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水研究38 (2004)486-494
絮凝体形态与循环剪切恢复的比较
明矾和聚氯化铝混凝剂
凯文·麦科迪，肯尼斯·卡尔森*，迪恩·格雷戈里
美国科罗拉多州立大学土木工程系，柯林斯堡，CO 80523-1372, 2003年5月1日;2003年9月9日收到的修订表格;2003年10月2日接受申请
摘要
本研究研究了明矾、聚氯化铝(PACl)及其混凝剂的絮凝体形成和再聚集潜力。实验规模包括发育良好的絮凝体、剪切后絮凝体和非沉降性絮凝体的絮凝体形态特征。观察到不同的混凝剂应用可产生形态不同的不可凝结絮凝体。明矾处理使絮凝物的平均絮凝尺寸从凝固状态下降到非凝固状态，而PACl处理和PACl/明矾处理在这些过程中絮凝物的大小相似。Zeta电位分布测量结果表明，明矾处理引起从凝固状态到非凝固状态的负迁移，而PACl和PACl/明矾处理没有显著的迁移。采用光度计色散分析仪(PDA)比较了混凝剂处理对剪切引起的骨料破碎和恢复的影响。PDA允许对初始絮凝体聚集进行动态监测，并测量循环剪切的恢复程度。对PACl/alum处理，剪切恢复程度最大，这可能是由于更有效的电荷中和提高了碰撞效率。
关键词:饮用水;絮状物;PACl;明矾;形态;抗剪强度
1. 介绍
混凝是饮用水处理中的一个关键过程，包括胶体电荷中和，然后聚集成絮凝体，絮凝体可通过随后的沉淀和/或过滤等过程进行固/液分离。水处理中最常用的混凝剂是明矾Al2(SO4)314-H2O，因为它能有效地处理多种类型的水，而且成本相对较低。使用预成型聚合形式的铝作为替代凝血剂已经变得越来越普遍，其中使用最广泛的是聚氯化铝(PACl)和聚硫酸铝(PAS)。这些凝结剂具有比明矾[2]在更低的温度和更广泛的pH范围更有效的优势。此外，高电荷密度的PACl物种往往导致减少凝固剂剂量和相关固体的生产。
明矾最初形成带正电荷的铝种，吸附在带负电荷的自然粒子上，导致电荷中和，从而起到凝血剂的作用。这些品种被认为主要是单聚物，寿命短，并迅速沉淀到非晶态氢氧化铝，铝(OH)3(s)[3]。在大多数情况下，氢氧化铝溶液的形成速度如此之快(1-2秒)，以至于这些非晶态固体物质负责自然粒子[4]的电荷中和。在水处理过程中典型的混凝pH值为6.0-7.5的范围内，这些氢氧化铝溶胶相对于天然颗粒通常存在明显的过量，因此也有助于形成更大的絮凝体，更适合固液分离。
PACl在水处理中也被广泛用作凝血剂。PACl含有稳定的预成型铝，由于电荷密度较高，被认为比明矾更能有效地中和电荷。主要聚合物种类为十三聚体Al13O4(OH)24(H2O)7 ，简称Al13聚合物[3,5,6]。PACl的制备包括用碱控制氯化铝(AlCl3(s))的中和。最终产物的碱度与[OH]与[Al]的比值成正比。与明矾[7]相比，高碱度pacl可降低水头损失积累速率，改善过滤出水的浑浊度，改善直接过滤应用的天然有机物(NOM)去除。这些结果很可能是在PACl混凝剂中预先形成的超稳定聚合物物种的功能。明矾和PACl作为凝血剂的化学比较也有文献记载。主要差异包括[3]:
(1)明矾形成的聚合物种类最少，而具有PACl的聚合物种类比例较高(在PACl沉淀物中，B90%的聚合物结构保持完整);
(2) PACl在Al溶解度、电泳迁移率、残留浊度等方面受温度影响较小;
(3)明矾和PACl在水处理的协同作用中形成了本质上不同的固体，因为它们的聚合结构在PACl固体中保持完整。
絮凝体聚集和剪切破碎可用于比较絮凝过程的效果。Gregory[8]首先描述了floc聚集的动态在线监测。该技术使用由激光光源、检测器和信号处理设备组成的光度色散分析仪(PDA)来监测样品悬浮液流经细胞中颗粒的浊度波动。如果一个样品悬浮液中粒子的体积分数是恒定的，那么PDA的响应会随着粒子大小的增加而增加，这是由于粒子的聚集，因为较大的粒子比较小的粒子对信号的波动更大。该方法可用于监测絮凝剂加入后絮凝体的初始形成、剪切对絮凝体形成的影响以及剪切破碎后絮凝体的再聚集速率。
在活性污泥絮凝体的研究中，研究表明，絮凝体在循环剪切后是可逆的，但其可逆性的大小取决于絮凝体的聚集机制[9]。团聚体主要由颗粒与凝结剂的桥接形成
或聚合物剪切后部分恢复到稳定絮凝体大小，而当电荷中和是主要的聚集机制时，恢复程度较高。本研究假设，与主要通过电荷中和作用的凝血治疗相比，部分通过絮凝团缠结机制起作用的凝血治疗可能从剪切诱导的破裂中恢复得更慢。
在典型的水处理条件下，颗粒聚集形成絮凝体，絮凝体呈现分形[10-12]，这意味着这些颗粒的面积和体积与由于颗粒的不规则形态而提高到分数次幂的特征长度成正比。例如，一个假设为球形的固体粒子的体积等于特征长度的三次方。对于分形颗粒，特征长度将提高到小于3的幂次，对于水处理过程中产生的絮凝体，通常为1.5-2.2。
一般情况下，当使用铝基混凝剂使天然水体中的团聚体尺寸增大时，分形维数减小。在典型的水处理条件下，颗粒无法穿透集料内部，往往附着在集料外部，形成较为开放、致密的结构。然而，也有人提出，增加骨料尺寸可能对应于增加分形维数，因为较大的骨料破碎和重新聚集成更密集、更紧凑的结构[11]。循环破碎和再聚合可能通过重组导致更紧密的团聚体[12,13]。Li和Logan[13]在对微球的研究中发现，与单纯的快混凝和慢混凝相比，分形维数的增加是循环剪切破碎和再聚集的结果。
水处理过程往往是不理想的，许多可能的高剪切力区，可导致絮凝体破裂。研究了三种天然水混凝剂对絮凝体形态和表面电荷的影响，以及剪切对絮凝体再聚集的影响。絮凝体的大小、形状、表面电荷和剪切后的恢复对于理解不同混凝剂处理效果的差异非常重要。
2. 材料和方法
2.1。混凝剂剂量优化
科罗拉多-大汤普森(CBT)项目水被用于所有的实验规模。CBT水是通过水库、管道和运河系统收集并从山区径流中分配到科罗拉多州前线的。原水水质参数范围
台架试验pH= 7.35-7.50, TOC= 3.5-3.7 mg/L - c，碱度= 22-26mg /L as CaCO3，浊度= 2.2-3.5 NTU。所有台架试验温度均维持在1270.5 C。使用传统的jar测试程序(Phipps amp; Bird PB-900可编程jar测试程序)优化混凝剂剂量，使其达到最小的沉降水浊度和接近零的zeta电位。将混凝剂加入2L原水样品中，以300 rpm快速搅拌30秒。在快速混合结束前几秒钟，以0.05 mg/L的浓度加入阳离子聚合物(LT22S，相关化学物质)，模拟大多数水处理厂的实际操作。由于本研究的目的是了解不同凝血过程形成的絮凝体的剪切特性，因此加入凝血剂是很重要的，因为这有助于提高絮凝体的强度，并可能减少所测量的差异。快速混合后立即采集样品进行zeta电位测定。采用三级絮凝工艺(15min at 48, 32, 18 rpm)， 15min沉降时间，沉降水浊度(Hach 2100N)和TOC (Sievers model 800 TOC analyzer)测量。凝血剂的剂量范围从低剂量到高剂量，这是根据以前使用这类水的经验而定的。混凝水的pH值随混凝剂类型的不同而变化，范围在6.8 ~ 7.4之间。
本研究比较了三种凝血处理方法:(1)明矾，(2)PACl (820B Sumaclear, Summit Research Labs)和(3)PACl/明矾。采用PACl/明矾复合处理，其重量比为股票PACl/明矾的2:1。先加入PACl，搅拌15秒，然后加入明矾，搅拌15秒。PACl和明矾需要在剂量点进行分离才能发生稀释。本研究的目的是比较三种处理方法之间的差异，因此PACl与明矾的比例没有得到优化。
2.2。PDA测量和数字图像分析
本研究采用PDA对絮凝体聚集动力学进行了监测。PDA仪器测量粒子通过流过细胞时的透射光强波动。波动强度(AC值)与平均透射光强(DC值)的均方根比值是絮凝指数(FI)的一种度量。FI与颗粒大小有关，是对颗粒初始聚集、剪切和再聚集等形成状态的敏感测量。该方法已被多名研究人员用于研究凝血和颗粒过程[8,14 - 16]，本研究中使用的仪器的详细描述见其他[16]。
在流经泵之前，一个下游蠕动泵将水从搅拌罐中抽出，通过流经池。这种结构将泵引起的絮凝体破裂的可能性降到最低。实验所用的激光波长为660 nm。虽然其他人已经将FI与颗粒大小相关联，但由于过去的研究大多集中于初始聚集而不是剪切和再聚集循环，所以在这里重复了这一分析。样品从PDA设备中获得，并使用相衬显微镜(Olympus CH-30)进行分析，以确定放大100倍时的骨料尺寸。用一根开口为12厘米的吸管对絮凝颗粒进行取样，然后将其放置在油井滑道上。该采样方法最大限度地减小了对易碎絮凝体颗粒的干扰，保持了絮凝体样品的自然状态。使用高分辨率数码相机(尼康Coolpix 995)通过显微镜附件捕捉絮凝颗粒的图像。使用Image J digital Image analysis software (National Institutes of Health, Bethesda, MD)对这些数字图像进行分析。图像经过调整以增强对比度和阈值，以便清晰地定义粒子边界。一个阶段千分尺幻灯片被用来校准图像到已知的尺寸。为了确定数字图像中像素的等效长度(本研究中980像素=1毫米)，需要进行这种校准。该软件测量每个骨料的面积，并确定最适合颗粒的椭圆，从而计算主轴和主轴的长度。其他地方也使用了类似的絮凝剂上浆方法[10,12,13]。将给定样本的平均投影聚集体面积和主轴计算量与采样时对应的FI作图，通过线性回归分析确定相关性。
在絮凝体表征中另一个有用的度量方法是分形几何。二维分形维数d2;可以通过对投影集料面积的对数和特征长度的对数进行回归分析得到(本研究以主轴为特征长度)。该方法已被其他研究人员采用并详细描述如下[1,10]:
Apld2; eth;1THORN;
其中A为投影集料面积，l为特征长度(主轴)，d2为面积-长度关系的分形维数。
2.3。剪切循环实验
利用PDA装置研究了诱导剪切对絮凝体聚集和再聚集的影响。混凝剂的投药程序类似于这些实验的jar测试程序。PDA烧杯里装满了2.2升的水和搅拌器
将转速设置为330 rpm，持续3min，启动泵，建立未处理水的基线FI响应。下游泵设置为20mL/min，以减小由于体积减小而产生的混合能量差异，并通过PDA设备实现精确的FI输出。3分钟后加入混凝剂，快速搅拌15秒，搅拌速度降至50 rpm。在快速搅拌结束之前，加入了阳离子聚合物助凝剂。所有实验均为一式三份。
通过PDA初步实验，确定了三种混凝剂在不引起剪切的情况下FI的增加幅度。这些实验遵循上述测试程序。在剪切循环实验中，可以比较FI值的增加来描述剪切引起的絮凝体形成的差异。通过剪切循环实验，研究了剪切对絮体破碎和再聚集的影响。剪切循环试验除后混合模式外，均按上述程序进行。剪切试验采用以下混合程序:初始5min 50 rpm慢混期后，在220 rpm时剪切1.5min，然后在50 rpm时慢混5min。这个循环在每个实验中总共重复了4次剪切和恢复事件。用FI输出来确定絮凝体大小的相对增减和每次剪切事件后的回收率。
2.4。凝血剂剂量优化程序
重复进行floc特性测试。利用显微镜和数字成像技术分析了慢混后期发育良好的絮凝体和沉降期后从水面以下采集的絮凝体样品，以确定每种混凝剂处理的平均投影集料面积和主轴长度。研究了不可沉降絮凝体，因为这些絮凝体是影响过滤器的颗粒，而过滤器在这种环境下可能受到剪切力的影响。此外，zeta电位样品在快速混合后和沉淀后立即采集。采用自动zeta电位分析仪(Malvern Zetasizer 2000)测量每个样品的分布和平均zeta电位。自动zeta电位分析仪采用激光多普勒测速(LDV)测量电泳迁移率颗粒，用于计算zeta电位。该方法的优点是提高了重复性，提高了分辨率，并显著增加了可测量的颗粒数量(每个样品数千个)。
2.5。半工业规模过滤器运行
采用常规试验装置对不同混凝剂处理的过滤性能进行了比较。测试在科罗拉多州朗蒙特市的水处理厂进行。原水被泵送至中试装置，进入三级降能絮凝池，然后进入上流式板层沉降器。沉降水通过直径6英寸的上升水头/恒流过滤器过滤。双介质过滤器的配置是36英寸的1.0 - 1.1毫米无烟煤超过12英寸的0.5毫米砂。每次试运行使用两个过滤器，并在两个过滤器之间对结果进行平均。在原水流速为10 gpm的情况下进行了试运行，这相当于在0.19 gpm/ft2的平板沉降器上的上行流速。所使用的过滤器加载速率为6gal / min/ft2。在中试运行过程中监测了许多参数，包括:原水流量、原水浊度、沉淀水浊度、滤水负荷率、滤水水头损失、滤水浊度(Hach 1720D浊度计)、滤水颗粒计数(满足一个颗粒计数器，PCT模型)。使用可编程逻辑控制器(PLC)、Iconics Genesis3软件和粒子视觉软件收集和记录这些信息。此外，在每次试运行过程中，还测量了原水TOC、沉淀水TOC、过滤水TOC、原水pH、凝水pH、原水碱度、原水温度。所有试航都因水头损失而终止。每次运行结束后，以30 gpm/ft2的流速对过滤器进行反冲洗，使过滤介质床的沉降深度扩大50%。反冲洗继续进行，直到反冲洗污水被肉眼观察清楚，以便后续过滤器在类似的启动过滤介质条件下运行。
3.结果与讨论
3.1混凝剂加药
采用沉降浊度法和zeta电位法确定了最佳的实验剂量。在三种混凝剂处理中，沉降水浊度最小值与zeta电位接近于零，并用于最佳混凝剂投加量。
alum、PACl、PACl/alum的最佳剂量分别为1.77、1.00、1.16mg/ L-Al。
3.2FI与絮凝体大小相
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