聚丙烯酰胺在净水生产中的助凝应用研究
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摘要：多年来，我公司在供水生产中，有时尽管调整投矾量和pH值，原水仍然难以净化处理好。以往凡是遇到原水难净化时，唯有大幅度减产保质供水。这种措施不但使供水量和服务水压下降而严重影响市民正常用水，而且公司的经济效益亦受到损失。为了彻底解决这个净水生产中的大难题，从1991年开始在公司属下的供水厂以聚丙烯酰胺为助凝剂进行了深入的生产性应用试验，获得了令人满意的助凝沉淀效果。
一 实验部分
1 仪器与试剂
六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烧怀；
各种刻度吸管等。
固体聚丙烯酰胺最佳投加量试验 表1 杯号 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 1 —— 很细 0.30 9.6 6.6 2 0.01 很细 0.38 4.9 6.6 3 0.03 较大、实 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 助凝剂加入后迅速形成粗而结实的矾花，3min后矾花沉底，上清液透明 2.8 6.6 8 1.00 2.9 6.6
2 实验条件及方法
按《给水处理》和《水处理工程理论与应用》中介绍的凝聚试验方法，模拟净水生产工艺的混合搅拌条件，搅拌转速为150r/min、搅拌时间3min，絮凝反应搅拌条件，搅拌转速为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的和检测上清液浊度及pH值。当原水出现常规净水方法不能净化处理的情况时，首先应进行最优投矾量试验，选出最佳投矾量，然后进行模拟净水生产的助凝沉降试验，最后将助凝试验结果运用到净水生产实际中。
固体聚丙烯酰胺最佳投加量试验 表2 杯号 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 1 —— 很细 0.30 7.2 7.5 2 0.01 很细 0.32 6.9 7.5 3 0.03 较大、实 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 助凝剂加入后迅速形成粗而结实的矾花，3min后矾花沉底，上清液透明。 2.8 7.5 7 0.60 3.1 7.5 8 1.00 2.9 7.5
注：原水浊度：2073NTU；pH值：7.5；温度：26℃固体聚合氯化铝投加量：5mg/L。
固体聚丙烯酰胺最佳投加量试验 表3 杯号 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 1 —— 很细、轻 0.23 13.6 7.2 2 0.01 很细、轻 0.23 13.0 7.2 3 0.03 较大、实 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，矾花沉底，上清液透明。
加入3min后，矾花沉底，上清液透明。 2.1 7.2 8 1.00 2.1 7.2
注：原水浊度：2037NTU；pH值：7.5；温度：26℃；固体硫酸铝投加量：20mg/L。
二 实验结果
1 聚丙烯酰胺最佳投加量
我公司规定待滤水浊度控制＜5NTU。从表1至表3的结果表明：投加适量的助凝剂就能使待滤水浊度＜5NTU，聚丙烯酰胺作为净水助凝剂，其最佳投加量是0.03～0.4mg/L之间。在净水生产实际应用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，形成的矾花粒特大，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和影响反应沉淀效果。
2 助凝剂最佳投加点
聚丙烯酰胺作为净水助凝剂，它的投入点是决定助凝沉淀效果好坏的关键（见表4）
杯号 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 1 13 很细 0.33 9.0 7.6 2 10 细小、轻 0.42 7.8 7.6 3 8 细小、轻 0.50 5.5 7.6 4 6 大、结实 0.72 3.0 7.6 5 4 大、结实 0.69 3.4 7.6 6 2 细小、轻 0.48 6.0 7.6
表4的试验结果和我们在净水生产中实际应用结果表明：在絮凝反应总时间的1/2至2/3之间加入聚丙烯酰胺可获得最佳助凝沉淀效果。如果和混凝剂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的时间时里加入，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。所以过早或过迟投加聚丙烯酰胺它的助凝效果都无法发挥。
三 聚丙烯酰胺水解（碱化）
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8h左右使它充分水解（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，见图1和图2。伸展的聚丙烯酰胺高分子长链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。从生产实际应用的经验表明，现配现用的水解化（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。水解比过大会造成净化后的水质pH值严重升高。如果使用水解度为30%以上的阴离子型聚丙烯酰胺，即可免水解步骤。
四、 生产应用
自1991年初以来，我公司属下供水厂凡是遇到原水水质不能用常规净化方法净化时和超负荷生产供水时（我们在净水生产中遇到的难处理、难净化的情况是指：低温低浊或高浊、低pH值，pH值＜6.8以硫酸铝为净水剂，超负荷供水可达35%），均采用聚丙烯酰胺作为净水助凝剂。多年来，助凝剂聚丙烯酰胺为我公司保质保量供水发挥了重的作用，获得了显著的经济效益和社会效益。如我公司第二水厂未投产前几年，由于采用聚丙烯酰胺作为净水助凝剂，石湾水厂1991年多供水675.66万m3，1992多供水2500.72m3，1993多供水4376.98万m3。目前在我们公司属下的全部水厂使用聚丙烯酰胺作为净水助凝剂，不但能够保量优质供水，而且为净水生产管理带来了方便，制水成本不但不会增加，反而由于应用了聚丙烯酰胺而大大地提高了絮凝沉淀效果，减少1/3以上的混凝剂用量（见表5），也大大地提高了沉淀池的制水能力。因此降低了制水总成本。
使用助凝剂降低净水剂用量的比较 表5
原水浊度（NTU） 投加量（mg/L) 待滤水浊度（NTU） 降低矾耗（%） 聚合氯化铝 硫酸铝 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
在生产实际应用中，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。其一般的流程见图3
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，不仅是徒劳，而且容易造成投加系统堵塞事故。因此一般采用分散器溶解水和粉末接触分散呈薄膜状态。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4所未的简易分散器。
完全溶解的聚丙烯酰胺投加到反应池的中段处，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千万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至2/3之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。
五 卫生安全性
聚丙烯酰胺作为饮用水的净水助凝剂，它的毒性如何是人们普遍关心的问题。根据国内外大量的动物急、慢性毒理实验证明，聚丙烯酰胺高分子絮凝剂属“三无”产品（即无致畸、无致癌、无致突变）。而且通过小白鼠和大白鼠急性灌胃给药实验证明，当剂量高达7.5g/kg时，未引起动物死亡，亦未出现任何中毒症状。因引聚丙烯酰胺属安全性极高的产品。但是聚丙烯酰胺在饮用水处理中的应用时需考虑丙烯酰胺单体的含量，欧共体国家对此的标准为0.1μg/L，美国为0.7μg/L,我国的规定是经常性使用时为0.01mg/L，非经常使用时为0.01mg/L。而我们使用的聚丙烯酰胺是优等品，丙烯酰胺单体含量是0.028%，聚丙烯酰胺的投加量也在欧共体的标准＜0.4mg/L以内。所以我们采用的聚丙烯酰胺作为饮用水的净水助凝剂是无毒无副作用、卫生安全可靠的。
六 应用中的几点体会
1 投加点是决定聚丙烯酰胺助凝沉淀效果好坏的关键。最佳投加点是在净水生产絮凝反应总时段中的1/2至2/3之间。
2 聚丙烯酰胺作为净水助凝剂，要获得最佳助凝效果的用量幅度很小，其最佳投加量是0.03～0.4mg/L之间。超出这个范围会不起作用或很容易起坏作用。
3 聚丙烯酰胺作为净水助凝剂，必须充分搅拌溶解后才能投加使用。否则不能发挥它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。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℃。
4 应该使用有效的最稀浓度进行投加，以保证均匀混合。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。聚丙烯酰胺使用溶液不宜存放超过10天，也不能与铁器接触，溶解水水温不能超过60℃。因为这些都能造成聚丙烯酰胺分子链断开而失去助凝效果，而且造成出厂水的丙烯酰胺单体含量超标的不良后果。
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，如无充足的水解时间，可通过加大水解比来达到较好水解的目的。现配现用的水解比是1：0.02较为适合。
6 为了使净化后的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 不能用常规的方法净水或超负荷35%左右供水，高效助凝剂聚丙烯酰胺均能发挥良好的助凝沉积效果。如我公司石湾水厂第三车间，其设计供水能力是15万m3/d，采用聚丙烯酰胺作为助凝剂，其投加量是0.05mg/L，在保证优质供水的前提下，1993年8月7日原水浊度为140NTU，出厂水浊度是0.6NTU，全天供水量达到22.3万m3，超出设计供水能力的48.7%。