 r/min，搅拌时间3min；絮凝反应搅拌条件为搅拌转速50r/min，搅拌时间10min。观察并记录矾花形成情况，静止沉淀10min，同时观察并记录矾花沉淀情况和检测上清液浊度及pH值。当出现常用锰砂净水 石英砂净水方法不能净化处理原水时，首先应进行最优投矾量试验选出最佳投矾量，然后进行模拟锰砂净水 石英砂净水生产的助凝沉降试验，最后将助凝试验结果运用到锰砂净水 石英砂净水生产实际中。
; Y' x; M* N! O! _1.3 试验结果
1.3.1 聚丙烯酰胺最佳投量
. k! w! f3 w( b3 V( {2 {$ d/ D　　表1的结果表明：聚丙烯酰胺作为锰砂净水 石英砂净水助凝剂，其最佳投量是0.03～0.4mg/L。在锰砂净水 石英砂净水生产中也证明了投加量少于0.03mg/L时它的助凝效果不显著；超过0.4mg/L时它的助凝作用过快，形成的矾花颗粒很大，易造成大量的污泥沉积在反应池的后部和沉淀池的前部，沉淀池的长度和面积不能充分利用，影响反应沉淀效果。

表1 聚丙烯酰胺最佳投量试验结果 杯号 固体聚合氯化铝投加量（mg/L） 固体聚丙烯酰胺投加量（mg/L） 矾花描述 混液面沉速（mm/s） 上清液浊度（NTU） 上清液PH值
A1 3 0 很细 0.30 9.6 6.6
A2 3 0.01 很细 0.38 4.9 6.6
A3 3 0.03 大、实 0.57 3.1 6.6
A4 3 0.06 较大、重 0.83 3.0 6.6
A5 3 0.10 很大、重 1.70 3.2 6.6
" m4 W/ A5 q  A) KA6 3 0.30 很大、重 3.12 3.1 6.6
A7 3 0.60 助凝剂加入后迅速形成粗而结实的矾花，3min后矾花沉底，上清透明。 2.8 6.6
A8 3 1.00 2.9 6.6
3 ]0 `) c; k, Q' I  tB1 5 0 很细 0.30 7.2 7.5
B2 5 0.10 很细 0.32 2.8 7.5
B3 5 0.03 大、实 0.83 2.9 7.5
/ C" M5 K. E& f7 o0 YB4 5 0.06 较大、重 3.12 7.2 7.5
B5 5 0.10 很大、重工业 4.17 6.9 7.5
; o- L$ u+ b& s& L" J" qB6 5 0.30 助凝剂加入后迅速形成粗而结实的矾花，3min后矾花沉底，上清透明 3.1 7.5
4 s6 K3 Z! B( c  s6 F4 ~4 e; h6 \+ d  HB7 5 0.60 2.8 7.5
5 x1 ]* y( h& e7 x, s! VB8 5 1.00 2.9 7.5
: a# Q5 y& o8 q7 YC1 20 0 很细、轻 0.23 13.6 7.2
6 k: W8 M3 E$ J5 u. q1 \4 T. X& ^C2 20 0.01 很细、径 0.23 13.0 7.2
; D( ]. F5 F% [! ?0 `C3 20 0.03 大、实 0.52 5.0 7.2
C4 20 0.06 较大、重 0.83 4.1 7.2
C5 20 0.10 很大、重 1.14 3.8 7.2
C6 20 0.30 很大、重 1.39 2.5 7.2
C7 20 0.60 加入4min后，矾花沉底，上清透明。 2.1 7.2
0 B) x4 h8 o; w1 B4 @C8 20 1.00 加入3min后，矾花沉底，上清透明。 2.1 7.2
注 A1—A8 烧杯中原水浊度1063NTU，原水PH值6.6，原水温度25℃
B1—B8 烧杯中原水浊度2073NTU，原水PH值7.5，原水温度26℃

1.3.2 助凝剂最佳投加点
　　聚丙烯酰胺作为锰砂净水 石英砂净水助凝剂，其投入点是决定助凝沉淀效果好坏的关键。表2的试验结果和在锰砂净水 石英砂净水生产中应用结果表明：在絮凝反应总时间的1/2～2/3间加入聚丙烯酰胺可获得最佳的助凝沉淀效果。如果和聚合氯化铝同时投加则毫无助凝效果；如果在絮凝反应总时间的前或后1/3的时间里加入，其助凝效果都不显著。过早加入，细小的矾花未形成；过迟加入其聚合网捕作用时间不充分，助凝效果无法发挥。
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表2 聚丙烯酰胺最佳投入点试验结果 杯号 1 2 3 4 5 6
固体聚合氯化铝投加量（mg/L） 4 4 4 4 4 4
: ^8 j1 M8 P$ V固体聚丙烯酰胺投加量（mg/L） 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05
# s% |. l1 b* g+ ]( N/ ^+ R助凝剂投入后搅拌时间（min） 13 10 8 6 4 2
" ?! B" l$ m- G# J, ~# q9 ]矾花描述 很细 细小、轻 细小、轻 大、结实 大、结实 细小、轻
混液面沉速（mm/s） 0.33 0.42 0.50 0.72 0.69 0.48
上清液浊度（NTU） 9.0 7.8 5.5 3.0 3.4 6.0
上清液PH值 7.6 7.6 7.6 7.6 7.6 7.6
注 1 原水浊度：1390NTU；原水PH值：7.6；原水温度：25℃
　　2 助凝剂加入时间点：1号杯和聚合氯化铝同时投加，2-6号杯分别在絮凝反应搅拌开始时、2min、4min、6min和8min时加入
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5 \% o" g" E5 X4 y/ j1 P6 w. ^2 聚丙烯酰胺水解(碱化)
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9 q& [1 H5 M' C" Q　　在溶解聚丙烯酰胺的同时加入一定比例的氢氧化钠，溶解后放置8 h左右使之充分水解(碱化)，经水解后可使聚丙烯酰胺卷曲的高分子链充分伸展开，大大地增加了它和细小矾花颗粒相碰和吸附的机会，使聚丙烯酰胺的吸附架桥网捕作用得到充分的发挥，从而进一步提高助凝效果。实际应用经验表明，现配现用的水解比(碱化比)要大一些，一般选用1∶0.2为宜，即1g聚丙烯酰胺加入0.2g氢氧化钠。如果水解时间能满足8h，水解比应选用1∶0.01～1∶0.05。水解比越大所需水解时间就越短，但水解比过大会造成净化后的水质pH值升高。如果使用水解度为30%以上的阴离子型聚丙烯酰胺，即可免去水解步骤。
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3 生产应用
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* r/ Y7 R3 ]0 L2 k3 h' d　　自1991年初采用聚丙烯酰胺作为锰砂净水 石英砂净水助凝剂以来，无论原水水质情况如何均可获得令人满意的助凝沉淀效果，超负荷35%左右生产供水也是如此。由于采用聚丙烯酰胺作为锰砂净水 石英砂净水助凝剂，石湾水厂1991年多供水675.66×104t，1992年多供水2500.72×104t ，1993年多供水4376.98×104t。目前公司全部水厂已经将聚丙烯酰胺作为锰砂净水 石英砂净水助凝剂经常性投加使用，不但能够保量优质供水，而且为锰砂净水 石英砂净水生产管理带来了方便，制水成本也不会增加，同时大大提高了絮凝沉淀效果，减少一半左右的聚合氯化铝用量，提高了沉淀池的制水能力。因此直接和间接降低了制水总成本。
) ~' D* L+ X% k, O　　在实际应用中使用粉末状的固体聚丙烯酰胺高分子助凝剂，通常用自动送粉器或简易分散器等定量送粉，使其在一定量的水中分散溶解之后，再通过计量泵投加到反应池中。
6 [9 n7 F) d! Z: ^$ `　　在溶解时，如果只是简单地将聚丙烯酰胺投入水中，就会形成块状，即使长时间搅拌也不溶解，而且容易造成投加系统堵塞。因此一般采用溶解水和粉末接触分散呈薄膜状态的分散器。在自动送粉器中，一般装有分散器。在用手工分散时，使用如图1所示的简易分散器。
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　　完全溶解的聚丙烯酰胺投加到反应池的中段，利用水的流动作用，可使细小的絮凝体与聚丙烯酰胺均匀结合，形成大而结实的矾花。如果人为地增设混合措施则造成絮凝体被破坏而失去助凝作用。不需要辅助混合设施是此方法的一大优点。只要在反应总时段的1/2～2/3间加入溶解好的助凝剂聚丙烯酰胺，即可获得理想的助凝沉淀效果。

4 几点体会
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　　① 聚丙烯酰胺作为锰砂净水 石英砂净水助凝剂，必须充分搅拌溶解后才能投加使用。否则不能发挥其应有的高效助凝效果，还会造成投加系统堵塞、封闭滤池表面、破坏滤池效率、大大缩短滤池的反冲洗周期等不良后果。溶解时搅拌速度应控制在400～1000r/min，溶解搅拌时间1h左右为宜,麦饭石。低温季节水温低、难溶解，用热水可缩短溶解时间，但水温不能超过60℃。
" X* {! S+ E9 `  c　　② 聚丙烯酰胺作为锰砂净水 石英砂净水助凝剂，要获得最佳助凝效果的用量幅度很小，其最佳投量是0.03～0.4mg/L。超出这个范围会不起作用或很容易起副作用。
" Y  m% N5 _+ Q, u; W　　③ 投加点是决定聚丙烯酰胺助凝沉淀效果好坏的关键。最佳投加点是在锰砂净水 石英砂净水生产絮凝反应全流程中的1/2～2/3。
　　④ 为保证均匀混合，应使用最稀浓度。聚丙烯酰胺浓度为0.05%左右，既利于搅拌溶解又便于投加使用，而且助凝效果最佳。聚丙烯酰胺溶液不宜存放超过10d，也不能与铁器接触，溶解水温不能超过60℃。否则会使聚丙烯酰胺分子链断开而失去助凝效果，并造成净化出水中丙烯酰胺单体含量增加的不良后果。
　　⑤ 聚丙烯酰胺经过水解(碱化)可提高助凝效果。水解时间要8h左右，最佳水解比是1∶0.01～1∶0.05。在实际生产中经常是应急使用，无充足的水解时间，可通过加大水解比来达到较好水解的目的。现配现用的水解比1∶0.2较为适合。
　　⑥ 为使净化出水中丙烯酰胺单体含量不超过卫生标准的规定，必须采用高聚合度的聚丙烯酰胺作为饮用水的锰砂净水 石英砂净水助凝剂，要求使用丙烯酰胺单体含量低于0.2%的产品。
7 X3 I! N, b# D: L  _0 m　　⑦ 对各种原水水质(包括超负荷35%左右)，高效助凝剂聚丙烯酰胺均能发挥良好的助凝沉淀效果。如石湾水厂第三车间，其设计供水能力是15×104t/d。采用聚丙烯酰胺作为助凝剂，投加量0.05mg/L，在保证优质供水的前提下，全天供水量达到22.3×104 t，超出设计供水能力的48.7%。