攪拌條件對(duì)混凝去除清淤尾水污染物的影響研究

鄭慈航，童啟邦，陳茂蓮，陳亞萍，郭 勇

(四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 四川 成都 610065)

近年來(lái)，隨著黑臭水體治理工作的逐步開(kāi)展，清淤疏浚通過(guò)清理黑臭水體的底泥污染物，能快速降低水體的內(nèi)源污染負(fù)荷，被廣泛應(yīng)用于黑臭水體內(nèi)源污染治理。但是，在清淤疏浚過(guò)程中，產(chǎn)生的大量清淤尾水從堆場(chǎng)溢流排放，尾水中的污染物附著在膠體的懸浮物上，隨著尾水排入水體，造成水體的二次污染[1]。由于這些懸浮物和膠體粒徑很小，很難在短時(shí)間內(nèi)依靠重力自然沉降去除。此外，在實(shí)際清淤工程中，會(huì)產(chǎn)生大量的清淤尾水，由于受到堆場(chǎng)空間的限制，清淤尾水很難得到及時(shí)處理，極大的限制了河道清淤的發(fā)展。化學(xué)混凝法由于具有操作簡(jiǎn)單，絮體沉降速度較快的特點(diǎn)，較多的運(yùn)用在各行業(yè)的廢水處理中。在采用化學(xué)混凝法處理清淤尾水的過(guò)程中，不同的攪拌條件會(huì)對(duì)化學(xué)混凝的各個(gè)階段產(chǎn)生不同的影響，進(jìn)而影響化學(xué)混凝對(duì)污染物的去除效果[2]。

采用化學(xué)混凝法處理清淤尾水的試驗(yàn)中，分別對(duì)快速攪拌轉(zhuǎn)速、快速攪拌時(shí)間、低速攪拌轉(zhuǎn)速和低速攪拌時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析測(cè)量進(jìn)出水的COD、TP和濁度，探究不同攪拌條件對(duì)清淤尾水污染物去除效果的影響，以期為清淤尾水的工程處理提供一定的理論指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水為清淤尾水，經(jīng)測(cè)量其水質(zhì)指標(biāo)為COD為250 ～350mg/L，TP濃度為1.0 ～2.0mg/L，濁度為70NTU～340NTU。

1.2 主要試劑和儀器

試劑：聚合氯化鋁(PAC，Al2O3含量30%，工業(yè)級(jí))、聚丙烯酰胺(PAM，分子量600萬(wàn)，工業(yè)級(jí))，連華COD專用試劑(LH-D-500、LH-E-500)，連華總磷試劑(LH-P1、P2100)。

儀器：連華多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀5B-3B型(V8版)，蘭州連華環(huán)?？萍加邢薰荆粩嚢铏C(jī)S212型，無(wú)錫申科儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)及測(cè)試方法

試驗(yàn)方法：取500mL清淤尾水于1L燒杯中，想其中加入30mg/L的PAC，快速攪拌若干分鐘后，再加入助凝劑PAM，低速攪拌若干分鐘后，靜止15min，測(cè)量上清液的COD、TP和濁度，對(duì)比原水水質(zhì)，探究攪拌條件對(duì)污染物去除效果的影響。

測(cè)試方法：COD、TP和濁度的測(cè)量均采用連華多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀5B-3B型。

2 結(jié)果與討論

2.1 快速攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)絮凝效果的影響

取500mL配水于1L的燒杯中，加入30mg/L的PAC，快速攪拌3min，攪拌轉(zhuǎn)速分別為(150,200,250r/min和300r/min)，然后加入3mg/L的PAM，進(jìn)行3min低速攪拌(60r/min)，攪拌完成后靜置15min，測(cè)量上清液的COD、TP和濁度?？鞌囯A段攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)COD、TP和濁度的影如圖1所示。

由圖1可知，隨快速攪拌階段轉(zhuǎn)速的升高，對(duì)清淤尾水COD、TP以及濁度的去除率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因在于：當(dāng)絮凝劑PAC加入尾水中后，PAC能迅速發(fā)生水解反應(yīng)，產(chǎn)生的帶正電的水解產(chǎn)物(如：Al3+、Al(OH)2+、Al13O4(OH)247+等)能通過(guò)壓縮膠體和懸浮物的雙電層(電中和作用)和吸附架橋作用與膠體和懸浮物結(jié)合，進(jìn)而去除尾水中的污染物[3]。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，PAC不能與尾水中的膠體和懸浮物充分混勻，導(dǎo)致PAC不能充分發(fā)揮其壓縮雙電層與吸附架橋的作用，甚至在局部因PAC水解產(chǎn)物過(guò)多而出現(xiàn)再穩(wěn)現(xiàn)象；當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，能夠觀察到已經(jīng)生成的絮體在高速攪拌剪切力的作用下被打碎，削弱了絮凝劑處理污染物的效果。圖1快速攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)濁度去除率的影響也能看出，攪拌轉(zhuǎn)速過(guò)快后，尾水的濁度有一定的回升，降低了絮凝劑PAC的效果。因此，由圖1可以看出，快速攪拌階段轉(zhuǎn)速為200r/min時(shí)，對(duì)尾水中COD、TP和濁度的去除效果最好，去除率分別達(dá)到：87.53%、91.36%和94.4%。

圖1 快速攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)污染物去除效果的影響

2.2 快速攪拌時(shí)間對(duì)絮凝效果的影響

取500mL配水于1L的燒杯中，加入30mg/L的PAC，200r/min的轉(zhuǎn)速下分別快速攪拌1,2,3,4min和5min。其次，加入3mg/L的PAM，緩慢攪拌3min(60r/min)。最后靜置15min，測(cè)量COD、TP和濁度。快速攪拌時(shí)間對(duì)COD、TP和濁度的影響如圖2所示。

圖2 快速攪拌時(shí)間對(duì)污染物去除效果的影響

由圖2可知，隨著快速攪拌時(shí)間的增加，尾水中COD、TP和濁度的去除率呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)攪拌時(shí)間超過(guò)3min后，尾水中COD、TP和濁度有所升高。這是因?yàn)椋涸跀嚢柁D(zhuǎn)速一定的情況下，適合的攪拌時(shí)間可使絮凝劑在尾水中充分混勻，增加絮凝劑與尾水中污染物的碰撞幾率，進(jìn)而加強(qiáng)絮體的生成；而長(zhǎng)時(shí)間的劇烈攪拌不利于絮體的形成和生長(zhǎng)[4]，使得微絮體在剪切力的作用下遭到破壞，從而降低了絮凝效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，當(dāng)攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，尾水的濁度因絮體被打碎而升高。因此，確定絮凝試驗(yàn)快速攪拌的時(shí)間為3min。

2.3 低速攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)絮凝效果的影響

取500mL配水于1L燒杯中，加入30mg/LPAC，在200r/min轉(zhuǎn)速下攪拌3min。然后加入3mg/L的PAM，低速攪拌3min，攪拌轉(zhuǎn)速分別為(40,60,80r/min和100r/min)。最后，靜置15min，測(cè)量COD、TP和濁度。絮凝階段，低速攪拌對(duì)COD、TP和濁度的影響如圖3所示。

圖3 低速攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)污染物去除效果的影響

如圖3所示，隨著低速攪拌階段轉(zhuǎn)速增加，COD、TP和濁度去除率均先升高后降低。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于：助凝劑PAM是一種線性高分子，由于其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易卷曲成為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)快時(shí)，一方面PAM水解產(chǎn)物結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，已被快速攪拌破壞[5]；另一方面，PAM的加入生成體積大而疏松的絮體，在快速攪拌的剪切力下極易被破壞，使污染物再次進(jìn)入尾水，從而降低了尾水污染物的去除率；而當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，不能保證尾水中顆粒均勻懸浮，且助凝劑不能在水中混合均勻，導(dǎo)致絮凝效果不好[6]。圖3中濁度的變化趨勢(shì)可以很直觀的反映出低速攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)尾水污染物的去除效果，可以看出，當(dāng)?shù)退贁嚢柁D(zhuǎn)速為60r/min時(shí)，對(duì)COD、TP和濁度的去除效果最好。因此，將60r/min作為低速攪拌階段的最佳轉(zhuǎn)速。

2.4 低速攪拌時(shí)間對(duì)絮凝效果的影響

取500mL配水于1L燒杯中，加入30mg/LPAC，快速攪拌(攪拌轉(zhuǎn)速200r/min)3min。然后加入3mg/L的PAM，分別低速攪拌(60r/min)1,2,3,4min和5min。經(jīng)過(guò)15min的靜置，測(cè)量COD、TP和濁度。低速攪拌時(shí)間對(duì)COD、TP和濁度的影響見(jiàn)4。

通過(guò)圖4可知，COD、TP和濁度的去除率隨攪拌時(shí)間不斷增加呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)。這是因?yàn)椋寒?dāng)?shù)退贁嚢钑r(shí)間較短時(shí)，一方面助凝劑尚未完全水解，不能充分接觸尾水中的懸浮物與膠體，另一方面，絮體的增長(zhǎng)是一個(gè)較為緩慢的過(guò)程，只有生成足夠大的絮體時(shí)，其沉降速度才能加快[7]。因而，低速攪拌時(shí)間較短導(dǎo)致絮凝效果不佳。而低速攪拌攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，助凝劑已與膠體和懸浮物充分接觸，絮體也充分生長(zhǎng)，不會(huì)再進(jìn)一步增大，使污染物的去除效果趨于穩(wěn)定，而過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的攪拌也可能使絮體在剪切力作用下破損，降低絮凝效果，使?jié)岫热コ视兴陆?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)?shù)退贁嚢钑r(shí)間為3min時(shí)，COD、TP和濁度的去除率分別可達(dá)：87.53%、91.36%和94.4%。因此，3min選為低速攪拌的最佳攪拌時(shí)間。

圖4 快速攪拌時(shí)間對(duì)污染物去除效果的影響

3 結(jié)論

(1) 在快速攪拌階段，適宜的快速攪拌能使絮凝劑能充分的與膠體和懸浮物接觸，通過(guò)水解產(chǎn)物壓縮雙電層和吸附架橋的作用與膠體和懸浮物結(jié)合生成較大的絮體。在一定范圍內(nèi)增加快速攪拌轉(zhuǎn)速和時(shí)間，可提高對(duì)COD、TP和濁度的去除效果，而過(guò)高的攪拌轉(zhuǎn)速或過(guò)長(zhǎng)的攪拌時(shí)間易使絮體被破壞成小絮體，不易沉降，降低處理效果

(2)在低速攪拌階段，隨著PAM的加入，通過(guò)其網(wǎng)捕卷掃作用使快攪時(shí)形成的PAC絮體進(jìn)一步增大。這一階段需要適宜的低速攪拌轉(zhuǎn)速與時(shí)間，以使PAM充分發(fā)揮其網(wǎng)捕卷掃作用。較短的攪拌時(shí)間與較低的攪拌轉(zhuǎn)速會(huì)影響絮體的增長(zhǎng)，而過(guò)高的轉(zhuǎn)速或過(guò)長(zhǎng)的攪拌時(shí)間會(huì)使絮體被打碎，影響污染物的去除。

(3)當(dāng)快速攪拌階段轉(zhuǎn)速為200r/min、攪拌時(shí)間3min；低速攪拌階段轉(zhuǎn)速為60r/min、攪拌時(shí)間3min時(shí)，化學(xué)混凝法對(duì)清淤尾水中COD、TP和濁度有著較好的去除效果，去除率分別可達(dá)87.53%、91.36%和94.4%。