超聲波協(xié)同混凝劑投加技術(shù)處理生活污水

宋詩穩(wěn)， 劉冉彤， 王 倩， 王天孝， 汪曉珊

(延安大學(xué) 石油工程與環(huán)境工程學(xué)院， 陜西 延安 716000)

0 引言

生活污水的有效處理途經(jīng)是先以物理化學(xué)技術(shù)提高其生物降解性，再采用生物法進(jìn)行深度處理.通常采用的預(yù)處理技術(shù)包括物理化學(xué)吸附、萃取、超聲波處理、氧化還原、化學(xué)混凝等[1].研究表明，超聲波單獨(dú)作用或與其他技術(shù)結(jié)合均可加快廢水中有機(jī)物的反應(yīng)速率，與傳統(tǒng)的物理法和生物法相比，具有效率高、操作簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境不會(huì)造成二次污染等特點(diǎn)[2,3].超聲波利用其空化作用產(chǎn)生的局部高溫、高壓使結(jié)合力強(qiáng)的化學(xué)鍵斷裂[4,5].另外，局部溶液形成的高溫高壓會(huì)使水分子裂解成·OH和·H自由基，其中的強(qiáng)氧化性自由基·OH可顯著降低廢水的COD和色度[6-8]，而達(dá)到處理廢水中有機(jī)物的目的.

由于微粒的布朗運(yùn)動(dòng)、膠體顆粒間的靜電斥力和膠體的表面作用，污水中的懸浮物及膠體物質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài).向水中投加混凝劑后，因吸附架橋作用、沉淀物網(wǎng)捕作用使膠體顆粒脫穩(wěn)，在布朗運(yùn)動(dòng)造成的顆粒異向絮凝作用下，聚集為具有明顯沉降性能的絮凝體.超聲波的機(jī)械作用可增大污水中有機(jī)物的比表面積、加快熱運(yùn)動(dòng)，使有機(jī)組分與混凝劑充分碰撞而提高膠體與雜質(zhì)顆粒物互相凝聚的共沉淀速率與絮凝效果[9]，改善有機(jī)物的去除效果.

基于此，本文將超聲波與化學(xué)混凝兩種處理方法相結(jié)合，研究聲化學(xué)協(xié)同混凝劑投加技術(shù)預(yù)處理生活污水的有效性.通過對(duì)實(shí)驗(yàn)影響因素及水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定探討其可行性.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究對(duì)象

生活污水于2017年5月取自延安市污水處理廠進(jìn)水泵房，水樣加硫酸調(diào)節(jié)至pH<2.0，于4 ℃保存(原水水質(zhì)見表1).室內(nèi)實(shí)驗(yàn)在延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行.

表1 原水水質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

(1)主要試劑：重鉻酸鉀、鄰菲羅啉、硫酸亞鐵銨、硫酸銀、硫酸亞鐵、硫酸汞、硫酸鋁鉀、鉬酸銨、硫酸鋅、酒石酸鉀鈉、碘化鉀、二氯化汞、酒石酸銻鉀、抗壞血酸、磷酸二氫鉀、六水合氯化鐵(FC)、聚合氯化鋁(PAC)等，均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水.

(2)主要儀器：超聲波清洗儀(昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司，KH5200B型)、六聯(lián)電動(dòng)攪拌器(國(guó)華電器有限公司，JJ-4)、濁度儀(美國(guó)Hanna，HI 93703-11).

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

化學(xué)需氧量的測(cè)定采用快速密閉消解法，氨氮的測(cè)定采用納氏試劑法，總磷的測(cè)定采用鉬銻抗分光光度法，懸浮固體的測(cè)定采用重量法，pH測(cè)定采用pH S-3C精密pH計(jì).

1.4 超聲波協(xié)同混凝劑處理生活污水實(shí)驗(yàn)

所有實(shí)驗(yàn)均為3組平行樣，并做去離子水的空白樣.

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳超聲波處理時(shí)間

分析原因在于，超聲波的機(jī)械作用使溶液中大分子有機(jī)聚合物多相體系中的空化泡破滅，產(chǎn)生很大的瞬時(shí)速度[10]，形成強(qiáng)烈的振動(dòng)，這種強(qiáng)烈的振動(dòng)能使大分子碳鍵發(fā)生斷裂，使其分解為簡(jiǎn)單的小分子有機(jī)物以被重鉻酸鉀氧化，從而使COD的去除效果逐漸變好.超聲處理時(shí)間超過800 s后，COD的去除率有所降低，這是因?yàn)榇藭r(shí)液體中的有機(jī)物普遍發(fā)生了高級(jí)氧化反應(yīng)以及等離子化學(xué)反應(yīng)，被分解為水和二氧化碳等簡(jiǎn)單小分子化合物[11]，因此COD的去除率又有所降低.

圖1 超聲處理時(shí)間對(duì)COD和去除率的影響(只超聲處理，不投加混凝劑)

2.2 投加混凝劑處理生活污水的最佳條件

2.2.1 最佳混凝劑種類及投加量

圖2 混凝劑投加量對(duì)COD去除率的影響(污水取樣量：200 mL，不超聲處理)

圖3 混凝劑投加量對(duì)去除率的影響(污水取樣量：200 mL，不超聲處理)

2.2.2 pH值對(duì)生活污水處理效果的影響

圖4 pH對(duì)COD去除率的影響(FC與PAC投加量：0.6 g/L與0.4 g/L，不超聲處理)

圖5 pH對(duì)去除率的影響(FC與PAC投加量：0.6 g/L與0.4 g/L，不超聲處理)

2.2.3 混凝劑種類及投加量、pH對(duì)生活污水濁度的影響

圖6考察了以濁度評(píng)價(jià)混凝劑種類以及投加量對(duì)生活污水的影響.由圖6可知，兩種混凝劑均使污水的濁度先變小后稍有增大.當(dāng)200 mL生活污水中FC濃度為0.6 g/L，PAC濃度為0.4 g/L時(shí)，污水濁度最小，分別為3.95 NTU與0.89 NTU.

圖6 混凝劑投加量對(duì)污水濁度的影響 (污水取樣量：200 mL，不超聲處理)

圖7 pH對(duì)污水濁度的影響(污水中FC、PAC濃度：0.6 g/L與0.4 g/L，不超聲處理)

最佳混凝劑投加量下pH對(duì)生活污水濁度的影響如圖7所示.當(dāng)pH為7.0時(shí)，兩種混凝劑的處理效果均達(dá)到最好，F(xiàn)C、PAC處理后的污水最小濁度分別為1.02 NTU、0.7 NTU.通過濁度實(shí)驗(yàn)可知，pH為7.0時(shí)混凝效果最佳，且污水濁度值越小，COD值越低.

2.3 超聲波協(xié)同混凝劑處理-混凝劑投加與超聲處理順序?qū)炷Ч挠绊?/p>

表2 混凝劑投加與超聲波處理順序?qū)OD和去除率的影響

注：水樣200 mL、超聲波處理時(shí)間800 s、混凝劑PAC濃度0.4 g/L、pH=7.0

3 結(jié)論

[1] Rajasulochana P,Preethy V.Comparison on efficiency of various techniques in treatment of waste and sewage water-A comprehensive review[J].Resource-Efficient Technologies,2016,2(4):175-184.

[2] Ambashta R D,Sillanpaa M.Water purification using magnetic assistance:A review[J].Journal of Hazardous Materials,2010,180:38-49.

[3] Naddeo V,Borea L,Belgiomo V.Sonochemical control of fouling formation in membrane ultrafiltration of wastewater:Effect of ultrasonic frequency[J]. Journal of Water Process Engineering,2015,8(3):92- 97.

[4] Mischopoulou M,Naidis P,Kalamaras S,et al.Effect of ultrasonic and ozonation pretreatment on methane production potential of raw molasses wastewater[J].Renewable Energy,2016,96(B):1 078-1 085.

[5] Mahdi G,Rezvan A,Rohollah R.Optimization of ultrasonic waves application in municipal wastewater sludge treatment using response surface method[J].Journal of Cleaner Production,2017,150:361-370.

[6] Bagal M V,Gogate P R.Wastewater treatment using hybrid treatment schemes based on cavitation and fenton chemistry:A review[J].Ultrasonics Sono-chemistry,2014,21(1):1-14.

[7] 董殿波.超聲降解染料廢水研究進(jìn)展[J].染料與染色,2016,53(5):57-61.

[8] 張格紅,趙平歌,廖志鵬,等.超聲強(qiáng)化鉍摻雜氧化銦降解偶氮染料廢水[J].環(huán)境化學(xué),2016,35(3):526-532.

[9] 聶國(guó)慶,吳耀國(guó),李 想,等.超聲技術(shù)在水處理中主要影響因素的研究進(jìn)展[J].水處理技術(shù),2008,34(3):11-14，87.

[10] Hou S X,Luo J J,He B,et al.The treatment of radioactive wastewater by ultrasonic standing wave method[J].Journal of Hazardous Materials,2014,274:41-45.

[11] 余麗勝,李曉霞,焦緯洲,等.超聲協(xié)同F(xiàn)enton法處理有機(jī)廢水的研究進(jìn)展[J].化工環(huán)保,2017,37(1):38-42.

[12] 姚吉倫,周振龐,治 邦,等.超聲波耦合工藝在水處理中的研究進(jìn)展[J].當(dāng)代化工,2016,45(11):2 660-2 665.

[13] 劉香蘭,劉桂蘭,肖廣全.超聲波聯(lián)合混凝法處理制藥廢水的研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2012,28(29):190-194.

[14] 馮俊生,許曉鋒,趙麗華.納米復(fù)合脫氮?jiǎng)?氣動(dòng)超聲吹脫高濃度氨氮廢水[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2015,9(1):177-182.

[15] Sekiguchi K,Kudo T,Sankoda K.Combined sonochemical and short-wavelength UV degradation of hydrophobic perfluorinated compounds[J].Ultrasonics Sonochemistry,2017,39:87-92.

[16] 馮顏顏,黃廷林,李 誠.不同混凝劑水處理效果及其對(duì)超濾膜影響的試驗(yàn)研究[J].水處理技術(shù),2013,39(1):118-121.

[17] 陳 燦,曾祥專,盧歡亮.混凝捕捉協(xié)同處理酸性含鉈廢水試驗(yàn)研究[J].給水排水,2016,42(7):67-70.