高鹽景觀水體除磷、除藻藥劑優(yōu)選及復(fù)配

王希越　劉東方　王偉斌　張慶明　包迪

摘要：淡水鹽堿化是全球范圍內(nèi)面臨的一個(gè)新興環(huán)境問題，其中城鎮(zhèn)內(nèi)人工景觀水體表現(xiàn)尤為突出。高鹽景觀水體鹽度大，導(dǎo)致植物不易生長，藻類逐漸成為優(yōu)勢(shì)種群，影響觀感。通過絮凝法同時(shí)除磷、除藻，使景觀水體恢復(fù)藻類爆發(fā)前的狀態(tài)。研究11種絮凝藥劑對(duì)TP、Chla（葉綠素a）的去除效率，其中PAC除磷效果很好，CPAM可以有效除藻。經(jīng)過濃度梯度優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出PAC和CPAM的最優(yōu)投加濃度，并進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn)。復(fù)配結(jié)果為當(dāng)PAC投加濃度10 mg/L、CPAM投加濃度3 mg/L時(shí)組合除磷、除藻效果最佳，TP平均去除率為92.52 %，Chla平均去除率為98.32 %。

關(guān)鍵詞：絮凝劑;CPAM;PAC;除磷;除藻

中圖分類號(hào)：X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Freshwater salinization is an emerging environmental problem worldwide.It is especially prominent in the artificial landscape water in urban areas.High-salinity landscape water body makes it hard for plants to grow，so that the algae gradually becomes the dominant population，affecting the beauty of the water.In this study，we used the flocculation method to simultaneously remove phosphorus and algae，so as to recover the landscape water body to the state before the algae bloom.In this paper，we studied the removal efficiency of 11 flocculants on TP and Chla （chlorophyll-a）.Among them，PAC showed good effect on TP removal，and CPAM could effectively remove algae.After the concentration gradient optimization experiment，we selected the optimal dosage of PAC and CPAM，and performed compounding experiment.The results of the compounding were as follows：when PAC was 10 mg/L and CPASM was 3 mg/L，the combination had the best removal effect.The average removal rate of TP was 92.52%，and that of Chla was 98.32%.

Key words：flocculant;CPAM;PAC;phosphorus removal;algae removal

淡水生態(tài)系統(tǒng)鹽堿化是世界范圍內(nèi)的一個(gè)新興環(huán)境問題[1]。近幾十年，由于冬季道路鹽的使用，淡水生態(tài)系統(tǒng)鹽度急劇上升[2]。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，城市不透水面積加大，鹽的使用量加大[3]，更加劇了城市淡水鹽堿化問題，而景觀水體地處城鎮(zhèn)內(nèi)部，其鹽堿化程度在城市淡水中尤為突出。

天津市作為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的代表城市，其特殊的地理位置（臨海）及氣候條件（年降雨量低）導(dǎo)致土地及淡水鹽堿化問題十分嚴(yán)重。其中天津某地區(qū)土壤含鹽量為25～33 g/L[4]，景觀水體平均含鹽量達(dá)到2～3 g/L。含鹽量過高不利于水生動(dòng)植物生長，而藻類對(duì)鹽度的適應(yīng)范圍較廣。Xuyang Li等[5]對(duì)小球藻的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鹽度高達(dá)10～15 g/L時(shí)，對(duì)小球藻的生長仍未有顯著影響。在高鹽景觀水體中，藻類由于沒有競(jìng)爭(zhēng)，易成為優(yōu)勢(shì)群落，而發(fā)生藻類爆發(fā)。 氮、磷是藻類生長的主要營養(yǎng)元素，其中磷對(duì)藻類的影響優(yōu)于氮對(duì)藻類的影響[6-8]。有研究表明，春季無機(jī)磷含量在0.01 mg/L時(shí)就可以使藻類爆發(fā)[9]，而景觀水體TP含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.01 mg/L。因此本研究欲從兩方面出發(fā)控制景觀水體藻類爆發(fā)，一方面去除藻類[10]，另一方面降低磷含量[11]。

目前國內(nèi)外的研究中，對(duì)水中磷的去除，多采用生物法或化學(xué)法。而Intrasungkha[12]等人研究表明，對(duì)高鹽水，若采用生物除磷，在鹽濃度為5 g/L、水力停留時(shí)間為18 h時(shí)，PO43--P的去除率僅為15%;而鹽度大于5 g/L時(shí)，則無法進(jìn)行生物除磷。Panswad[13]通過研究對(duì)此做出了解釋，他認(rèn)為在含鹽環(huán)境中，鹽度在聚磷菌細(xì)胞內(nèi)累積，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)滲透壓急劇增加，使得聚磷菌失去吸收磷的能力，從而無法進(jìn)行生物除磷。與此同時(shí)，眾多研究表明，化學(xué)除磷中絮凝法對(duì)除磷、除藻兼具較好處理效果，并且所用的藥劑也有重合部分。如劉麗娟等[14]選用PAC、PAFC、PFS、PAS、AS五種絮凝劑，研究其除藻效果，這五種絮凝劑同樣可以用于除磷。目前，利用絮凝法同時(shí)除磷、除藻的絮凝工藝研究甚少，尤其關(guān)于高鹽景觀水體同時(shí)除磷、除藻絮凝劑的研究還未見報(bào)導(dǎo)。

因此，本文擬通過對(duì)比研究11種除磷/除藻絮凝藥劑（以下統(tǒng)稱為絮凝劑），優(yōu)選出效果好的絮凝劑并進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)，尋找出高效且經(jīng)濟(jì)，適用于高鹽水同時(shí)除磷、除藻的絮凝劑配方。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 藻種的來源及培養(yǎng)

藻種購買于南京優(yōu)活生物技術(shù)有限公司，為復(fù)合藻種，主要成分包括小球藻、柵藻、卵囊藻等。其中小球藻為優(yōu)勢(shì)藻種，占比99% 以上。

1.2 待處理高鹽水的配制

實(shí)驗(yàn)?zāi)M水主要成分見表1，與天津市某景觀水體成分相似，總鹽度3 g/L。

1.3 絮凝劑濃縮液濃度的選取

本文選用單寧酸、高鐵酸鉀、陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）、殼聚糖（CTS）、聚合氯化鋁（PAC）、陰離子聚丙烯酰胺（PAM）、氯化鐵、聚合氯化鋁鐵（PAFC）、硫酸鋁（AS）、聚合硫酸鐵（PFS）、某公司除藻劑等11種藥劑進(jìn)行優(yōu)選實(shí)驗(yàn)?？紤]到絮凝劑由于生產(chǎn)工藝等的不同成本也不盡相同，11種藥劑中高者每噸過萬、低者每噸幾千。不僅要考慮除磷、除藻效果，還要考慮實(shí)際工程應(yīng)用的成本問題。本文盡量平衡成本問題，選擇每噸售價(jià)過萬的絮凝劑配制低濃度濃縮液，售價(jià)每噸未過萬的絮凝劑配制高濃度濃縮液。選用濃縮液濃度見表2。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 絮凝劑優(yōu)選

將4 ml各絮凝劑濃縮液加入裝有400 mL藻液的六聯(lián)攪拌器專用攪拌杯中，快攪3 min、慢攪0.5 min、靜置40 min。取上清液測(cè)定葉綠素a（Chla）及TP，通過比較Chla及TP去除率選擇最優(yōu)絮凝劑。

1.4.2 除磷、除藻最優(yōu)絮凝劑濃度確定

優(yōu)選出的絮凝劑設(shè)置5個(gè)濃度梯度，將4 ml各濃度絮凝劑濃縮液加入裝有400 mL藻液的六聯(lián)攪拌器專用攪拌杯中，快攪3 min、慢攪0.5 min、靜置40 min。取上清液測(cè)定葉綠素a（Chla）及TP，通過比較Chla及TP去除率選擇最優(yōu)絮凝劑濃度。每噸售價(jià)過萬的考察低濃度時(shí)對(duì)TP及藻的去除效果;每噸售價(jià)未過萬的考察高濃度時(shí)對(duì)TP及藻的去除效果，以平衡成本問題。

1.4.3 復(fù)配

將PAC及CPAM分別設(shè)定3個(gè)濃度梯度進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)，每個(gè)復(fù)配做3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。復(fù)配序號(hào)見表3。

1.5 檢測(cè)方法

藻類的去除效果以葉綠素a去除率為標(biāo)準(zhǔn)。葉綠素a的測(cè)定采用《水質(zhì)葉綠素a的測(cè)定分光光度法》HJ 897-2017。

TP的測(cè)定采用《水質(zhì)總磷的測(cè)定鉬酸銨分光光度法》GB 11893-89。

1.6 實(shí)驗(yàn)固定參數(shù)

溫度為20 ℃、鹽度3 g/L、pH為8、快攪速度200 r/min、慢攪速度50 r/min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 絮凝劑優(yōu)選

2.1.1 TP去除效果

11種絮凝劑對(duì)TP的去除效果見圖1。由圖1可以看出PAC、氯化鐵、PAFC、AS、PFS對(duì)TP的去除率均高于69%，明顯高于其它6種絮凝劑，其中PAC、PFS對(duì)TP的去除效果最為明顯。研究表明，鋁鹽和鐵鹽對(duì)磷的去除效果更好，由于鋁鹽和鐵鹽在溶液中分解成多種形態(tài)的鋁、鐵與磷結(jié)合產(chǎn)生絮體沉淀，并通過鋁鹽、鐵鹽吸附架橋、電中和、網(wǎng)捕等作用增大絮體粒徑，使其快速沉降，從而可將水中的磷去除[15-17]，同時(shí)PAC和PFS對(duì)TP的去除效果高于氯化鐵和AS，說明大分子聚合物除磷效果優(yōu)于小分子無機(jī)鹽。另外，張大群等[18]對(duì)PFS和PAC除磷效果進(jìn)行了研究比較，研究結(jié)果表明PAC除磷效果優(yōu)于PFS，這與本試驗(yàn)結(jié)果相符。

2.1.2 Chla去除效果

11種絮凝劑對(duì)藻液中葉綠素a的去除率見圖2。分析可知，11種絮凝劑中，除單寧酸和某公司除藻劑之外，其余絮凝劑除藻效率均高于54%。其中AS、CPAM、氯化鐵對(duì)Chla的去除率達(dá)到了100%。這主要是因?yàn)槲⒃鍘ж?fù)電[20]，易于與帶正電的離子結(jié)合。硫酸鋁、氯化鐵能夠產(chǎn)生大量的鋁離子和鐵離子吸附微藻并形成絮凝沉淀[19]。CPAM電荷較高，其水溶液帶有正電[20]，易與微藻結(jié)合而沉淀。且CPAM對(duì)藻類的去除率（100 %）要明顯好于PAM對(duì)藻類的去除率（73.15 %）也能印證此結(jié)論。另外，PAC對(duì)Chla的去除率為96.10 %，其對(duì)藻類的高去除率可能來源于PAC水溶液分解產(chǎn)生的鋁離子對(duì)藻類的吸附沉淀作用以及PAC除磷的過程中產(chǎn)生的絮體對(duì)藻類的網(wǎng)捕作用。

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，11種絮凝劑中PAC除磷效果最佳，除藻效果也較好，從處理效果來說，選用PAC作為除磷、除藻絮凝劑最為適合，但PAC處理存在產(chǎn)生絮體量大的缺點(diǎn)。另外，采用CPAM除藻效果非常好，且除藻類絮體外無其他絮體產(chǎn)生，上清液澄清透明。因此，可以采用CPAM和PAC復(fù)配，將CPAM作為PAC的輔助絮凝劑，降低絮體量。

2.2 PAC最優(yōu)濃度確定

圖3為PAC加入濃度為20～60 mg/L時(shí)對(duì)TP和Chla的去除效果。當(dāng)加入PAC濃度為20 mg/L時(shí)，TP去除率僅為67.5 %，Chla去除率為95.7 %。繼續(xù)增大PAC濃度，TP去除率急劇升高，達(dá)到83.82 %，Chla的去除率也增加到95.79 %。當(dāng)加入PAC濃度高于40 mg/L時(shí)，Chla去除率基本不變， TP去除率上升趨勢(shì)開始趨于平緩。因此選擇PAC濃度20 mg/L作為與CPAM的復(fù)配結(jié)點(diǎn)，探索PAC與CPAM復(fù)配對(duì)同時(shí)除磷、除藻的效果。選擇PAC復(fù)配的實(shí)驗(yàn)濃度為5、10、20 mg/L。

2.3 CPAM濃度優(yōu)選

圖4為不同濃度CPAM對(duì)TP和Chla的去除效果。CPAM濃度由3 mg/L增加到8 mg/L時(shí)，Chla去除率急劇升高。CPAM加入濃度為3 mg/L和7 mg/L時(shí)，Chla去除率分別為63.52%和88.02%。另外，由圖4可知，CPAM投加量由3 mg/L增加到8 mg/L時(shí)對(duì)TP去除率在60%～70%之間。

CPAM主要作為助凝劑輔助PAC除藻，降低PAC加入濃度，從而降低PAC產(chǎn)生的絮體量。所以主要考慮CPAM對(duì)藻的絮凝效果即可。20 mg/L PAC對(duì)Chla的去除率已經(jīng)高于90%，不需要太高的濃度的CPAM，所以選擇3、5、7 mg/L CPAM與PAC進(jìn)行復(fù)配。

2.4 PAC與CPAM復(fù)配

2.4.1 復(fù)配對(duì)TP的去除效果

圖5中各柱狀圖分別對(duì)應(yīng)PAC濃度5、10、20 mg/L復(fù)配不同濃度CPAM時(shí)，復(fù)配藥劑對(duì)TP的去除效果。可以看出，PAC濃度相同時(shí)，改變CPAM投加量，TP的去除率基本相同。而復(fù)配相同濃度的CPAM時(shí)，增加PAC投加量，TP去除率明顯增加。PAC濃度為20 mg/L，CPAM濃度分別為3、5、7 mg/L時(shí)，TP去除率均在96%以上，最高平均去除率為96.95%，TP由最初的0.75 mg/L最低降到0.02 mg/L，達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。單就TP去除率而言，PAC復(fù)配加入量為20 mg/L時(shí)為最優(yōu)，CPAM三個(gè)加入量區(qū)別不大。

綜合比較，單獨(dú)使用PAC作為絮凝劑，PAC濃度為20 mg/L時(shí)，TP的去除率為67.5 %，PAC濃度增加為21 mg/L，TP的去除率增加至83.83%，與5 mg/L PAC復(fù)配藥劑對(duì)TP的去除效果相當(dāng)，其去除效果遠(yuǎn)小于20 mg/L PAC復(fù)配藥劑，可見復(fù)配藥劑綜合除磷效果明顯優(yōu)于單獨(dú)PAC絮凝。

圖6從左至右分別為1號(hào)加入20 mg/L PAC和3 mg/L CPAM;2號(hào)加入20 mg/L PAC;3號(hào)加入10 mg/L PAC;4號(hào)加入5 mg/L PAC;5號(hào)加入3 mg/L CPAM。1號(hào)絮體量與2號(hào)相當(dāng);3號(hào)和4號(hào)不但產(chǎn)生的絮體量比1號(hào)高，而且沒有1號(hào)對(duì)TP去除效果好;1號(hào)上清液濁度遠(yuǎn)小于2號(hào)至5號(hào)上清液，絮體沉降效果好。

綜上所述，PAC與CPAM復(fù)配比單獨(dú)使用PAC、CPAM除磷效果好;復(fù)配明顯降低了PAC的加入量，減少了絮體量。同時(shí)考慮除磷效果及CPAM用量帶來的成本因素，選擇最優(yōu)復(fù)配濃度為，PAC 20 mg/L，CPAM 3 mg/L。

2.4.2 復(fù)配對(duì)Chla的去除效果

圖7為不同PAC和CPAM復(fù)配比對(duì)Chla的去除效果?？梢钥闯?，PAC與CPAM復(fù)配對(duì)Chla去除效果顯著。當(dāng)PAC濃度為10、20 mg/L時(shí)6種復(fù)配方式中Chla去除率均在99.4%以上。由圖3、圖4可知，單獨(dú)加入PAC（20 mg/L）或當(dāng)單獨(dú)加入CPAM（7 mg/L）時(shí)Chla去除率分別為95.7%、88.02%，均沒有復(fù)配效果好。說明CPAM與PAC復(fù)配可以有效提高Chla去除率。

綜上所述，PAC與CPAM復(fù)配可以有效提高對(duì)Chla的去除效果。PAC濃度在10 mg/L時(shí)，CPAM三個(gè)濃度對(duì)Chla去除率基本相同。因此，綜合考慮，確定最優(yōu)復(fù)配比為：PAC 10 mg/L、CPAM 3 mg/L。

綜合考慮除磷、除藻效果及經(jīng)濟(jì)因素，最終確定高鹽再生水體除磷、除藻選擇復(fù)配藥劑“PAC+CPAM”作為絮凝劑，其最優(yōu)復(fù)配比為PAC 20 mg/L、CPAM 3 mg/L。

3 結(jié)論

（1）單寧酸、高鐵酸鉀、CPAM、CTS、PAC、PAM、氯化鐵、PAFC、AS、PFS、某公司除藻劑等11中絮凝劑中，PAC同時(shí)除磷、除藻效果最佳。

（2）上述11中絮凝劑中，CPAM對(duì)藻的絮凝效果突出，且產(chǎn)生的絮體量少。

（3）PAC與CPAM復(fù)配比單獨(dú)使用相應(yīng)絮凝劑效果更佳，最優(yōu)復(fù)配方式為PAC 20 mg/L、CPAM 3 mg/L。

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