強化混凝技術(shù)去除水體中濁度和UV254的試驗研究

康孟新，董 琦，張海亞

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林132012;2.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090)

近年來隨著經(jīng)濟的發(fā)展，水環(huán)境污染問題日益凸顯，并且飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)也不斷提高，傳統(tǒng)的凈水工藝已經(jīng)不能滿足出水水質(zhì)要求，尤其是水中的有機物不能得到有效的去除，而水中的有機物在水廠加氯消毒時，可以與氯氣作用形成消毒副產(chǎn)物，嚴重影響人體健康［1，2］。在水處理中，常以三鹵甲烷(THMs)和鹵乙酸(HAAs)去除率作為消毒副產(chǎn)物的去除評價指標(biāo)，這兩類消毒副產(chǎn)物的生成勢與UV254有良好的相關(guān)性，因此UV254可以作為消毒副產(chǎn)物前體物(DBPFP)的替代參數(shù)［3，4］。強化混凝技術(shù)通過增加混凝劑的投加量或調(diào)整pH值等措施，在除濁的同時通過膠體脫穩(wěn)、差降沉降以及共沉降的作用，可以有效的去除水中的有機物，最大限度地去除消毒副產(chǎn)物的前體物，保證飲用水消毒副產(chǎn)物符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)的方法［5－10］。強化混凝可使水中的總有機碳去除率達到60%以上，并且技術(shù)要求不高和無需大量的資金投入，目前受到了越來越多的關(guān)注［11－14］。

由于所研究的水體中的有機物含量隨季節(jié)和水體環(huán)境的變化而變化，為了保證試驗的一致性和重復(fù)性，故采用實驗室配水，分析聚合硫酸鐵(PFS)和硫酸鋁兩種混凝劑在不同投加量、pH值和助凝劑投加量條件下，對水中濁度和UV254去除效果的影響。由于PFS具有投加量少、費用低、pH適用范圍廣、對濁度和低色度COD去除率高、水中殘留鐵離子少、水解產(chǎn)物脫水性能好等優(yōu)點，試驗選用PFS做正交試驗，確定影響強化混凝效果各因素的主次關(guān)系和最佳試驗條件。

1 試驗材料和方法

1.1 水樣配置

試驗中所使用的水樣為投加了一定量高嶺土和腐植酸的自來水，經(jīng)均勻攪拌，靜置半小時取上清液。水樣的水質(zhì)指標(biāo):濁度為 60NTU，UV254為0.14 cm－1，pH 值為7.2－7.5，腐殖酸含量為 10 mg/L。

1.2 試驗方案

試驗采用靜態(tài)燒杯法，分別考察了聚合硫酸鐵(PFS)和硫酸鋁兩種混凝劑在不同投加量、pH值和助凝劑投加量條件下，對水中濁度和UV254去除效果的影響。

研究混凝劑投加量的試驗方案:向5個攪拌杯中加入1 L的水樣，然后向每個杯子中加入不同量的混凝劑(如硫酸鋁)，先快速攪拌(250 r/min)0.5 min，中速攪拌(100 r/min)5 min;最后慢速攪拌(60 r/min)10 min，攪拌結(jié)束后，靜置30 min，用50 mL注射器抽取上清液，測定水體的濁度和。

PH和助凝劑投加量的試驗方案與混凝劑投加量的試驗方案類似，均采用控制變量法，對于已經(jīng)確定最佳操作條件因素的試驗直接采用最佳操作條件，未確定最佳操作條件的則采用試驗設(shè)計方案的操作條件，改變當(dāng)前研究因素值，以得出該因素的最佳操作條件［17，18］。最后通過正交試驗確定PFS做混凝劑時各因素之間的主次關(guān)系和強化混凝的最佳試驗條件。

1.3 分析項目與方法

pH值:玻璃電極法;

濁度:濁度法;

UV254:分光光度法，測定水樣中的UV254時，需要在測定前將水樣經(jīng)過0.45 μm膜過濾，以去除其中的懸浮物，避免干擾。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝劑投加量對濁度和UV254去除的影響

圖1 混凝劑投加量對濁度和UV254去除的影響

混凝劑的投加量直接影響了強化混凝的處理效果，從圖1中可以看出，隨著混凝劑投加量的增加，水體中的剩余濁度逐漸降低，當(dāng)PFS的投加量為60 mg/L時的剩余濁度最小為1.7NTU，當(dāng)硫酸鋁的投加量為50 mg/L時，剩余濁度最小為1.65NTU。但是隨著混凝劑投加量的繼續(xù)增加，水體的剩余濁度不再降低，反而成增加的趨勢。這說明最初混凝劑投加量的增加可以加大顆粒物參與吸附架橋和卷掃作用的機會，有利于膠體聚集穩(wěn)定性的破壞，但是混凝劑投加量超過一定限度的時候，會產(chǎn)生“膠體保護”作用，發(fā)生再穩(wěn)現(xiàn)象，從而降低了濁度的去除率。同時投加過多的混凝劑也帶來了水處理費用增加和污泥處理難度增大的問題。對于UV254的去除率而言，無論是PFS還是硫酸鋁，均隨著投加量的增加，去除率也不斷提高。但是在相同的投加量的情況下，PFS對UV254的去除率明顯高于硫酸鋁10%－13%，由此可見PFS對UV254的去除更有效。這主要是因為相同劑量的鐵鹽水解產(chǎn)生Fe(OH)3的量是鋁鹽水解產(chǎn)生Al(OH)3量的2.8倍?？紤]混凝處理費用及水質(zhì)處理效果，在后續(xù)實驗中選取PFS的投加量為60 mg/L，硫酸鋁的投加量為50 mg/L。

2.2 pH對濁度和UV254去除的影響

在試驗中，用0.1 mol/L的HCl溶液和0.1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)水樣的pH值，試驗結(jié)果如圖2所示，對去除水體的濁度而言，PFS的最佳pH值在6.5，硫酸鋁的最佳 pH值在7.0;PFS去除UV254的最佳pH在6.5，比中性時的去除率提高了5%，硫酸鋁去除UV254的最佳pH也在6.5，比中性時的去除率提高了5%。并且PFS對于UV254的去除率高于硫酸鋁17%－20%。實驗結(jié)果表明pH值過高或過低都不利于濁度和UV254的去除，最佳的pH范圍為6.5－7.0。這是因為在偏酸性的條件下，帶正電的鐵鹽水解產(chǎn)物和鋁鹽水解產(chǎn)物易于水中的有機物結(jié)合，有利于濁度和有機物的去除。由于水樣的pH值略偏堿性，故對于強化混凝而言需要略微調(diào)節(jié)pH值，在后續(xù)實驗中選取硫酸鋁投加量50 mg/L，PFS投加量60 mg/L，pH 均選 6.5。

圖2 pH對濁度和UV254去除的影響

2.3 助凝劑投加量對濁度和UV254去除的影響

圖3 助凝劑投加量對濁度和UV254去除的影響

在試驗中，選用分子量約300萬左右的聚丙烯酰胺(PAM)作為助凝劑，結(jié)果如圖3所示，向水體中投加助凝劑可以提高強化混凝對于水體中濁度和UV254的去除率，對于PFS和硫酸鋁，助凝劑聚丙烯酰胺(PAM)的最佳投加量分別0.1 mg/L 和0.05 mg/L，最小剩余濁度分別為 1.5 和1.6 1，相比于不添加助凝劑時的剩余濁度分別提高了9%和5%，當(dāng)助凝劑的投加量為0.15 mg/L時，水體的剩余濁度分別為2.05NTU和1.77NTU，濁度反而比單獨投加混凝劑時要高。UV254的去除率均隨著助凝劑的投加量的增大均有略微的提高，但是提高幅度并不明顯。由此可得出結(jié)論，助凝劑PAM的投加對于水中的濁度和UV254的去除并沒有太大的改善。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是因為助凝劑一般是在低劑量的混凝劑投加量的情況下發(fā)揮架橋、卷掃和電中和作用，從而提高混凝處理效果，而在試驗中，混凝劑的投加量為最佳值，水體中的懸浮顆粒比較少，所以助凝劑的作用并沒有得到充分的發(fā)揮，同時大劑量的助凝劑加入水體，反而會導(dǎo)致水中濁度的增加。

2.4 PFS的混凝正交優(yōu)化試驗

通過上述實驗分析，作為混凝劑PFS的總體性能要優(yōu)于硫酸鋁，故選取PFS的投加量、水樣pH值和助凝劑PAM投加量為正交試驗的三個因素，各因素選取三個水平，進行三因素三水平試驗，找出影響PFS混凝效果的各因素的主次關(guān)系，從而得出PFS混凝試驗的最佳操作條件［19－21］。由于試驗涉及到評價指標(biāo)有兩個:濁度去除率和UV254的去除率，故采用綜合評分法將多指標(biāo)問題，通過適當(dāng)?shù)脑u分方法，轉(zhuǎn)換成單指標(biāo)問題。試驗的因素和水平如表1所示，不考慮三個因素之間的交互作用，并且濁度去除率和UV254的去除率均為越大越好。

表1 正交試驗的因素和水平

根據(jù)表2可知，PFS投加量的極差最大為0.75，PAM投加量的極差最小為0.56。所以對于影響PFS混凝效果的三個因素的主次關(guān)系排列依次為:混凝劑PFS的投加量，pH值，助凝劑PAM投加量。并可得出PFS混凝實驗的最佳操作條件為:PFS投加量為60 mg/L，水體的pH值為6.5，助凝劑的投加量為0.10 mg/L。

表2 正交試驗結(jié)果與分析

3 結(jié) 論

(1)對比了PFS和硫酸鋁對水體中濁度和UV254的去除效果，在相同條件下投加PFS的混凝處理效果要優(yōu)于硫酸鋁，尤其是對UV254的去除效果最為明顯，PFS去除UV254的效果要比硫酸鋁高15%－20%左右，這對于水中有機物的去除是相當(dāng)重要的。

(2)在單因素實驗中，對于水體濁度的去除，混凝劑的投加量、水體的pH值和助凝劑PAM的投加量均存在最佳值;但對于UV254的去除率，只存在最佳pH值，并隨著混凝劑投加量和助凝劑PAM的投加量的增多而提高。

(3)通過正交試驗確定了當(dāng)混凝劑為PFS時，影響強化混凝處理效果的各因素主次關(guān)系排列為:PFS投加量、pH值、PAM投加量，強化混凝的最佳試驗條件為PFS投加量為60 mg/L，水體的pH值為6.5，PAM 的投加量為 0.10 mg/L。

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