磁絮凝預處理景觀湖泊的補水試驗研究*

韓國勝　吳春篤，2　蒲欣　張波

（1.江蘇大學環(huán)境與安全工程學院　江蘇鎮(zhèn)江212013；　2.揚州職業(yè)大學　江蘇揚州225009）

磁絮凝預處理景觀湖泊的補水試驗研究*

韓國勝1吳春篤1，2蒲欣1張波1

（1.江蘇大學環(huán)境與安全工程學院江蘇鎮(zhèn)江212013；2.揚州職業(yè)大學江蘇揚州225009）

為了快速凈化景觀湖泊的補水，采用磁絮凝法對Ⅴ類甚至劣Ⅴ類河道水體進行預處理，設計正交試驗，分析了絮凝劑（PAC）、助凝劑（PAM）以及磁鐵粉的投加量對預處理效果的影響 ，并利用正交試驗法和多指標綜合評分法進一步優(yōu)化磁絮凝預處理工藝參數(shù)，結果表明最佳工藝參數(shù)為：磁鐵粉加入量100 mg/L，PAC投加量150 mg/L，PAM投加量2 mg/L。在此最佳工藝參數(shù)下，進行驗證試驗，COD去除率達到50.39% ，TP去除率為96.65%，濁度去除率為91.59%，氨氮去除率為6.31%，除氨氮外，其他各指標基本均能達到地表水環(huán)境Ⅲ類水體標準 ，達到了預處理目的，為后續(xù)深度凈化減輕負荷壓力。

磁絮凝 景觀湖泊補水 正交試驗 多指標綜合評分

0　引言

隨著我國城市化速度不斷加快，城市湖泊資源的開發(fā)利用日趨加強，尤其景觀湖泊的開發(fā)建設得到了更多的關注和重視，然而景觀湖泊水體的水質(zhì)水量維持及治理一直是世界性難題。為了達到景觀效果，景觀湖泊水體經(jīng)常需要實施水量調(diào)度 ，使其能夠維持一定的景觀水位要求，而補充的水源大多數(shù)來自周邊河道引水。然而周邊河道水體難免存在一定的面源及點源污染，其水質(zhì)處于地表水環(huán)境Ⅴ類甚至劣Ⅴ類水平，達不到景觀水體補水水質(zhì)要求（地表水環(huán)境Ⅲ類水體），需要采取預處理措施。本文采用磁絮凝法預處理景觀湖泊的補水，研究磁鐵粉、絮凝劑聚合氯化鋁以及助凝劑聚丙烯酰胺投加量等因素對預處理效果的影響，并利用正交試驗方法和綜合評分法優(yōu)化磁絮凝工藝，得到最佳工藝參數(shù)，為該方法的實際應用提供一定的指導。

1　材料與方法

1.1試驗材料及儀器

試驗原水取自某河道水體，其水質(zhì)情況為：水溫為7～15℃，COD為37.58～54.56 mg/L，氨氮為8.25～13.68 mg/L，TP為0.427～1.494 mg/L，pH為6.84～7.62，濁度基本在4.650 NTU以上。

試驗藥劑主要包括：絮凝劑和助凝劑分別采用分析純的聚合氯化鋁（北京水碧清科技有限公司）以及陰離子聚丙烯酰胺（鴻昌凈水材料廠），配置成一定濃度的標準溶液備用；磁性鐵粉，粒度325目，其中磁性物含量≥95%，四氧化三鐵含量≥85%（湖北七八九化工有限責任公司）。

試驗儀器主要包括：JJ-4A六聯(lián)電動攪拌機；釹鐵硼磁鐵直徑80 mm，厚度20 mm（上海步達磁性材料）；電子天平；水質(zhì)快速測定儀（上海連華科技有限公司）等。

1.2試驗方法

1.2.1單因素試驗研究

在不改變原水溫度和pH的情況下，取500 mL原水分別加入6組1 000 mL混凝燒杯中，投加一定量的磁鐵粉和混凝劑（PAC），快速攪拌（300 r/min）90 s，然后再投加一定量的助凝劑（PAM），慢速攪拌（70 r/min）2 min后，將燒杯置于磁鐵上部，靜置30 s，取上清液，測定上清液的COD、氨氮、TP及濁度值，并計算各指標去除率。

1.2.2正交試驗設計優(yōu)化工藝條件

在單因素試驗的基礎上，選擇以磁鐵粉投加量（A）、聚合氯化鋁投加量（B）、聚丙烯酰胺投加量（C）為考察因素，以COD去除率（X/%）、氨氮去除率（Y/%）、TP去除率（Z/%）和濁度去除率（P/%）為評價指標，采用L9（34）正交表安排試驗，見表1。

表1　試驗因素及水平表　mg/L

2　試驗結果與分析

2.1助凝劑PAM的最佳投加量

試驗條件：PAC投加量為200 mg/L，磁鐵粉投加量為200 mg/L，水溫12.3℃，pH=6.8。

由圖1可以看出，出水COD、TP、濁度的去除率開始都是隨助凝劑PAM的增加而逐漸增加的，當PAM投加量為3 mg/L時，出水各指標的去除率達到最高，此時COD去除率為51.61%，TP去除率為97.42%，濁度去除率達100%。再增加PAM的投加量，出水各指標的去除率都會有不同程度的下降，因為投加量過大，會引起吸附飽和，致使膠粒上形成覆蓋層，引發(fā)膠粒再穩(wěn)現(xiàn)象，反而使有機物去除效率降低。其中氨氮去除率基本在5%以下，且隨PAM投加量變化影響較小。

綜合去除效率及經(jīng)濟效應，初選PAM的最佳投加量為3 mg/L。此時COD去除率為51.61%，出水COD值為22.73 mg/L，TP去除率為97.42%，出水TP值為0.011 mg/L，濁度去除率達100%，氨氮去除率為2.90%，出水氨氮值為9.941 mg/L。

圖1　PAM投加量對絮凝效果的影響

2.2絮凝劑PAC最佳投加量

試驗條件：PAM投加量為3 mg/L，磁鐵粉投加量為200 mg/L，水溫為11.3℃，pH=7.23。

從圖2可以看出，COD去除率開始隨PAC的增加逐漸升高，當PAC量超過150 mg/L時，去除率又逐漸降低。即在PAC的量為150 mg/L時，COD去除率達最高為62.85%。這是因為隨著PAC投加量增多，則參與吸附、架橋的有機物也越多，凝聚效果也越好，故對COD的去除率越高。但當混凝劑PAC投加量超過一定量時 ，會引起吸附飽和而使膠粒產(chǎn)生再次穩(wěn)定 ，同時混凝劑分子的自身纏繞作用也會降低其吸附、架橋能力，從而使COD去除率降低。其中氨氮的去除率隨PAC的投加量的變化影響較小，且去除率非常低，基本在7%左右。TP和濁度的去除率都能達到80%以上，且數(shù)據(jù)的變化幅度不大。

圖2　PAC投加量對絮凝效果的影響

綜上所述，初選PAC的最佳投加量為1.5 mL，即150 mg/L。此時COD去除率為53.56%，出水COD值為19.70 mg/L，TP去除率為96.92%，出水TP值為0.014 mg/L，濁度去除率達90%，出水濁度值為0.465 NTU，氨氮去除率為5.45%，出水氨氮值為10.58 mg/L。

2.3磁鐵粉的最佳投加量

試驗條件：PAC投加量為150 mg/L，PAM投加量為3 mg/L，水溫為13.6℃，pH=7.24。

由圖3可以看出，隨著鐵粉投加量的增加，COD的去除率呈先升高后降低的趨勢，在投加量為100 mg/L時，COD去除率最高達到51.73%，出水COD值為16.67 mg/L，且投加鐵粉與未投加鐵粉相比，去除率高約20%。磁鐵粉的加入，水中懸浮顆粒數(shù)量得到了增加，在快速攪拌的情況下，膠粒碰撞機率增大，且磁粉粒子產(chǎn)生的微弱磁場對帶電荷的膠粒有較強的吸引力，磁粉與絮凝體能夠快速結合成緊密的磁絮復合體，從而使絮體密度增加、體積減小，絮凝效果增強。然而當磁鐵粉量投加過多時，多余的磁粉不再與絮凝體結合形成緊密的磁絮復合體，而是分散于水中，不僅影響絮凝劑對污染物的吸附作用，同時也會影響水體的濁度處理。由圖3可看出，TP去除率達到95%以上，且各組數(shù)據(jù)相差不大；而氨氮的去除率很低，差別也不大，總體在4.06%～8.08%，出水氨氮值遠遠超出地表水環(huán)境Ⅲ類標準，還需要后期利用生物處理等技術進一步降解水中氨氮，改善水質(zhì)。

因此綜合考慮各指標的去除率、出水值以及經(jīng)濟效益的情況下，初選最佳鐵粉投加量為100 mg/L。此時COD去除率為51.73%，出水COD值為16.67 mg/L，TP去除率為95.13%，出水TP值為0.022 mg/L，濁度去除率達100%，氨氮去除率為0.45%，出水氨氮值為11.01 mg/L。

圖3　磁鐵粉投加量對絮凝效果的影響

2.4正交試驗結果分析

按照L9（34）正交表進行試驗，分別測定各條件下的COD去除率（X/%）、氨氮去除率（Y/%）、TP去除率（Z/%）及濁度去除率（P/%）。采用綜合加權評分法，結合該工藝的特點和相關文獻，權衡各指標對水體凈化效果的影響 ，設定指標COD去除率（X/%）、氨氮去除率（Y/%）、TP去除率（Z/%）及濁度去除率（P/%）的權重系數(shù)分別為 ：0.4、0.1、0.25、0.25。根據(jù)各指標的權重，計算多屬性綜合評價指標，對正交試驗數(shù)據(jù)進行綜合分析。即綜合評分：

OD=0.4 Xi/Xmax+0.1 Yi/Ymax+0.25 Zi/Zmax+ 0.25 Pi/Pmax

表2　正交試驗直觀分析結果

由表2的直觀分析可以看出，正交試驗中各因素的極差對綜合評分OD影響的主次順序依次為：PAC投加量＞磁粉投加量＞PAM投加量，再通過K1、K2、K3值確定試驗最優(yōu)方案：A1B2C2，即磁粉投加量100 mg/L，PAC投加量150 mg/L，PAM投加量3 mg/L。

表3　方差分析結果

查表可知，F(xiàn)0.90（2，2）=9.0，F(xiàn)0.95（2，2）=19.0，F(xiàn)0.99（2，2）=99.0。通過表3方差分析可知，因子A和B在顯著水平0.05下是顯著的，因子C不顯著。由于因子A和B對綜合評分的影響是顯著的，因此選擇最佳水平組A1B2。因子C對綜合評分的影響不顯著，故可考慮經(jīng)濟方面，節(jié)約成本選擇C1。

依上述綜合分析結果，得到最終的方案為A1B2C1。即磁鐵粉投加量100 mg/L，PAC投加量150 mg/L，PAM投加量2 mg/L。

為了進一步驗證該工藝配比方案的穩(wěn)定性和可行性，依此條件進行3組平行試驗 ，試驗結果見表4。

表4　正交驗證試驗

結果表明，出水中COD、氨氮、TP、濁度值分別為：19.14 mg/L、9.538 mg/L、0.012 mg/L、0.620 NTU。去除率分別為50.39%、6.31%、97.18%、91. 59%。其出水水質(zhì)除氨氮外，其他指標均能達到地表水環(huán)境Ⅲ類水體標準，因此還需要后期利用生物處理等技術對水中氨氮降解 ，從而進一步改善水質(zhì)。

3 結論

（1）本試驗采用正交試驗法優(yōu)化磁絮凝技術凈化城市景觀湖泊補水，結果表明影響因素的主次順序：PAC投加量＞磁粉投加量＞PAM投加量。且PAC和磁粉投加量對試驗效果影響是顯著的，PAM投加量影響效果不顯著。

（2）利用正交試驗方法和多指標綜合評價法，得到磁絮凝凈化城市景觀湖泊補水的最佳工藝為：磁鐵粉投加量100 mg/L，PAC投加量150 mg/L，PAM投加量2 mg/L。

（3）利用磁絮凝技術能夠快速高效凈化景觀湖泊補水 ，水中COD、TP、濁度等都能夠高效去除，且出水水質(zhì)可以達到地表水環(huán)境Ⅲ類標準，然而氨氮去除率非常低，還需要后期利用生物處理等技術進行進一步水質(zhì)改善及維護。

Experimental Study on Water Supply of Landscape Lake Pretreated by Magnetic Flocculation

HAN Guosheng1WU Chundu1，2PU Xin1ZHANG Bo1
（1.School of the Environment and Safety Engineering，Jiangsu University Zhenjiang，Jiangsu 212013）

In order to rapidly purify the water supply of landscape lake，the magnetic flocculation method is used to carry out the pretreatment and design orthogonal test.The effects of the dosage of coagulant（PAC），coagulant aid（PAM）and magnetic powder on the pretreatment are analyzed.The parameters are optimized by orthogonal testmethod and multiindex comprehensive score method and the results show thatthe optimum process parameters are as follows：magnetpowder dosage 100 mg/L，PAC dosage 150 mg/L and PAM dosage 2 mg/L.Under the optimum process parameters，the experimentis carried out，in which the removal rate of COD can reach 50.39%and that of TP，turbidity and ammonia nitrogen can reach 96.65%，91.59%and 6.31%respectively，which can achieve the purpose of the pretreatment and reduce the load pressure for the follow-up depth.

magnetic flocculation water supply of landscape lake orthogonal test multi index comprehensive score method

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2014BAC08B01），鎮(zhèn)江市社會發(fā)展項目（SH2014014）。

韓國勝 ，男 ，碩士 ，從事水處理技術研究。

（2015-09-20）