陽離子絮凝劑對景觀水的凈化效果及其工藝條件

邵 穎， 汪 敏， 趙永富， 吳景霞， 高 巖， 張振華， 蔣希芝

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，江蘇南京 210014； 2.湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所，湖南長沙 410125；3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇南京 210014)

景觀水體主要有流經(jīng)城市的河流、公園水系、人工運(yùn)河和人工湖等洼陷結(jié)構(gòu)[1]。隨著生態(tài)城市、休閑農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，景觀水體的地位逐漸提升，但城市景觀水體的現(xiàn)狀不容樂觀[2]。由于景觀水體多為靜止或流動性差的封閉緩流水體，容易成為雨水及垃圾的收納體，發(fā)生富營養(yǎng)化，影響周圍的自然環(huán)境和生活環(huán)境[3]。景觀水治理方法主要分為物理方法、化學(xué)方法、生物方法[4-5]，其中物理方法主要被用于小水體，具有見效快、周期短的優(yōu)點(diǎn)，而缺點(diǎn)是耗電量大且水質(zhì)不能保證，對于藻類、有機(jī)污染物等無法有效清除；生物方法適用范圍廣，大小面積水體都可以運(yùn)用，系統(tǒng)穩(wěn)定，耗電量低，是可持續(xù)環(huán)境友好技術(shù)，但占用土地資源、見效慢、工程復(fù)雜；化學(xué)方法是向水中投放化學(xué)藥劑，主要為硝化細(xì)菌和絮凝劑，優(yōu)點(diǎn)是見效快、方法簡單，缺點(diǎn)是對生態(tài)環(huán)境可能造成二次污染，效果容易出現(xiàn)反復(fù)[6]。因此，開發(fā)一種針對性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、使用量少且處理效果好的絮凝劑具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

陽離子型高分子絮凝劑由于帶有大量正電荷，可與帶負(fù)電荷的污水發(fā)生電中和以及吸附作用，生成不溶性絮凝體，起到快速凈化水體的作用，具有處理成本低、工藝簡單的特點(diǎn)[7-8]。陽離子絮凝劑(PDA)是一種帶有陽離子基團(tuán)的線性水溶性高聚物，其正電荷密度高、陽離子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，較少用量即有較高的絮凝能力，且不污染環(huán)境，被廣泛應(yīng)用于日用化工及水處理等領(lǐng)域[9-10]。輻照技術(shù)是一種環(huán)保型清潔生產(chǎn)技術(shù)，整個(gè)輻照過程無污染物向環(huán)境排放?；谏鲜隹紤]，本研究以典型景觀水為試驗(yàn)對象，采用輻照法一步合成的PDA進(jìn)行污水處理效果試驗(yàn)，通過篩選絮凝劑化學(xué)組成，探究絮凝劑最佳使用工藝條件，以期實(shí)現(xiàn)景觀水的快速、有效凈化，為景觀水在園林綠化、農(nóng)業(yè)灌溉上的利用提供一種新方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)水溶液，上海譜振生物科技有限公司；丙烯酰胺(AM)，分析純，廣東光華化學(xué)廠有限公司；去離子水，由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所理化分析實(shí)驗(yàn)室制備。

鼓風(fēng)干燥箱(型號為101-1A，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)；數(shù)顯恒溫磁力攪拌器(型號為524G，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司)；散射光濁度儀(型號為WGZ-13，上海昕瑞儀器儀表有限公司)。

試驗(yàn)污水樣品：江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院2#池塘生活污水，污染物主要來自于中山陵景區(qū)周圍的生活污水排放。水體總氮(TN)含量為3.41～7.18 mg/L，總磷(TP)含量為0.05～0.27 mg/L，中度富營養(yǎng)化。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 PDA制備 按AM ∶DMDAAC ∶水不同比例(質(zhì)量比)配制一系列AM-DMDAAC水溶液，注入輻照管中，通氮?dú)?5 min，以去除空氣中的氧氣，密封后進(jìn)行輻照處理，吸收劑量設(shè)定為12 kGy。對輻照后的樣品進(jìn)行破碎、清洗、烘干、粉碎、過篩，得到不同粒徑(≤0.15、(0.15，0.20]、(0.20，0.45]、(0.45，0.60]、>0.60 mm)的PDA樣品。

1.2.2 絮凝效果測定方法 將制得的PDA樣品加入去離子水中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的膠體溶液，然后加入到待測試驗(yàn)污水樣品中。以一定速度攪拌一定時(shí)間，靜置，待絮凝物完全沉降。用濁度儀測定液面以下2 cm處水體的濁度，并觀察水體中絮狀物的漂浮情況，測定pH值。

1.2.3 PDA化學(xué)組成和粒徑對絮凝效果的影響試驗(yàn) 選用AM ∶DMDAAC(質(zhì)量比)分別為1 ∶2、1 ∶1、2 ∶1、3 ∶1、4 ∶1，粒徑為(0.20，0.45] mm的PDA樣品，對試驗(yàn)用生活污水進(jìn)行絮凝試驗(yàn)。PDA的投加量定為50 mg/L，攪拌速度為 700 r/min，絮凝時(shí)間為2 h，考察不同單體質(zhì)量比的PDA對污水的處理效果。以不添加絮凝劑的污水為對照(CK)。

選用AM ∶DMDAAC(質(zhì)量比)為2 ∶1，粒徑分別為 ≤0.15、(0.15，0.20]、(0.20，0.45]、(0.45，0.60]、>0.60 mm 的5種PDA樣品，對試驗(yàn)用生活污水進(jìn)行絮凝試驗(yàn)。其他條件同上述絮凝試驗(yàn)。以不添加絮凝劑的污水為對照(CK)。

1.2.4 絮凝工藝條件對絮凝效果的影響試驗(yàn) 選用 AM ∶DMDAAC (質(zhì)量比)為2 ∶1，粒徑為(0.20，0.45] mm的PDA樣品，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% PDA膠體溶液，對試驗(yàn)用生活污水進(jìn)行絮凝試驗(yàn)，設(shè)置不同絮凝工藝條件：(1)投加量分別為0、20、50、100、200、300 mg/L，其他條件同“1.2.3”節(jié)絮凝試驗(yàn)；(2)投加量為100 mg/L，攪拌速度分別為0、500、700、1 000、1 500 r/min，其他條件同“1.2.3”節(jié)絮凝試驗(yàn)；(3)投加量為100 mg/L，攪拌速度為700 r/min，絮凝時(shí)間分別設(shè)定為0、0.5、1.0、2.0、3.0、5.0 h，其他條件同“1.2.3”節(jié)絮凝試驗(yàn)。

1.2.5 不同絮凝劑應(yīng)用比較 3種不同來源的陽離子絮凝劑產(chǎn)品分別為1#絮凝劑(市購陽離子型聚丙酰胺，化學(xué)法合成)、2#絮凝劑[同行制備的聚丙烯酰胺(PAM)絮凝劑，輻照法合成]、3#絮凝劑(筆者所在實(shí)驗(yàn)室制備的PDA，輻照法一步合成樣品)，絮凝劑使用方法分別參考對應(yīng)產(chǎn)品使用說明書。絮凝效果測定參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 絮凝劑的選擇

2.1.1 化學(xué)組成 選擇合適的絮凝劑類型是獲得水體最佳凈化效果的關(guān)鍵。為此，本研究首先以降低水體濁度為指標(biāo)，對構(gòu)成PDA的單體配比進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。由圖1可知，原污水濁度高達(dá)18.71 NTU，水體為渾濁的暗綠色，向污水中加入絮凝劑后，濁度大幅度降低。其中PDA的單體質(zhì)量比 AM ∶DMDAAC=2 ∶1時(shí)，處理后的污水濁度最低，為2.87 NTU，且水體清晰；其他處理組水體濁度也有所降低，但PDA的單體質(zhì)量比AM ∶DMDAAC為4 ∶1、3 ∶1處理組的上清液水體發(fā)暗，1 ∶1處理組沉降物略有漂浮，1 ∶2處理組沉降物漂浮較嚴(yán)重。因此，單體質(zhì)量比AM ∶DMDAAC=2 ∶1的PDA對污水處理效果最好。

2.1.2 絮凝劑粒徑大小 在絮凝劑化學(xué)組成確定后，選用合適的絮凝劑粒徑可獲得理想的污水處理效果。本研究選取的生活污水濁度為18.09 NTU，溶液呈暗綠色，表面有青苔狀綠色漂浮物。由圖2可知，加入不同粒徑的PDA后，污水濁度首先隨著粒徑的增大而快速下降，當(dāng)粒徑>0.2 mm以后趨于穩(wěn)定。粒徑≤0.20 mm的PDA處理后，水體中仍存在漂浮物，絮狀物沉降不完全；粒徑>0.20 mm的PDA處理后，污水濁度降到3.00 NTU以下，且水體清晰，絮狀物沉降完全。

2.2 絮凝工藝條件

2.2.1 PDA投加量 由圖3可知，處理后污水濁度隨PDA添加量的增加呈先降低后升高的趨勢，當(dāng)投加量為50 mg/L時(shí)，污水的濁度達(dá)到最低，為2.51 NTU，且水體清晰。說明存在使絮凝效果達(dá)到最優(yōu)的最佳PDA投加量，大于或小于最佳投加量都會影響絮凝效果，小于最佳投加量時(shí)，水中污染物沉降不完全；大于最佳投加量時(shí)，過剩的PDA之間的相同電荷產(chǎn)生靜電排斥，影響絮狀物沉降。

2.2.2 攪拌速度 由圖4可知，經(jīng)過攪拌后，污水濁度大幅度降低。未經(jīng)攪拌的污水，添加PDA后靜置相同的時(shí)間測得濁度為13.38 NTU，水體仍很渾濁。攪拌速度為700、1 000 r/min 處理組得到的污水濁度較低，分別為3.09、2.82 NTU，且水體清晰。攪拌速度為500、1 500 r/min處理組得到的污水濁度分別為5.46、3.65 NTU，水體中存在漂浮物。

2.2.3 絮凝時(shí)間 由圖5可知，未經(jīng)攪拌的污水，添加PDA后靜置相同的時(shí)間測得的濁度為14.06 NTU，水體仍較渾濁；攪拌2.0 h處理組，污水濁度下降到最低，為1.95 NTU，水體上層清晰，絮凝物完全沉降于杯底(圖6)；攪拌0.5、1.0、3.0、5.0 h處理組的濁度也較低，分別為4.67、2.06、2.23、2.05 NTU，但這4個(gè)處理組水體中均存在有少量的漂浮物。

2.3 PDA應(yīng)用試驗(yàn)

為進(jìn)一步確認(rèn)本研究PDA樣品對景觀水的凈化效果，采用不同種類絮凝劑進(jìn)行對比試驗(yàn)。原水樣在7月下旬取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院2#池塘，此時(shí)正值南方高溫多雨季節(jié)，來自上游中山陵景區(qū)的生活垃圾、廢物沖刷下來，形成大量旅游垃圾漂浮物。水樣透明度為30 cm，pH值為7.8，微風(fēng)吹過有明顯異嗅。由圖7、表1可知，3種絮凝劑處理后，水體透明度增加，具體表現(xiàn)為3#絮凝劑>1#絮凝劑>2#絮凝劑；pH值增大 0.4～0.5；異嗅味均比對照明顯減輕；2#絮凝劑、3#絮凝劑處理懸浮物下沉至底，而1#絮凝劑處理形成許多懸浮態(tài)的絮狀物。綜合比較，本研究樣品PDA處理試樣污水的效果最佳。

3 討論

景觀水體的有機(jī)質(zhì)含量高，這些有機(jī)質(zhì)微粒表面通常攜帶有大量的負(fù)電荷。選擇合適的陽離子絮凝劑與之匹配才能獲得最佳的凈化效果。AM ∶DMDAA的單體質(zhì)量比可直接影響輻射引發(fā)的單體轉(zhuǎn)化率，同時(shí)可造成輻射合成的絮凝劑分子量及其攜帶的陽離子數(shù)量、空間位置不同，從而影響電中和、架橋、吸附等絮凝過程。

表1 絮凝效果比較試驗(yàn)

根據(jù)絮凝機(jī)制分析，粒徑≤0.20 mm的絮凝劑大分子鏈相對較短，不能與水體中的污染物進(jìn)行充分吸附纏繞或產(chǎn)生橋連作用以形成較大的絮凝體，導(dǎo)致處理后污染物沉降不完全，水體中仍有絮狀懸浮物的存在。粒徑>0.20 mm的陽離子絮凝劑能夠與負(fù)電荷污染物產(chǎn)生有效電荷吸附作用而形成較大的絮凝體，并在重力作用下沉降，從而實(shí)現(xiàn)較好的去污效果?？梢姡谛跄齽┲苽渲?，不須要將絮凝劑粉碎過細(xì)，粒 徑>0.2 mm 時(shí)，絮凝效果較好，此外絮凝劑使用前須用水配制成一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的絮凝劑溶液，并攪拌一定時(shí)間使其大分子鏈充分溶脹伸展。

絮凝劑的合適用量不僅與污染物的離子類型及離子度有關(guān)，還與分子量有關(guān)[12]。因此，對于本研究選用的污水，絮凝劑最佳投加量為50 mg/L，而對于其他種類污水，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況試驗(yàn)得出。

當(dāng)攪拌速度偏低時(shí)，絮凝劑與污染物不能充分接觸，導(dǎo)致水體中污染物沉降不完全。當(dāng)攪拌速度偏高時(shí)，會將大絮狀物破壞成小絮狀物，影響沉降速度與效果[13]。因此，絮凝劑攪拌速度為700～1 000 r/min時(shí)，去污效果最好。

絮凝時(shí)間不足會使絮狀物沉降不完全，而絮凝時(shí)間太長時(shí)，由于攪拌時(shí)力的作用會破壞已經(jīng)形成的絮狀物，導(dǎo)致去污效果下降。因此，絮凝劑的絮凝時(shí)間為2 h左右時(shí)，去污效果最好。

4 結(jié)論

針對輻照法一步合成的陽離子絮凝劑進(jìn)行景觀水絮凝效果評價(jià)。首先優(yōu)化PDA單體構(gòu)成和粒徑大小，然后確定投加量、攪拌速度、絮凝時(shí)間等絮凝工藝參數(shù)。以江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院2#池塘水作為處理對象，篩選得到PDA的最佳使用條件，即單體配比AM ∶DMDAAC(質(zhì)量比)=2 ∶1，粒徑>0.20 mm，且須先配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的膠體溶液再向污水中添加，投加量為50 mg/L，攪拌速度為700～1 000 r/min，絮凝時(shí)間 2 h，靜置后水中絮凝物沉降于底部，水體清澈。從景觀用水的快速處理角度看，筆者所在實(shí)驗(yàn)室通過輻照法一步合成的陽離子絮凝劑在透明度、懸浮物量2項(xiàng)指標(biāo)上，明顯優(yōu)于同類絮凝劑產(chǎn)品。