助滤剂对常规过滤性能的影响研究

摘 要：通过模型试验，研究了几种助滤剂对常规过滤的影响。结果表明：投加适量的助滤剂能在一定程度上改善常规过滤的性能，有效减少滤速突变引起的悬浮颗粒穿透。在所考察的3种助滤剂中，聚丙烯酰胺的助滤效果最佳，聚合硫酸铁次之，而聚合氯化铝最差。
    关键词：常规过滤；助滤剂；过滤性能
   
    1 前言
   
    使用助滤剂以提高过滤效果在国外已有较长的研究历史。1968年，Tuepker和Buescher研究发现采用聚电解质(0.003mg/L)作为助滤剂可明显改善常规过滤出水水质，并能有效阻止由于滤速突然改变而引起的悬浮颗粒穿透；1974年，Adin和Rebhum研究发现在直接过滤前投加0.05～0.4mg/L的阳离子聚电解质可有效降低滤后水浊度，提高周期产水量。在我国，一些单位和个人也研究了高分子助滤剂——活化硅酸(4～5mg/L)或聚丙烯酰胺(0.1～0.15mg/L)对直接过滤的影响，但对助滤剂对常规过滤的影响未见有研究报道。
    本文将通过试验，初步探讨助滤剂对常规过滤的影响，以寻求提高常规过滤性能的较优条件。
   
    2 试验条件及方法
   
    2.1 水源与试验装置
    待滤水为自来水加湘江底泥由人工配成原水后经水泵加药混合以及穿孔旋流絮凝池和斜管沉淀池处理后的出水。人工配成的原水浊度一般在50～100度之间，混凝剂采用聚合氯化铝，投加量为10～15mg/L。待滤水浊度基本维持在3-6NTU。试验流程与生产流程类似。试验装置如图1所示。
    过滤装置为用透明有机玻璃制作的四个可同时运行的模型滤柱。每个滤柱高3m，内径188mm，内装浙江省玉环净水设备厂生产的QS型长柄滤头3只，同时配置15根测压管，以方便读取滤层不同深度处的水头值。采用岳阳洞庭石英砂厂生产的均粒石英砂滤料，粒径为0.7～0.9mm，有效粒径d10=0.72mm，不均勻系数K80=1.3。滤层厚度L可依试验要求任意调整。
   
    2.2 试验方法
    对比试验为本试验研究所采用的主要方法。为保证试验结果的可比性，试验时尽可能使每个滤柱的试验条件相同(除考察因素外)。通过人工控制，实行等速过滤，采用水洗或气、水反冲洗方式。每个试验周期开始前，滤层均被冲洗干净。
   
   
    选用阳离子型聚丙烯酰胺(PAM)、聚合硫酸铁(PFS)和聚合氯化铝(PAC)作为助滤剂。助滤剂通过重力加药装置与加药管从每根滤柱进水管底部注入并通过自制的管式静态混合器与滤前水充分混合。试验期间水溫在26～30℃之间。
    过滤性能用滤后水浊度、过滤周期、周期产水量或滤层水头损失大小表示。水的浊度根据饮用水水质标准检验法、采用散射光浊度仪测定，滤层水头损失用测压管测定。 3 结果与讨论
   
    3.1 最佳助滤剂投加量
    根据已往的研究和生产实践可知，不同的助滤剂具有不同的最佳投加量。那么，聚丙烯酰胺、聚合硫酸铁等作为常规过滤的助滤剂时最佳投加量是多少呢?
    图2、3显示了滤层厚度为750mm时助滤剂聚丙烯酰胺的不同投加量对常规过滤的影响。在其他条件相同的情况下，当在滤前投加0.01mg/L的聚丙烯酰胺时，滤后水浊度小于0.1NTU的过滤时间从15h增加到23h，而滤层水头损失增加较少：但当聚丙烯酰胺投加量增加到0.025mg/L以后，虽然使滤层抗穿透能力大为增强，但却使滤层水头损失几乎呈指数增长，最终导致过滤周期缩短。可见，在常规过滤前投加适量的聚丙烯酰胺，可有效阻止杂质颗粒穿透滤层，延长过滤周期。在本试验条件下，聚丙烯酰胺的最佳投加量为0.01mg/L左右。
   
    图4、5显示了滤层厚度为1000mm时助滤剂聚合硫酸铁的不同投加量对常规过滤的影响。当在滤前投加0.02mg/L的聚合硫酸铁后，滤后水浊度小于0.1NTU的过滤时间从23h增加到29h，多于或少于0.02mg/L时，其助滤的效果均有所降低。可见，在常规过滤前投加适量的聚合硫酸铁亦可延缓悬浮杂质颗粒穿透滤层，延长过滤周期。在本试验条件下，聚合硫酸铁的最佳投加量为0.02mg/L左右。
    通过类似的试验，可知聚合氯化铝的最佳投加量为0.03mg/L左右。
   
    3.2 不同助滤剂对常规过滤的影响
    为了比较不同助滤剂对常规过滤的影响，分别以每种助滤剂的最佳投加量作对比试验。根据以上试验研究，聚丙烯酰胺的最佳投加量取0.01mg/L，聚合硫酸铁取0.02mg/L，而聚合氯化铝取0.03mg/L。图6、7是滤层厚度为1000mm时不同助滤剂对常规过滤影响的试验结果。
    从图6、7可知，投加助滤剂后常规过滤的水质过滤周期均有所延长，但不同的助滤剂对常规过滤水质过滤周期的延长效果不同。若以滤后水浊度达到0.1NTU时为过滤终点，投加聚丙烯酰胺、聚合硫酸铁和聚合氯化铝的过滤周期分别为24h、23h和21h，未加助滤剂的过滤周期为17h，其周期产水量分别为240、230、210和170m3/m2。可见，聚丙烯酰胺对常规过滤的助滤效果最好，聚合硫酸铁次之，而聚合氯化铝最差。
   
    3.3 助滤剂在滤速急剧变化中的作用
    常规过滤在运行过程中，由于操作不当，可能发生滤速的急剧变化。那么，助滤剂在滤速急剧变化中有没有积极作用呢?图8是滤层厚度为1000mm时不同助滤剂在滤速急变中的试验结果。
    从图8可知，当反冲洗后过滤进行到15.5h、滤速在10S内由8m/h增加到11m/h时，未加助滤剂的滤后水浊度由0.07NTU-跃升至9.1NTU，而投加聚丙烯酰胺的滤后水浊度由0.00NTU升至1.88NTU，投加聚合硫酸铁的滤后水浊度由0.00NTU升至2.5NTU，投加聚合氯化铝的滤后水浊度由0.01NTU升至3.4NTU。当过滤进行到21h、滤速在10S内由11m/h减少到8m/h时，未加助滤剂的滤后水浊度由0.88NTU升至4.4NTU，而投加聚丙烯酰胺的滤后水浊度由0.49NTU升至2.2NTU，投加聚合硫酸铁的滤后水浊度由0.56NTU升至1.8NTU，投加聚合氯化铝的滤后水浊度由0.48NTU升至0.96NTU。可见，投加助滤剂后，可有效降低滤速突变引起的悬浮颗粒穿透程度，维护滤后水水质。
   
    3.4 讨论
    在一定的水力条件下，过滤工艺的效率取决于悬浮颗粒和滤枓颗粒之间的附着力与滤层孔隙中的水流剪力的相对大小。随着滤池反冲洗后过滤的进行，滤层中的水流剪力逐渐增大。当水流剪力大于附着力时，悬浮颗粒将穿透滤层。
    高分子聚合物，特别是聚丙烯酰胺这种有机高分子聚合物，通常具有发达的链状结构和自由基团。借助于这种发达的链状结构和自由基团，聚合物能比较牢固地吸附在滤料和悬浮颗粒表面，并在各种颗粒之间形成架桥作用。此外，象聚合硫酸铁这类无机高分子聚合物还可通过其高电荷正离子使待滤水中可能存在的未脱稳悬浮颗粒脱稳。因此，当作为助滤剂的聚合物投入待滤水中后，聚合物可加强待滤水中悬浮颗粒和滤枓颗粒的吸附，从而起到阻止或延缓悬浮颗粒穿透的作用。
    图9、10是与图6、7同一次试验的结果，显示的是两组滤层水头损失随滤层厚度与过滤时间变化的曲线以及根据这两组曲线分别绘出的两条阻塞峰线。所谓阻塞峰线，是指滤层水头损失变化曲线的斜率发生明显改变(与清洁滤层水头损失变化曲线的斜率比较)的各点的连线。它能基本反映滤层内工作层的行进轨迹或悬浮颗粒向下推移的过程。从图9、10的比较可知，投加助滤剂聚丙烯酰胺后，滤层上部(0～15cm)水头损失增长较快，表明其截留的悬浮颗粒较多；阻塞峰线较陡，悬浮颗粒向下推移的速度较慢。据计算，滤前分别投加助滤剂聚丙烯酰胺、聚合硫酸铁和聚合氯化铝后，滤层阻塞峰平均行进速度分别约为2.2cm/h、2.4cm/h、2.55cm/h，而未加助滤剂时约为3cm/h。
    在三种助滤剂中，阳离子型的聚丙烯酰胺的助滤效果比聚合硫酸铁和聚合氯化铝要好，这是因为这种聚丙烯酰胺的分子量较大(300万)，相对于分子量较小的无机高分子絮凝剂聚合硫酸铁和聚合氯化铝而言，与各种颗粒之间有更强的吸附架桥能力。而聚合氯化铝的助滤效果比聚合硫酸铁要差，可能是因为聚合氯化铝形成的絮体比聚合硫酸铁要弱，经不起较高的水流剪力。因此，从助滤的效果来看，应优先选择聚丙烯酰胺或聚合硫酸铁作助滤剂。
    助滤剂虽然能提高过滤效果，但也增加反冲洗难度。在试验中，通过比较各滤柱反冲洗后的水头损失和初滤水浊度，我们注意到对投加了助滤剂特别是聚丙烯酰胺助滤剂的滤柱，单纯用水反冲洗难以冲洗干净，而采用气、水反冲洗方式则可以冲洗干净。因此，对投加助滤剂的滤池，宜采用气、水反冲洗。
    投加助滤剂时计量要准确。否则，不仅会影响助滤效果，而且还可能导致水头损失的过快增长而致过滤周期缩短。比如，聚丙烯酰胺投加量为0.01mg/L时，滤层水头损失呈直线增长，投加量为0.025mg/L时，滤层水头损失几乎呈指数增长。