強化混凝法處理微污染窖水的試驗研究*

張 超 武福平 張國珍 劉 萌 楊 浩

(蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，寒旱地區(qū)水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730070)

強化混凝法處理微污染窖水的試驗研究*

張 超 武福平#張國珍 劉 萌 楊 浩

(蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，寒旱地區(qū)水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730070)

研究了使用單混凝劑聚合氯化鋁(PAC)混凝、助凝劑陰離子型聚丙烯酰胺(APAM)-PAC復(fù)配混凝和粉末活性炭聯(lián)合APAM-PAC強化混凝對窖水的處理效果。結(jié)果表明，在PAC質(zhì)量濃度為15.0mg/L，APAM質(zhì)量濃度為0.15mg/L，粉末活性炭投加量為20mg/L的強化混凝條件下，微污染窖水中的UV254、COD和濁度的去除率可分別達到66%、54%、97%。APAM對有機物的去除效果提升沒有分子量選擇性，而粉末活性炭對小分子有機物的去除效果更為明顯。

窖水 強化混凝 粉末活性炭 有機物分子量

為解決干旱半干旱地區(qū)嚴(yán)重的缺水問題，甘肅省實施了“121”雨水集流工程，窖水是當(dāng)?shù)剞r(nóng)村最主要的飲用水水源。然而由于受農(nóng)藥和化肥的使用、畜禽養(yǎng)殖廢水的排放等影響，加上經(jīng)濟條件的制約[1]，窖水水質(zhì)長期存在著微污染問題，主要是腐殖質(zhì)類有機物得不到有效去除[2-3]。無機高分子混凝劑如聚合氯化鋁(PAC)等具有高效的混凝作用[4]，絮體顆粒大，沉降速度快。陰離子型聚丙烯酰胺(APAM)是一類高分子助凝劑，能對懸浮粒子起架橋聯(lián)接作用，也可單獨作為混凝劑使用，具有成本低、對pH的適應(yīng)范圍廣等特點[5]，APAM-PAC復(fù)配使用有著極強的混凝效果[6]?？紤]到窖水中分子量小于5 000 u的小分子有機物約占有機物總質(zhì)量的40%，故添加粉末活性炭以增強小分子有機物的去除效果[7]。

本研究采用粉末活性炭聯(lián)合APAM-PAC強化混凝的方法，對西北干旱半干旱地區(qū)微污染窖水進行處理，重點考察了混凝劑PAC、助凝劑APAM和粉末活性炭對窖水中有機物的處理效果。

1 材料與方法

1.1 水樣采集

窖水水樣采自甘肅省會寧縣會師鎮(zhèn)某農(nóng)戶家中，該窖水集雨面為石棉瓦屋頂和水泥地面，水窖類型為水泥窖，具有代表性。窖水原水主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 原水水質(zhì)

1.2 混凝試驗

(1) 單混凝劑PAC混凝：取6個1 L的燒杯分別加入600 mL窖水水樣，投加不同濃度的PAC，先以200 r/min的攪拌速率攪拌2 min，再以50 r/min的攪拌速率攪拌20 min，靜置沉淀15 min后于液面下1 cm處取樣測定UV254、COD和濁度。

(2) APAM-PAC復(fù)配混凝：在混凝試驗(1)的基礎(chǔ)上，固定PAC質(zhì)量濃度為15.0 mg/L，以200 r/min攪拌2 min后，投加不同濃度的APAM，以200 r/min攪拌2 min，后續(xù)步驟同混凝試驗(1)。

(3) 粉末活性炭聯(lián)合APAM-PAC強化混凝：在混凝試驗(2)的基礎(chǔ)上，固定PAC質(zhì)量濃度為15.0 mg/L、APAM質(zhì)量濃度為0.15 mg/L，在投加APAM并以200 r/min攪拌2 min后，再投加不同量的粉末活性炭，以200 r/min攪拌2 min，后續(xù)步驟同混凝試驗(2)。

1.3 分析方法

COD測定采用《紡織染整助劑 化學(xué)需氧量(COD)的測定》(GB/T 29599—2013)；UV254采用紫外分光光度法測定；有機物分子量分布采用超濾膜法測定[8]；pH使用PHS-3C酸度計測定；濁度采用HACH2100P便攜式濁度儀測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 單混凝劑PAC混凝對窖水的處理效果

單混凝劑PAC混凝對窖水水質(zhì)的影響如圖1所示。在PAC質(zhì)量濃度為2.5～15.0 mg/L時，隨著PAC濃度的增加，COD和UV254的去除率持續(xù)上升，而當(dāng)PAC質(zhì)量濃度大于15.0 mg/L時，COD和UV254的去除率反而出現(xiàn)下降。這是因為PAC具有極強的吸附架橋作用[9]，適量的PAC可以形成無定形Al(OH)3，其網(wǎng)捕卷掃作用使溶液中有機物得以去除；而過量投加PAC會使有機物去除率下降是因為當(dāng)PAC達到一定濃度后，已被電中和的膠粒又因吸附作用而帶正電，且部分膠粒被包卷而復(fù)穩(wěn)[10]，使得PAC的有效利用率降低，弱化了混凝作用，有機物的去除效果趨于平緩甚至下降。在PAC質(zhì)量濃度為15.0 mg/L時，濁度的去除率也達到了最大值(81%)。因此，混凝劑PAC質(zhì)量濃度宜為15.0 mg/L。

圖1 PAC對窖水的處理效果Fig.1 Effect of PAC on treatment of cellar water

從圖1可見，UV254的去除率比COD高。這是因為UV254主要表征的是不飽和鍵的腐殖質(zhì)類有機物，電負性較強，PAC對這些物質(zhì)有較好的去除效果；而COD是可被高錳酸鹽氧化的有機物，并不一定能被PAC混凝去除。但總的來說，有機物的去除效果并不理想，UV254的最大去除率還不到50%。這是因為單獨使用PAC混凝所能去除的主要是一些懸浮顆粒物和大分子的電負性有機物[11]。圖2對比了原水與單混凝劑PAC混凝對不同有機物分子量分布區(qū)間的處理效果。原水的有機物分子量分布主要集中在<3 000 u和≥100 000 u的區(qū)間內(nèi)，小分子量的有機物所占比例很大。

圖2 PAC對不同有機物分子量分布區(qū)間的處理效果Fig.2 Effect of PAC on treatmemt of organic matter with different molecular weight distribution

2.2 APAM-PAC復(fù)配混凝對窖水的處理效果

APAM與PAC復(fù)配使用可產(chǎn)生強大的吸附架橋作用，增強絮體的沉降性。試驗研究了APAM-PAC復(fù)配混凝對窖水水質(zhì)的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，APAM-PAC復(fù)配混凝對UV254、COD、濁度的去除率較單混凝劑均有提升。在APAM質(zhì)量濃度為0～1.00 mg/L時，隨著APAM濃度的增加，UV254和COD的去除率先上升后下降，在APAM質(zhì)量濃度為0.15 mg/L時達到最大。APAM在中性至弱堿性環(huán)境中可發(fā)揮最佳助凝效果[12]；有機物與PAC作用形成小顆粒絮體后，APAM的有效官能團及丙烯酰胺鏈節(jié)能將這些絮體吸附并橋聯(lián)成更密實的絮體顆粒物而沉降[13]。但當(dāng)APAM投加過量后，高分子助凝劑的長鏈將包裹小顆粒絮體，難以發(fā)生架橋作用，降低對有機物的吸附，形成“膠體保護”現(xiàn)象，使得出水的有機物去除率反而下降。故APAM質(zhì)量濃度確定為0.15 mg/L。

圖3 APAM對窖水的處理效果Fig.3 Effect of APAM on treatment of cellar water

圖4對比了單混凝劑PAC混凝與APAM-PAC復(fù)配混凝對不同有機物分子量分布區(qū)間的處理效果。助凝劑APAM對不同有機物分子量分布區(qū)間基本都有一定的去除作用。這是由于長鏈狀的高分子APAM具有極強的吸附架橋作用，能使混凝產(chǎn)生的絮體更大更密實，對分子量沒有選擇性。

圖4 APAM對不同有機物分子量分布區(qū)間的處理效果Fig.4 Effect of APAM on treatment of organic matter with different molecular weight distribution

2.3 粉末活性炭聯(lián)合APAM-PAC強化混凝對窖水的處理效果

粉末活性炭能進一步去除小分子有機物。試驗研究了粉末活性炭的投加量對窖水水質(zhì)的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，隨著粉末活性炭投加量的增加，UV254、COD、濁度的去除率不斷提升。當(dāng)粉末活性炭投加量達到20 mg/L時，繼續(xù)增加其投加量，對UV254、COD、濁度的去除率提升影響不大，甚至反而出現(xiàn)下降。粉末活性炭進一步去除小分子有機物主要是因為其表面以微孔結(jié)構(gòu)為主，比表面積、微孔容積都比較大[14]。粉末活性炭聯(lián)合APAM-PAC強化混凝時，既要保證粉末活性炭不被混凝產(chǎn)生的絮體包裹，又要與窖水有足夠的接觸時間，因此選擇在投加APAM且以200 r/min攪拌2 min后再投加粉末活性炭，充分發(fā)揮其吸附小分子有機物的作用[15]。但是過量的粉末活性炭也會產(chǎn)生“膠體保護”的現(xiàn)象。綜合考慮UV254、COD、濁度的去除率盡可能大，粉末活性炭的投加量盡可能少，最終確定粉末活性炭投加量為20 mg/L。此時，UV254、COD和濁度的去除率可分別達到66%、54%、97%。

圖5 粉末活性炭對窖水的處理效果Fig.5 Effect of powdered activated carbon on treatment of cellar water

圖6對比了APAM-PAC復(fù)配混凝與粉末活性炭聯(lián)合APAM-PAC強化混凝對有機物分子量分布區(qū)間的處理效果。微污染窖水在經(jīng)過粉末活性炭的強化處理后，出水有機物得到了進一步降低，尤其是小分子有機物。

圖6 粉末活性炭對不同有機物分子量分布區(qū)間的處理效果Fig.6 Effect of powdered activated carbon on treatment of organic matter with dfferent molecular weight distribution

3 結(jié) 論

與單混凝劑PAC混凝相比，APAM-PAC復(fù)配混凝處理窖水對UV254、COD和濁度的去除率均有明顯提升，助凝劑APAM對不同分子量分布區(qū)間的有機物去除效果沒有選擇性。粉末活性炭聯(lián)合APAM-PAC強化混凝處理窖水，可進一步提高UV254、COD和濁度的去除率，但粉末活性炭主要對小分子有機物去除率較高。

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Studyontreatmentofmicro-pollutedcellarwaterbyenhancedcoagulation

ZHANGChao,WUFuping,ZHANGGuozhen,LIUMeng,YANGHao.

(EngineeringResearchCenterofIntegratedAvailability,MinistryofEducation,SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,LanzhouGansu730070)

Polyaluminum chloride (PAC) coagulation, PAC coagulation with anionic polyacrylamide (APAM) and powdered activated carbon enhanced PAC coagulation with APAM were compared. Results indicated that when PAC mass concentration was 15.0 mg/L,APAM mass concentration was 0.15 mg/L and powdered activated carbon dosage was 20 mg/L,the removal rate of UV254,COD and turbidity reached 66%,54% and 97%,respectively. APAM had molecular weight selectivity when eliminating organic matters,while powder activated carbon not.

cellar water; enhanced coagulation; powdered activated carbon; molecular weight of organic matter

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.02.003

2016-03-04)

張 超，男，1988年生，碩士研究生，研究方向為水處理技術(shù)與應(yīng)用。#

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*國家自然科學(xué)基金資助項目(No.51068014、No.51468033)；甘肅省建設(shè)廳科技攻關(guān)項目(No.JK2010-26)；長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目(No.IRT0966)。