超声－絮凝沉降法处理富营养化污水
2012-01-25马林转崔琼芳
马林转，崔琼芳，陈 迁
(云南民族大学民族药资源化学国家民委－教育部重点实验室，云南昆明650031)
由于人类活动的影响，使得水体中生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物过量繁殖，水体溶解氧量下降，水呈绿色、混浊或褐色，水体透明度下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡，整个水体生态平衡发生改变［1－3］．一般认为水体全氮量大于0.2 mg/L、全磷量大于0.02 mg/L时属于富营养化水体［4－6］．据监测，目前滇池的水质属于严重的富营养化污染水体，对周围居民的生活环境及饮用水安全造成了严重影响［7］．根据水体富营养化的形成机理，目前治理水体富营养化主要有物理［8－10］(换水、稀释、机械捞藻、清淤以防底泥释放磷等)、化学(凝聚沉降和用化学药剂杀藻)、生物(利用微生物降解)等方法［11］．文献中已有报道单独采用超声或絮凝沉降法处理富营养化水的研究，但是把先进的超声技术与传统的絮凝沉降法相结合的实验还没有报道．本实验采用超声技术结合絮凝沉降探讨对富营养化污水的处理效果．发现超声可以对絮凝沉降在水处理应用上提供一种非常特殊的物理化学环境，对絮凝沉降处理富营养化水有较强的增强作用，所得到的实验条件对富营养化水的处理效果较好．
1 实验部分
1．1 实验材料及主要仪器
实验用污水取自滇池草海;所用试剂氢氧化钠、钼酸铵、过硫酸钾、酒石酸锑钾、硝酸钾、磷酸二氢钾、邻菲啰啉、硫酸亚铁铵、硫酸汞、抗坏血酸、硫酸银、硫酸亚铁、三氯化铁等为化学纯，重铬酸钾为优级纯，实验用水为蒸馏水．
电子天平(FA1004N，上海民桥精密科学仪器有限公司)，分光光度计(7220，江苏南京宁博分析仪器有限公司)，紫外分光光度计(UV－2000，河南天驰仪器设备有限公司)，手提式压力蒸汽灭菌锅(XFS－280B，浙江新丰医疗器械有限公司)，搅拌器(JJ－4六联同步电动搅拌器，江苏环保仪器厂)，酸度计(pH－3，常州盛蓝仪器厂)，超声波清洗器(KQ3200DE，江苏昆山市超声仪器有限公司)．
1．2 富营养化污水分析及处理流程
滇池污水是具有代表性的富营养化污水，实验中所处理的富营养化污水取自滇池草海．经检测分析，滇池的水质参数如表1，污水处理流程见图1．
表1 滇池水质参数
1．3 实验方法
取水样后，立即对原水的各水质参数进行分析，絮凝剂质量浓度为10 g/L，通过试验确定絮凝的最佳条件．得到最佳絮凝条件后，先自然沉降30 min，再通过循环水式真空泵抽滤，得到絮凝处理后的水样，并测定各水质参数［6］，得到单独絮凝试验的处理效果．然后取原水样，在60 W功率下，超声处理2 min，将超声处理过的水样按照絮凝实验过程进行处理，测出处理后水样的水质参数，比较2种方法的处理效果．其中水质各参数的测定方法参照文献［12］．总磷的测定：钼酸铵分光光度法;总氮的测定：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法;CODcr的测定：重铬酸钾滴定法;水中溶解氧的测定：碘量法;浊度的测定利用GDS－3B光电式浊度计;絮凝效果通过吸光度来表示．
2 实验结果及讨论
2．1 絮凝剂的选择
絮凝剂的种类很多，合成的有机絮凝剂在天然水的絮凝过程中无法提供有机物的吸附位，只能产生电中和作用参与腐殖酸的沉淀，絮凝效果不理想［13］．相比之下，无机絮凝剂(如铝盐、铁盐等)既具有电性中和、形成难溶络合物，其氢氧化物又能提供强大的表面使有机物发生吸附等优势，去除效率较高．在去除天然有机物时，铁盐的絮凝效果比铝盐好，且铁盐比铝盐更为经济，因此本实验使用三氯化铁(FeCl3·6H2O)作为絮凝剂，质量浓度为10 g/L．
2．2 絮凝剂投剂量对絮凝效果的影响
絮凝剂投加量在实验过程中起着非常重要的作用，投加量不足，系统处于凝聚进展阶段，难以形成足够多的矾花，絮凝不充分，水中的杂质甚至保持原有的状态存在，导致去除率较低;投加量过多造成水中絮凝剂正电荷过多，同类杂质不吸附结合并且互相以分散状态存在，增加了处理费用和污泥处理难度，或胶体进入再次稳定阶段，形成胶体保护，也不利于对污染物的去除．合适的投剂量应该根据水源水质特点来确定．
当原水浊度为60，水温19℃，pH值为9.58时，加入三氯化铁溶液，使搅拌强度为600 r/min，絮凝时间2 min，考察絮凝过程中投剂量对絮凝效果的影响，并确定最佳投剂量，絮凝效果用吸光度来表示，吸光度越小，絮凝效果越好．实验数据如图2所示．从图2可以看出，不同投剂量下吸光度会有上下波动，当投加量＜2.5 mL时，吸光度先增大后减小;当投加量＞2.5 mL时，吸光度增加逐渐趋缓，吸光度最小处为0．007时，其投剂量为最佳投剂量，因此，最佳投剂量为2.5 mL．
2．3 搅拌强度对絮凝效果的影响
原水浊度、水温、pH值、絮凝剂、絮凝时间的实验条件同2.2，絮凝剂投剂量为2.5 mL，考察絮凝过程中搅拌强度对絮凝效果的影响．实验数据如图3所示．从图3可以看出，随着搅拌强度的增大，吸光度不断减小，当转速在600～700 r/min之间的吸光度最小，之后再提高转速，吸光度基本趋于稳定．这可能是由于在较低的搅拌速度下，絮凝药剂不能有效地与水中胶体颗粒发生剧烈混合，生成的絮体颗粒过小．随着搅拌强度的加大，絮凝作用明显，生成的絮体颗粒直径增大，有较好的处理效果．因此确定最佳搅拌强度约为600 r/min．
2．4 絮凝时间对絮凝效果的影响
原水浊度、水温、pH值、絮凝剂、投剂量、搅拌强度的实验条件同前，考察絮凝时间对絮凝效果的影响［11］，实验数据如图4所示．
从图4可以看出，絮凝时间对絮凝效果影响很大，絮凝时间为1 min时，吸光度为0.012，絮凝时间为3 min时，吸光度仅为0.007，絮凝效果最佳，再延长絮凝时间，吸光度反而增加．由此确定最佳絮凝时间为3 min．
2．5 pH值对絮凝效果的影响
水的pH值是影响絮凝效果的一个主要影响因素．对铁盐而言，适用于水的pH值范围稍宽．实验的原水浊度、水温、絮凝剂、投剂量、搅拌强度同前，絮凝时间为3 min，调节水样 pH值分别为6.32、7.34、9.58、10.60、11.54、12.00、12.40，考察不同 pH 值对絮凝效果的影响，得到实验数据如图5．
由图5可以看出，pH值约为7时水样吸光度最小，因此絮凝最佳pH值可确定为7．
2．6 超声－絮凝沉降处理水样的影响
采用在60 W功率下，超声处理2 min后再进行絮凝沉降，检测水质参数并与单独絮凝沉降比较，实验结果如表2所示．
表2 超声－絮凝沉降与单独絮凝沉降处理水样结果比较
滇池水的TN、TP、BOD、COD质量浓度已经很高，把超声和絮凝综合处理过的水样与单独絮凝处理的水样进行比较，由表2可以看出，经过絮凝处理后的水质5个参数都有很大的改变，但如果将超声和絮凝结合利用，则处理效率又都提高了10%以上，部分指标甚至提高了20%，说明超声与絮凝相结合对富营养化水的处理起到了很好的效果．
3 结论
1)选用10 g/L三氯化铁絮凝剂处理富营养化水时，其最佳投剂量2.5 mL;最佳搅拌时间600 r/min;最适絮凝时间2 min;最佳pH值为7．
2)超声－絮凝沉降法较直接絮凝沉降法在TP、TN、BOD、CODCr的去除和浊度等方面的效率分别提高了16.19%、12.71%、9.1%、20%、18.3%，说明超声－絮凝技术在处理富营养化水的应用上比直接絮凝法效果更好，为滇池富营养化水的处理提供了直接的依据．
致谢 本研究得到云南省高校科技创新团队支持计划和云南民族大学绿色化学与功能材料研究省创新团队支持计划(2011HC008)资助．
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