強(qiáng)化混凝技術(shù)對南淝河季節(jié)性污染物去除效果研究

王　丹,龔夢丹,陳義飛,丁士明,孫　琴

(1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇 南京　210008;

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強(qiáng)化混凝技術(shù)對南淝河季節(jié)性污染物去除效果研究

王丹1,2,龔夢丹1,2,陳義飛3,丁士明1,孫琴4,5

(1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇 南京210008;

2.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049; 3.上海市政工程設(shè)計研究總院第六設(shè)計院,安徽 合肥230001;

4.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇 南京210098;

5.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京210098)

1　材料與方法

1.1供試材料

混凝劑:本實驗選取目前水處理中運(yùn)用較為廣泛的4種混凝劑,分別為:聚合氯化鋁(poly aluminium chloride,PAC,鞏義富源凈水材料有限公司提供)、聚合氯化鐵(poly ferric chloride,PFC,合肥皖發(fā)凈水材料有限公司提供)、聚合硫酸鐵(poly ferric sulfate,PFS,鞏義永興化工有限公司提供)和聚合氯化鋁鐵(poly aluminium ferrous chloride,PAFC,鞏義富源凈水材料有限公司提供)。其主要的理化指標(biāo)見表1。

表1　混凝劑的理化性質(zhì)

助凝劑:本實驗選取目前水處理中運(yùn)用較為廣泛的3種有機(jī)助凝劑,分別為:陽離子聚丙烯酰胺(cationic polyacrylamide,CPAM,鞏義富源凈水材料有限公司提供)、陰離子聚丙烯酰胺(anionic polyacrylamide,APAM,鞏義富源凈水材料有限公司提供)和非離子型聚丙烯酰胺(nonionic polyacrylamide,NPAM,鞏義啟元化工有限公司提供)。其主要的理化指標(biāo)見表2。

表2　助凝劑的理化性質(zhì)

黏土礦物:天然富鈣凹凸棒黏土(natural calcium-rich attapulgite,NCAP),取自江蘇盱眙。樣品材料經(jīng)105℃烘干2 h粉碎,100目過篩備用。將粉末狀凹凸棒分別加入2 mol/L NaCl溶液,2 mol/L MgCl2溶液,1mol/L NaCl和2 mol/L MgCl2混合溶液(固液比為1:20)、振蕩4 h,然后將懸濁液過濾,收集殘留物,烘干,于800℃條件下加熱2h,所得材料分別以NCAP2,NCAP3,NCAP4表示,NCAP(僅800℃加熱)作為對照[12]。沸石(100目,鞏義市金豐凈水材料有限公司提供)。

主要儀器:多水質(zhì)參數(shù)儀(U5000,日本堀場集團(tuán))、六聯(lián)同步電動攪拌機(jī)(JJ-4,金壇市開發(fā)區(qū)吉特實驗儀器廠)、紫外-可見分光光度計(UV2550,日本島津企業(yè)管理有限公司)、精密電子天平(PW124,英國艾德姆公司)、立式高壓滅菌鍋(上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)。

樣品采集:為了減少人為影響,并能更好地與現(xiàn)場實際情況相符,本實驗中用到的藻類和水樣分別于2013年8月19日和12月28日取自南淝河,采樣點的坐標(biāo)為31.727 54°N,117.403 79°E。用浮游植物網(wǎng)收集南淝河的藻類,并裝入500 mL潔凈礦泉水瓶中帶回,用25 L聚乙烯塑料桶采集水樣,帶回實驗室低溫冷藏供實驗分析。

1.2實驗方法

混凝除藻實驗:將現(xiàn)場取回水樣搖勻,分別取500 mL水樣裝入一組6個洗凈的1 000 mL燒杯中,每個燒杯中加入20 mL現(xiàn)場取回的充分混勻的藻漿,將燒杯置于六聯(lián)同步電動攪拌機(jī)上,快速(300 r/min)攪拌1 min,取液面下2 cm水體測定混凝前水體中葉綠素的質(zhì)量濃度。然后分別加入設(shè)定好的混凝劑和助凝劑,慢速(100 r/min)攪拌10 min,靜置沉淀30 min,并在混凝沉淀過程中觀察礬花的形成。沉淀后,取液面下2 cm水體測定混凝后的水體中葉綠素的質(zhì)量濃度。

1.3現(xiàn)場應(yīng)用

強(qiáng)化混凝系統(tǒng)是南淝河旁路多級人工濕地凈化系統(tǒng)的重要組成部分,主要作用是削減南淝河污染水體中的懸浮顆粒和大部分污染物質(zhì),為后續(xù)的濕地凈化提供保障。

圖1　強(qiáng)化混凝系統(tǒng)平面布置

整個強(qiáng)化混凝系統(tǒng)的平面布置見圖1,該系統(tǒng)主要分成3個區(qū)域:混合區(qū)、絮凝區(qū)和沉淀區(qū)。將經(jīng)過沉砂池預(yù)處理后的南淝河污染水體抽至混凝反應(yīng)池與混凝劑充分混合;隨后進(jìn)入絮凝反應(yīng)池,與助凝劑充分混合;混合后的水通過導(dǎo)流渠進(jìn)入預(yù)沉區(qū)和沉淀區(qū)。沉淀區(qū)出水通過主集水槽輸送至濕地系統(tǒng)進(jìn)行下一步處理,一部分污泥進(jìn)行污泥回流,大部分污泥通過污泥閥排入集泥槽,然后進(jìn)行壓濾脫水處理,最終的剩余污泥送入堆泥場,后續(xù)進(jìn)行資源化利用。

1.4測定分析

表3　水質(zhì)指標(biāo)分析方法

1.5數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,Origin 8.5進(jìn)行圖表繪制。

2　結(jié)果與討論

2.1南淝河水質(zhì)分析

表4　南淝河原水水質(zhì)指標(biāo)值

2.2強(qiáng)化混凝對藻類的去除效果

a. 混凝劑的選擇及劑量。4種混凝劑單獨(dú)使用時,對南淝河夏季水體中藻類的去除效果如圖2所示。在初始階段,藻類的去除率隨著混凝劑劑量的增加呈上升趨勢,其除藻效果依次為PAC>PFS>PAFC>PFC。當(dāng)混凝劑的投加量為60 mg/L時,PAC、PFS、PAFC和PFC對藻的去除率分別為70%、66%、44%和33%。

當(dāng)混凝劑投加劑量增加到100 mg/L,藻的去除率趨于平穩(wěn),PAC的除藻效果最好,基本維持在76%左右,PFC的除藻效果最差,基本維持在51%左右。隨著混凝劑劑量的增加,優(yōu)勢藻直鏈藻幾乎全部被去除,而除藻率難以進(jìn)一步提高,可能因為直徑較小,比表面積較大,表面所帶的負(fù)電荷量比較大的小球藻比較難去除[3]。

當(dāng)投加量進(jìn)一步增大,PAC和PFC對藻的去除率略有下降,這可能是因為藻細(xì)胞吸附過多的反離子,導(dǎo)致其表面原有的負(fù)電荷變?yōu)檎姾?出現(xiàn)脫附再穩(wěn)現(xiàn)象,在很大程度上降低了吸附架橋、網(wǎng)捕的有效性,導(dǎo)致去除率略有下降[4]。

圖2　不同混凝劑單用的除藻效果

混凝劑單用除藻時,其主要除藻機(jī)理涉及壓縮雙電層、吸附電中和、吸附架橋、網(wǎng)捕卷掃作用4種機(jī)制。4種混凝劑中,PAC除藻效果最好,其水解產(chǎn)物中主要起絮凝作用的是多核多羥基聚合離子的吸附電中和和吸附架橋作用,其次是氫氧化物絮體的網(wǎng)捕卷掃作用[9]。4種混凝劑單獨(dú)使用過程中,水中的藻類被松散地聚集在一起,漂浮于水面,沉降性能較差,不利于藻的沉淀去除。

b. 助凝劑的選用。3種助凝劑單獨(dú)使用時,對南淝河夏季水體中藻類的去除效果如圖3所示。藻類的去除率隨著助凝劑劑量的增加呈上升趨勢,其除藻效果為CPAM>APAM>NPAM。APAM和NPAM對藻類的去除率基本一致,隨著投加量的增加,去除率緩慢增加,并趨于穩(wěn)定,最大去除率低于20%。CPAM的除藻率隨著投加劑量的增加迅速增加,當(dāng)投加劑量為0.1 mg/L時,其去除率約為10%,當(dāng)投加劑量增加至0.8 mg/L時,其去除率能達(dá)到99%,并趨于穩(wěn)定。CPAM具有較好的吸附架橋作用,能夠?qū)⑺w中懸浮分散的藻聚集在一起。實驗中發(fā)現(xiàn)CPAM除藻的過程中,水中的藻被密實地聚集在一起,漂浮于水面。而NPAM和APAM或難以將藻聚集在一起,或只能松散地聚集,難以去除。

圖3　不同助凝劑的除藻效果

CPAM單獨(dú)使用時可以很好除去水體中的藻類,但價格較高,另外,雖然CPAM本身沒有毒性,但其分子內(nèi)殘留的丙烯酰胺單體有毒性,不宜大量使用[4]。故將其作為助凝劑,通過少量投加改善絮凝體結(jié)構(gòu),利用其電中和和吸附架橋作用以增強(qiáng)絮凝體的密實性和沉降性能。

c. 混凝劑與助凝劑聯(lián)用。根據(jù)上述實驗結(jié)果,選取除藻效果較好的CPAM作為助凝劑(設(shè)置質(zhì)量濃度為0.5 mg/L),與不同劑量的混凝劑聯(lián)用,對南淝河夏季水體中藻的去除效果如圖4所示。當(dāng)混凝劑單獨(dú)使用時,其對藻類的最大去除率低于80%,與助凝劑聯(lián)用后的除藻效果都得到了較大幅度的提高。當(dāng)混凝劑的投加量為5 mg/L時,PAC、PFS、PAFC和PFC對南淝河水體中藻的去除率分別為86%、85%、85%和84%。當(dāng)混凝劑的投加量達(dá)到20 mg/L的時候,4種混凝劑對藻的去除率均能達(dá)到99%,比4種混凝劑單用時除藻率分別提高了61%、73%、72%和85%。當(dāng)混凝劑的投加量大于20 mg/L的時候,其對藻的去除率趨于平衡,去除率穩(wěn)定在99%。

圖4　混凝劑和助凝劑CPAM聯(lián)用的除藻效果

助凝劑可以顯著提高混凝除藻效率,原因在于:混凝劑劑量的增加只能使絮體體積和含水率增加,密度減小,而助凝劑的投加,不僅增加了水中懸浮顆粒的密度,加大了顆粒間的有效碰撞,而且助凝劑本身具有吸附性能,可使藻類細(xì)胞以助凝劑顆粒為中心凝聚成密度較大礬花[9]。實驗發(fā)現(xiàn):混凝劑與助凝劑的聯(lián)用對藻類的去除效果較好,使藻類較密實的聚集在一起。少量助凝劑的加入,在提高去除率的同時,可大幅降低混凝劑的使用劑量,降低了藥劑對原水帶來的副作用,也節(jié)約了成本,具有一定的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

圖5　混凝劑和助凝劑CPAM聯(lián)用除-N效果

圖6　黏土礦物和助凝劑CPAM聯(lián)用除-N效果

離子交換反應(yīng):

(1)

(2)

鳥糞石沉淀反應(yīng):

(3)

2.4強(qiáng)化混凝技術(shù)在南淝河現(xiàn)場應(yīng)用

圖7　混凝沉淀系統(tǒng)現(xiàn)場

圖8　強(qiáng)化混凝系統(tǒng)進(jìn)出水中Chl-a和-N的質(zhì)量濃度變化及去除率

夏秋季節(jié),強(qiáng)化混凝系統(tǒng)進(jìn)水口藻類質(zhì)量濃度異常高,一直持續(xù)到10月底,Chl-a的最高質(zhì)量濃度為15.12 μg/L,經(jīng)過強(qiáng)化混凝處理,出水中Chl-a的質(zhì)量濃度顯著降低,最高僅為2.20 μg/L,最低達(dá)0.21 μg/L。PAFC與CPAM的聯(lián)用對藻類的去除效果顯著,平均去除率為88.44%(±3.80%),低于室內(nèi)實驗的99%?？赡苁且驗榛炷齽┡cCPAM聯(lián)用除藻時,雖然藻類可以較為密實地聚集在一起,但整體漂浮于水面,不利于沉降,在現(xiàn)場應(yīng)用過程中,受水力條件等因素影響,沉降效果低于實驗室研究。

3　結(jié)　論

a. 混凝劑單用除藻時,PAC的效果最好,投加量大于100 mg/L時,去除率趨于穩(wěn)定,最大去除率約為76%;選用除藻效果較好的CPAM作為助凝劑,分別與4種混凝劑聯(lián)用,當(dāng)混凝劑的投加量超過20 mg/L時,去除率趨于穩(wěn)定,最大去除率均可達(dá)到99%。助凝劑的投加,大大減少了混凝劑的投加劑量,并大幅提高了除藻效果。

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Study on removal efficiency of enhanced coagulation technology for treatment of seasonal pollutants from Nanfeihe River

WANG Dan1, 2, GONG Mengdan1, 2, CHEN Yifei3, DING Shiming1, SUN Qin4,5

(1.StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.TheSixthDesignInstituteofShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute,Hefei230001,China;4.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourcesDevelopmentofShallowLakes,MinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;5.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

enhanced coagulation; algae; ammonia nitrogen; attapulgite; removal rate

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.021

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07103-002)

王丹(1991—)男,碩士研究生,研究方向為湖泊環(huán)境與工程。E-mail:164847306@qq.com

丁士明,研究員。E-mail:smding@niglas.ac.an

X703.1

A

1004-6933(2016)05-0108-07

2015-11-29編輯：王芳)