强化混凝技术处理南淝河污染水的效果

陈义飞,孙 琴,丁士明,姚 羽,陈开宁,孙庆业

(1.上海市政工程设计研究总院第六设计院,安徽 合肥 230001;2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098;3.河海大学环境学院,江苏 南京 210098;4.中国科学院南京地理与湖泊所湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京 210008;5.安徽大学资源与环境工程学院,安徽 合肥 230039)



强化混凝技术处理南淝河污染水的效果

陈义飞1,孙 琴2,3,丁士明3,姚 羽2,陈开宁4,孙庆业5

(1.上海市政工程设计研究总院第六设计院,安徽 合肥 230001;2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098;3.河海大学环境学院,江苏 南京 210098;4.中国科学院南京地理与湖泊所湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京 210008;5.安徽大学资源与环境工程学院,安徽 合肥 230039)

选用聚合氯化铁(PFC)、聚合硫酸铁(PFS)、聚合氯化铝(PAC)和聚合氯化铝铁(PAFC)作为混凝剂;选用阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)、阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)和非离子型聚丙烯酰胺(NPAM)作为助凝剂,通过室内试验对比研究强化混凝技术中多种混凝剂单用及其和助凝剂联用对南淝河污染水的除浊和去污效果,并用于南淝河现场构建的混凝沉淀系统。结果表明,4种混凝剂单用时,PAFC对浊度、TP去除效果最优,对CODMn有良好的去除效果,且不影响原水的pH值,而PFC和PFS单用时可明显降低原水pH值,4种混凝剂单用时对TN均没有明显去除效果;PAFC与CPAM联用时对浊度的去除效果最佳,明显优于PAFC与APAM和NPAM联用和PAFC单用的效果;混凝剂与CPAM联用提高了其除浊和去除TP的能力,但不能明显改善其去除CODMn的效果,对原水pH和TN的影响与单用时相同。选取“PAFC+CPAM”作为南淝河示范工程的混凝剂和助凝剂,现场混凝沉淀出水水质稳定,浊度和TP的去除效果较好,去除率分别达到90%和80%,对CODMn的去除率约为52%,而对TN的去除效果有限,去除率约为22.4%。

强化混凝技术;混凝剂;助凝剂;污染水

强化混凝是使用新型高分子无机混凝剂或常规混凝剂与高分子絮凝剂联用,通过增加混凝剂的投加量、改变混凝剂的形态匹配或调整水体pH值等,利用物理化学作用和吸附沉淀作用以达到强化混凝效果,提高出水水质的目的[1]。该技术在国外已被大规模地运用于城市污染河水的处理,国内的研究与应用处于起始阶段[2]。

表1 混凝剂的物化指标

Metes等[3]认为,从经济和技术上来讲,强化混凝技术是一项简单而有效的水处理技术,能有效去除水中溶解性有机物、胶体杂质等。方建章等[4]进行了混凝法强化城市污水处理的生产性试验。污水经处理后出水指标符合GB8979—1996 及DB4437-90广州市污水排放一级标准。总体而言,强化混凝处理工艺适合我国国情,是处理污染水源水的主要技术方案和重要发展方向之一[5]。

南淝河位于安徽省合肥市西郊,发源于肥西县境内的将军岭,经董铺水库进入合肥市区,向东南流入巢湖。全长70 km,流域面积1 464 m2,由西向东南穿越合肥城,是合肥市主要受纳水体[6]。南淝河水体已受到严重污染,生态系统恶化,其排污量占到巢湖总污水量的80%以上,水体在夏天呈现“黑臭”现象,其治理已被列入巢湖水环境治理的重中之重[7]。本文针对强化混凝技术处理南淝河污染水的效果进行研究,采用室内试验对比研究了强化混凝技术中不同混凝剂单用及其与助凝剂联用时对南淝河污染水的除浊和去污效果,并在现场构建的混凝沉淀系统进行测试,为巢湖水环境治理提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

主要仪器: 多水质参数仪(U5000,日本堀场集团(HORIBA)生产)、六联同步电动搅拌机(JJ-4,金坛市开发区吉特实验仪器厂生产)、数显恒温水浴锅(HH-6,国华电器有限公司生产)、精密电子天平(PW124,英国艾德姆(ADAM)生产)。

混凝剂:选取目前水处理中运用较为广泛的4种混凝剂:聚合氯化铝(PAC,巩义富源净水材料有限公司生产)、聚合氯化铁(PFC,合肥皖发净水材料有限公司生产)、聚合硫酸铁(PFS,巩义永兴化工有限公司生产)和聚合氯化铝铁(PAFC,巩义富源净水材料有限公司生产),其主要的物化指标见表1。在使用时,将混凝剂配制成质量分数为1%的溶液进行投加。

助凝剂: 选取阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)、阴离子聚丙烯酰胺(APAM)和非离子型聚丙烯酰胺(NPAM)作为助凝剂与上述混凝剂联用,其主要物化指标见表2。

表2 助凝剂的物化指标

水样采集: 为了减少人为影响及外界对试验效果的干扰,并能更好地与现场实际情况相符,试验水样全部于2013年7月19日现场取自南淝河,采样点坐标为(N：31.69259,E：117.410443)。采集水样置于25L聚乙烯桶中带回实验室低温冷藏供试验分析,主要水质指标见表3所示。根据GB3838—2002《地表水环境质量标准》,南淝河河水属于劣Ⅵ类水。

表3 南淝河原水水质指标

1.2 试验方法

采用室内混凝烧杯试验。将现场取回水样摇匀,分别取500 mL水样装入一组6个洗净的1 000 mL烧杯中,将烧杯置于六联同步电动搅拌机上,以300 min/r快速搅拌1 min,然后分别单独加入设定好的混凝剂或不同配比的混凝剂和助凝剂,慢速(100 min/r)搅拌10 min,静置沉淀30 min,并在混凝沉淀过程中观察矾花的形成。沉淀后,用注射器取液面2cm下水体测定混凝后的水质指标,包括浊度、pH、TP、TN和CODMn,其中浊度采用分光光度法、pH值用pH计测定、TP和TN采用过硫酸钾消解法[8]、CODMn采用酸性法[9]。

1.3 野外现场应用

南淝河旁路多级人工湿地系统的总布置如图1。通过与南淝河相连的涵洞将南淝河水输入到多类型湿地区的沉砂池部分(图1),然后通过泵站将水调入位于其南侧的混凝沉淀系统,其中的一部分水依次进入氧化塘、潜流湿地系统,再进入林外沟渠表面流湿地系统的漂浮植被部分;另一部分依次进入生态沟渠、林外沟渠表面流湿地系统的沉水植被部分。两部分水流在林外沟渠表面流湿地系统的漂浮植被部分汇合。整个工程最大设计抽调水流量6.7万m3/d,其中通过混凝沉淀系统处理的流量为1万m3/d,其他流量经位于混凝沉淀系统西侧的生态沟渠直接进入林外沟渠的沉水植被部分。

图1 南淝河旁路多级人工湿地系统的总布置

强化混凝系统的平面布置图如图2,该系统主要分成3个区域,混合区、絮凝区和沉淀区。通过水泵(400 m3/h)将南淝河河水抽到混凝池中与混凝剂PAFC充分混合反应,停留时间8 min;然后进入絮凝池与助凝剂CPAM混合反应,停留时间10 min;混合的水进过导流渠进入预沉区和沉淀区,沉淀段入口流速取35 m/h,斜管上升流速取18 m/h;淤泥沉淀之后的水通过主集水槽排入下级处理系统,污泥通过污泥阀排入集泥槽,然后通过污泥泵将其抽到压滤系统经行压滤。

图2 混凝沉淀系统布置

通过室内试验,确定最优混凝剂与助凝剂的种类及其配比。然后将其运用到野外工程现场,对混凝沉淀系统进行现场调试,以1周为时间间隔定期对混凝沉淀出水水质进行为期3个月的连续监测,主要检测指标为出水水质浊度、TP、TN和CODMn。

1.4 数据分析与处理

运用Excel 2003进行数据处理,Origin 8软件绘制图表。

2 结果与讨论

2.1 不同混凝剂对南淝河河水浊度的去除效果及助凝剂的确定

图3 不同混凝剂单用的除浊效果

a.混凝剂的投加浓度。无机高分子混凝剂的混凝机理是通过水解生成的多核络合物,在悬浮粒子表面进行电中和与吸附,减少粒子间的静电斥力,使粒子能吸附凝聚,以达到去除悬浮胶体粒子的目的[10]。由于颗粒物的去除是絮凝过程的主要目标,而浊度能很好地反映颗粒物的去除情况,本文选择浊度作为主要参考指标表征不同混凝剂单用及其和助凝剂联用对南淝河水的去除能力。由图3可见,4种混凝剂单用的质量浓度在0～40 mg/L时,均能达到显著除浊效果,余浊浓度快速下降,当质量浓度超过60 mg/L后，余浊浓度变化趋于平缓,其除浊效果是PAFC>PFC>PFS>PAC,但随着投加混凝剂质量浓度的增加,4种混凝剂对浊度去除率的差异不断缩小。当投加质量浓度为20 mg/L时,PAFC、PFC、PFS和PAC对浊度的去除率分别为80%、65%、57%和48%;当投加质量浓度为60 mg/L时,对浊度的去除率分别为91%、74%、75%和70.3%,结果表明,4种混凝剂中PAFC的除浊效果优于其他3种混凝剂。其原因可能是PAFC水解为不溶解的Fe(OH)3胶体和Al(OH)3,而Al(OH)3和Fe(OH)3的密度大、沉降快有利于悬浮颗粒物的去除[11]。

b.助凝剂的选用。有机高分子助凝剂具有用量少、混凝速度快、受pH及温度影响小的优点,但是价格昂贵。将无机高分子混凝剂与有机高分子助凝剂结合起来,利用无机高分子混凝剂的高正电荷密度和有机高分子混凝剂的桥连作用,所产生的协同作用能够提高混凝处理能力[12]。将PAFC与质量浓度为1 mg/L的CPAM、APAM和NPAM助凝剂分别联用,对南淝河水进行混凝沉淀处理。由图4可见,PAFC与CPAM联用去除水中的悬浮颗粒物的效果明显优于其单用和其他两种组合的效果,PAFC单用和其他两种组合去除水中悬浮颗粒效果差别不大。PAFC和CPAM联用时,PAFC质量浓度在10 mg/L时，去浊率达到91%,比PAFC单用时的去浊率提高了27%,随着质量浓度的增加,出水余浊基本不变,而其他3组浊度的最大去除率仅为70%左右。故PAFC与CPAM联用能明显提高河水悬浮颗粒物的去除率,同时也可减少PAFC的用量。

图4 PAFC单用与不同PAM联用的除浊效果

混凝过程中,“PAFC+CPAM”组合形成的矾花大而密实、沉降性好,而PAFC单用时形成的矾花碎而松散,不易沉降;“PAFC+APAM”和“PAFC+NPAM”两种组合形成的矾花大而松散,不易沉降。这可能与CPAM具备电中和和絮凝化两种功能有关,同时CPAM还能与水中带负电荷的溶解物反应生成不溶解性的盐,对形成大矾花有利[13]。结果表明,CPAM作为助凝剂的效果要优于其他两种,与唐晓静[14]的研究结果类似。

由图5可见,4种混凝剂与CPAM(ρ=1 mg/L)联用后,4种混凝沉淀出水的浊度变化趋势基本一致。当混凝剂的质量浓度在0～20 mg/L时余浊成直线下降,当质量浓度大于20 mg/L后余浊的变化趋于平缓,均达到3以下。PAFC,PFC,PAC和PFS与CPAM联用的除浊效果均得到提高,这可能与CPAM带正电荷有关,加强各种混凝剂的混凝效果。

图5 4种混凝剂与CPAM联用对南淝河河水的除浊效果

2.2 不同混凝剂对pH值的影响

4种混凝剂单用对南淝河河水pH值的影响如图6(a)所示,PAC和PAFC对混凝沉淀出水的pH值基本没有影响,而PFS和PFC随着投加的质量浓度增加导致沉淀出水的pH值明显降低,当两种铁盐的质量浓度为50 mg/L,混凝出水呈现弱酸性(pH<7),其中PFC对混凝沉淀出水pH值的影响明显大于PFS。4种混凝剂与CPAM(ρ=1mg/L)联用后,混凝沉淀出水pH值的变化与各混凝剂单用的效果基本一致(图6(b))。铝系和铁系混凝剂结果的差异可能与不同混凝剂在水体中的水解产物有关,当水体pH值接近中性时,铝盐的水解产物主要以[Al(OH)3]的形式存在,[Al(OH)3]是两性物质对水体pH值有较好的缓冲性,而铁盐在水体中的水解产物主要以[Fe(OH)3]胶体的形式存在,水解后产生大量的H+,从而导致水体的pH值下降[15]。

2.3 不同混凝剂对南淝河河水TP的去除效果

图6 4种混凝剂对南淝河河水pH值的影响

图7 4种混凝剂单用及其与CPAM联用对南淝河河水TP的去除效果

由图7(a)可见,4种混凝剂的单独添加均显著降低原水TP质量浓度,具有明显的除磷作用,质量浓度在0～80 mg/L时,PAFC除磷效果最优,PAC和PFC效果次之,PFS除磷效果最差,但当质量浓度超过80 mg/L时,4种混凝剂对TP的去除率没有显著差别。当PAFC、PFC、PAC和PFS质量浓度分别为20 mg/L、60 mg/L、60 mg/L和100 mg/L时,其出水的TP质量浓度分别为0.18 mg/L、0.19 mg/L、0.18 mg/L和0.18 mg/L,可以使混凝出水达到GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准,对TP的去除率分别为71.7 %、68.8 %、70.6 %和69.9 %。4种混凝剂的除磷机理主要是铁和铝与磷酸根生成难溶的磷酸盐沉淀去除[16]。

与混凝剂单用相比,ρ=1 mg/L 的CPAM与PAC、PFC和PFS的联用能增强各自的除磷效果,但与PAFC的联用不能提高其除磷效果(图7(b))。为满足混凝出水TP达到GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准,PAC、PFC和PFS的质量浓度分别为60 mg/L、60 mg/L和100 mg/L,而与ρ=1 mg/L的CPAM联用后的质量浓度分别降至40 mg/L、40 mg/L和60 mg/L。可见,结合少量CPAM使用能降低PAC、PFC和PFS 3种混凝剂的质量浓度,减小药剂给原水带来的副作用,同时也节省成本,具有一定的环境效益与经济效益。此外,试验过程中观察4种混凝剂单用时,生成的絮体比较小、松散、易碎,随药剂质量浓度的增加,絮体矾花大小及疏密均无明显变化,且不易沉降。而投加CPAM后,形成的絮体巩花大而密实,并且絮体在微扰动中不会上浮飘移。主要是因为4种混凝剂均为无机高分子化合物,在水中发生水解聚合作用,生成具有高电荷的聚合羟基,具有多种形态,这些多核羟基络合物具有较强的电中和悬浮颗粒所带负电荷的能力,促进其凝聚。但它的架桥功能较弱,形成的絮体蓬松、沉降速度慢。CPAM具有非离子型的胺基,是一种水溶性高分子化合物,能广泛分布水中,将松散的絮体进行吸附桥联,能形成更大的絮体,提高了混凝沉淀效果,增强了对磷的网捕卷扫作用。因此,增投CPAM作为助凝剂可以提高聚铁与聚铝的除磷效果[17]。

2.4 不同混凝剂对南淝河河水TN的去除效果

由图8(a)可见,4种混凝剂单用对TN的去除效果不明显。PFS基本没有去除效果,而其他3种对河水TN的去除效果相当有限,其中PAFC对TN的去除效果要略好于PAC和PFC。当质量浓度在0～40 mg/L时,混凝沉淀出水TN质量浓度有所下降;当质量浓度大于40 mg/L时,出水TN质量浓度基本不变。相对去除效果最好的PAFC而言,对TN的最大去除率仅在10%。

4种混凝剂与ρ=1 mg/L的CPAM联用对南淝河河水出水TN去除效果如图8(b)。与4种混凝剂单用相比,质量浓度ρ=1 mg/L的 CPAM的辅助添加没有提高各自的除TN效果。4种混凝剂单用或联用对TN去除效果不佳,可能与N的化学性质以及其在水体中的存在形式有关,在水体中主要以溶解态的形式存在,很少被悬浮颗粒物所吸附,但混凝剂主要通过去除水中悬浮物而相应的去除水体中的污染物质。

图8 4种混凝剂对南淝河河水TN的去除效果

图10 混凝系统进出水水质变化

2.5 不同混凝剂对南淝河水CODMn的去除效果

图9 4种混凝剂对南淝河河水CODMn的去除效果

由图9(A)所示,4种混凝剂单用对水体CODMn具有较为明显的去除效果,并随质量浓度的增加而增加,其效果排序为:PFC,PFS,PAC,PAFC。投加的质量浓度为0～120 mg/L时,4种混凝剂对CODMn的最大去除率分别为40%、38%、34%和25.6%。由此可见,使用PFC和PFS去除南淝河CODMn的效果好于PAC和PAFC。导致这种结果的原因可能与强化混凝去除有机物的机理有关,其机理主要有胶体天然有机物的电中和作用,腐殖酸和富里酸聚合体的沉淀作用,以及吸附于氢氧化物表面上的共沉淀作用[18];在较高的质量浓度投放下,由于铁盐水解产物所带正电荷密度升高及水中有机物的质子化程度升高的影响要高于铝盐水解产物表面积对有机物去除的影响,因而铁盐的混凝效果要好于铝盐[19]。

由图9(B)可见,4种混凝剂与CPAM联用对南淝河河水CODMn的去除率与单用相比略有增加,CODMn的最大去除率分别为43.2%、38.5%、35.2%和27.2%。结果表明,CPAM助凝剂的添加不能明显改善4种混凝剂对CODMn的去除效果。

2.6 强化混凝技术处理南淝河水体的现场效果

试验结果表明,混凝剂PAFC对浊度和TP的去除效果最佳,对南淝河原水的pH影响最小,可避免大量使用PAC产出的Al3+毒风险和过多使用PFC或PFS对金属设备的腐蚀,故选取PAFC作为野外现场的混凝剂。又因为PAFC和CPAM联用去除浊度的效果最好,且能减少PAFC的用量,所以选择CPAM为配合添加的助凝剂。最终确定“PAFC+CPAM”联用作为现场应用的药剂配方,PAFC的质量浓度为40 mg/L时,CPAM质量浓度为1 mg/L。从9月中旬到12月初连续3个月对混凝沉淀出水的水质进行动态取样监测。由图9可见,南淝河河水不同时间进水的水质变化大,浊度、TP、TN和CODMn4种指标在9月和10月明显低于11月和12月。混凝沉淀系统出水的浊度与进水相比明显降低,去除率达到90%以上,浊度稳定在1NTU以下(图10 (a))。与进水相比,出水的TP质量浓度也有了极明显的降低,去除率基本达到80%(图10(b))。进出水口的TN质量浓度相差不大,去除率在22.4%左右(图10(c)),结果表明,强化混凝系统对南淝河河水TN的去除效果欠佳。由图10(d)可知,现场系统对南淝河河水CODMn的去除率在52%左右,去除效果好于室内试验。这可能与现场系统中活性污泥回流有关,回流污泥中的微生物对水体中的有机物进行了一定的分解。

3 结 论

研究了不同混凝剂单独除浊的效果,发现PAFC除浊效果最好。以混凝剂PAFC为代表,对比研究了PAFC单用及与3种不同类型的助凝剂联用对南淝河河水的混凝效果,并系统地研究了4种混凝剂(PAC、PFC、PFS和PAFC)单用及其与优选的助凝剂联用对南淝河河水悬浮物和主要污染指标的去除效果,并将该技术用于治理野外现场南淝河污染水。得到如下结论:

a.4种混凝剂单用时,PAFC对浊度、TP去除效果最优,对CODMn有良好的去除效果,且不影响原水中的pH值,而PFC和PFS单用明显降低原水的pH,4种混凝剂单用对TN均没有明显去除效果。PAFC与CPAM联用时对浊度的去除效果最佳,明显优于PAFC与APAM和NPAM联用和PAFC单用;混凝剂与CPAM联用提高了其除浊和去除TP的能力,但不能明显改善其去除CODMn的效果,对原水pH和TN的影响与单用时相同。

b.现场混凝沉淀系统对南淝河河水中浊度和TP的去除效果最好,其次是CODMn,对TN的去除效果有限。出水浊度基本稳定在1NTU以下,去除率达到90%;出水的TP质量浓度基本稳定在0.05 mg/L以下,去除率达到80%;出水的CODMn去除率在52%左右,而TN的去除率在22.4%左右。

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Effect of enhanced coagulation technology for treatment of polluted water from Nanfei River

CHEN Yifei1, SUN Qin2，3, DING Shiming3, YAO Yu2, CHEN Kaining4, SUN Qingye5

(1.TheSixthDesignInstituteofShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute,Hefei230001,China;2.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourceDevelopmentonShallowLakes,MinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.SchoolofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;4.StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China;5.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,AnhuiUniversity,Hefei230039,China)

A series of indoor experiments were conducted to investigate the effects of different coagulants used single or combined with coagulant aids on removal of turbidity and decontamination of polluted water from Nanfei River, which will be further applied in coagulation and precipitation system of on-site construction for this river.Polymeric ferric chloride (PFC), polymeric ferric sulfate (PFS), polyaluminum chloride (PAC) and polyaluminum ferric chloride (PAFC) were selected as coagulants, and cationic polyacrylamide (CPAM), anionic polyacrylamide (APAM) and non-ionic polyacrylamide (NPAM) as coagulant aids.The results showed that four coagulants used only PAFC had high removal effect on turbidity, TP and CODMn, and did not affected the pH value of raw water, while the PFC and PFS which were used alone obviously reduced the pH value of raw water, Four coagulants which were used alone had little effect on removal of TN in water; The combined use of PAFC and CPAM has the best effect on turbidity, comparing to the effect of single use of PAFC, and their combined use with APAM; The combined uses of coagulants and CPAM enhanced the removal effect of turbidity and TP, but had few effects on the removal of CODMn,and their effects on the pH value of raw water and TN values were similar to their single use.PAFC+CPAM was selected as coagulant and coagulant aid for demonstrative project site of Nanfei River.their combined use achieved a stable treatment, and the turbidity and TP removal effect is good, the removal effect of turbidity and TP was 90% and 80% respectively; the removal rate of CODMnwas about 52%; while the removal effect of TN was limited, the removal rate was only about 22.4%.

enhanced coagulation technology (ETC);coagulant;coagulant aid;polluted water

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.04.019

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07103-002)

陈义飞(1988—),男,硕士,主要从事水资源保护与污染控制工程研究。E-mail:cyfcyy1988@163.com

丁士明,研究员。E-mail: smding@niglas.ac.cn

X703.1

A

1004-6933(2015)04-0103-08

2014-03-11 编辑：高渭文)