强化混凝技术对南淝河季节性污染物去除效果研究

王　丹,龚梦丹,陈义飞,丁士明,孙　琴

(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京　210008;



强化混凝技术对南淝河季节性污染物去除效果研究

王丹1,2,龚梦丹1,2,陈义飞3,丁士明1,孙琴4,5

(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京210008;

2.中国科学院大学,北京100049; 3.上海市政工程设计研究总院第六设计院,安徽 合肥230001;

4.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;

5.河海大学环境学院,江苏 南京210098)

1　材料与方法

1.1供试材料

混凝剂:本实验选取目前水处理中运用较为广泛的4种混凝剂,分别为:聚合氯化铝(poly aluminium chloride,PAC,巩义富源净水材料有限公司提供)、聚合氯化铁(poly ferric chloride,PFC,合肥皖发净水材料有限公司提供)、聚合硫酸铁(poly ferric sulfate,PFS,巩义永兴化工有限公司提供)和聚合氯化铝铁(poly aluminium ferrous chloride,PAFC,巩义富源净水材料有限公司提供)。其主要的理化指标见表1。

表1　混凝剂的理化性质

助凝剂:本实验选取目前水处理中运用较为广泛的3种有机助凝剂,分别为:阳离子聚丙烯酰胺(cationic polyacrylamide,CPAM,巩义富源净水材料有限公司提供)、阴离子聚丙烯酰胺(anionic polyacrylamide,APAM,巩义富源净水材料有限公司提供)和非离子型聚丙烯酰胺(nonionic polyacrylamide,NPAM,巩义启元化工有限公司提供)。其主要的理化指标见表2。

表2　助凝剂的理化性质

黏土矿物:天然富钙凹凸棒黏土(natural calcium-rich attapulgite,NCAP),取自江苏盱眙。样品材料经105℃烘干2 h粉碎,100目过筛备用。将粉末状凹凸棒分别加入2 mol/L NaCl溶液,2 mol/L MgCl2溶液,1mol/L NaCl和2 mol/L MgCl2混合溶液(固液比为1:20)、振荡4 h,然后将悬浊液过滤,收集残留物,烘干,于800℃条件下加热2h,所得材料分别以NCAP2,NCAP3,NCAP4表示,NCAP(仅800℃加热)作为对照[12]。沸石(100目,巩义市金丰净水材料有限公司提供)。

主要仪器:多水质参数仪(U5000,日本堀场集团)、六联同步电动搅拌机(JJ-4,金坛市开发区吉特实验仪器厂)、紫外-可见分光光度计(UV2550,日本岛津企业管理有限公司)、精密电子天平(PW124,英国艾德姆公司)、立式高压灭菌锅(上海博讯实业有限公司医疗设备厂)。

样品采集:为了减少人为影响,并能更好地与现场实际情况相符,本实验中用到的藻类和水样分别于2013年8月19日和12月28日取自南淝河,采样点的坐标为31.727 54°N,117.403 79°E。用浮游植物网收集南淝河的藻类,并装入500 mL洁净矿泉水瓶中带回,用25 L聚乙烯塑料桶采集水样,带回实验室低温冷藏供实验分析。

1.2实验方法

混凝除藻实验: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,每个烧杯中加入20 mL现场取回的充分混匀的藻浆,将烧杯置于六联同步电动搅拌机上,快速(300 r/min)搅拌1 min,取液面下2 cm水体测定混凝前水体中叶绿素的质量浓度。然后分别加入设定好的混凝剂和助凝剂,慢速(100 r/min)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,取液面下2 cm水体测定混凝后的水体中叶绿素的质量浓度。

1.3现场应用

强化混凝系统是南淝河旁路多级人工湿地净化系统的重要组成部分,主要作用是削减南淝河污染水体中的悬浮颗粒和大部分污染物质,为后续的湿地净化提供保障。

图1　强化混凝系统平面布置

整个强化混凝系统的平面布置见图1,该系统主要分成3个区域:混合区、絮凝区和沉淀区。将经过沉砂池预处理后的南淝河污染水体抽至混凝反应池与混凝剂充分混合;随后进入絮凝反应池,与助凝剂充分混合;混合后的水通过导流渠进入预沉区和沉淀区。沉淀区出水通过主集水槽输送至湿地系统进行下一步处理,一部分污泥进行污泥回流,大部分污泥通过污泥阀排入集泥槽,然后进行压滤脱水处理,最终的剩余污泥送入堆泥场,后续进行资源化利用。

1.4测定分析

表3　水质指标分析方法

1.5数据处理

运用Excel 2013进行数据处理,Origin 8.5进行图表绘制。

2　结果与讨论

2.1南淝河水质分析

表4　南淝河原水水质指标值

2.2强化混凝对藻类的去除效果

a. 混凝剂的选择及剂量。4种混凝剂单独使用时,对南淝河夏季水体中藻类的去除效果如图2所示。在初始阶段,藻类的去除率随着混凝剂剂量的增加呈上升趋势,其除藻效果依次为PAC>PFS>PAFC>PFC。当混凝剂的投加量为60 mg/L时,PAC、PFS、PAFC和PFC对藻的去除率分别为70%、66%、44%和33%。

当混凝剂投加剂量增加到100 mg/L,藻的去除率趋于平稳,PAC的除藻效果最好,基本维持在76%左右,PFC的除藻效果最差,基本维持在51%左右。随着混凝剂剂量的增加,优势藻直链藻几乎全部被去除,而除藻率难以进一步提高,可能因为直径较小,比表面积较大,表面所带的负电荷量比较大的小球藻比较难去除[3]。

当投加量进一步增大,PAC和PFC对藻的去除率略有下降,这可能是因为藻细胞吸附过多的反离子,导致其表面原有的负电荷变为正电荷,出现脱附再稳现象,在很大程度上降低了吸附架桥、网捕的有效性,导致去除率略有下降[4]。

图2　不同混凝剂单用的除藻效果

混凝剂单用除藻时,其主要除藻机理涉及压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、网捕卷扫作用4种机制。4种混凝剂中,PAC除藻效果最好,其水解产物中主要起絮凝作用的是多核多羟基聚合离子的吸附电中和和吸附架桥作用,其次是氢氧化物絮体的网捕卷扫作用[9]。4种混凝剂单独使用过程中,水中的藻类被松散地聚集在一起,漂浮于水面,沉降性能较差,不利于藻的沉淀去除。

b. 助凝剂的选用。3种助凝剂单独使用时,对南淝河夏季水体中藻类的去除效果如图3所示。藻类的去除率随着助凝剂剂量的增加呈上升趋势,其除藻效果为CPAM>APAM>NPAM。APAM和NPAM对藻类的去除率基本一致,随着投加量的增加,去除率缓慢增加,并趋于稳定,最大去除率低于20%。CPAM的除藻率随着投加剂量的增加迅速增加,当投加剂量为0.1 mg/L时,其去除率约为10%,当投加剂量增加至0.8 mg/L时,其去除率能达到99%,并趋于稳定。CPAM具有较好的吸附架桥作用,能够将水体中悬浮分散的藻聚集在一起。实验中发现CPAM除藻的过程中,水中的藻被密实地聚集在一起,漂浮于水面。而NPAM和APAM或难以将藻聚集在一起,或只能松散地聚集,难以去除。

图3　不同助凝剂的除藻效果

CPAM单独使用时可以很好除去水体中的藻类,但价格较高,另外,虽然CPAM本身没有毒性,但其分子内残留的丙烯酰胺单体有毒性,不宜大量使用[4]。故将其作为助凝剂,通过少量投加改善絮凝体结构,利用其电中和和吸附架桥作用以增强絮凝体的密实性和沉降性能。

c. 混凝剂与助凝剂联用。根据上述实验结果,选取除藻效果较好的CPAM作为助凝剂(设置质量浓度为0.5 mg/L),与不同剂量的混凝剂联用,对南淝河夏季水体中藻的去除效果如图4所示。当混凝剂单独使用时,其对藻类的最大去除率低于80%,与助凝剂联用后的除藻效果都得到了较大幅度的提高。当混凝剂的投加量为5 mg/L时,PAC、PFS、PAFC和PFC对南淝河水体中藻的去除率分别为86%、85%、85%和84%。当混凝剂的投加量达到20 mg/L的时候,4种混凝剂对藻的去除率均能达到99%,比4种混凝剂单用时除藻率分别提高了61%、73%、72%和85%。当混凝剂的投加量大于20 mg/L的时候,其对藻的去除率趋于平衡,去除率稳定在99%。

图4　混凝剂和助凝剂CPAM联用的除藻效果

助凝剂可以显著提高混凝除藻效率,原因在于:混凝剂剂量的增加只能使絮体体积和含水率增加,密度减小,而助凝剂的投加,不仅增加了水中悬浮颗粒的密度,加大了颗粒间的有效碰撞,而且助凝剂本身具有吸附性能,可使藻类细胞以助凝剂颗粒为中心凝聚成密度较大矾花[9]。实验发现:混凝剂与助凝剂的联用对藻类的去除效果较好,使藻类较密实的聚集在一起。少量助凝剂的加入,在提高去除率的同时,可大幅降低混凝剂的使用剂量,降低了药剂对原水带来的副作用,也节约了成本,具有一定的环境效益和经济效益。

图5　混凝剂和助凝剂CPAM联用除-N效果

图6　黏土矿物和助凝剂CPAM联用除-N效果

离子交换反应:

(1)

(2)

鸟粪石沉淀反应:

(3)

2.4强化混凝技术在南淝河现场应用

图7　混凝沉淀系统现场

图8　强化混凝系统进出水中Chl-a和-N的质量浓度变化及去除率

夏秋季节,强化混凝系统进水口藻类质量浓度异常高,一直持续到10月底,Chl-a的最高质量浓度为15.12 μg/L,经过强化混凝处理,出水中Chl-a的质量浓度显著降低,最高仅为2.20 μg/L,最低达0.21 μg/L。PAFC与CPAM的联用对藻类的去除效果显著,平均去除率为88.44%(±3.80%),低于室内实验的99%。可能是因为混凝剂与CPAM联用除藻时,虽然藻类可以较为密实地聚集在一起,但整体漂浮于水面,不利于沉降,在现场应用过程中,受水力条件等因素影响,沉降效果低于实验室研究。

3　结　论

a. 混凝剂单用除藻时,PAC的效果最好,投加量大于100 mg/L时,去除率趋于稳定,最大去除率约为76%;选用除藻效果较好的CPAM作为助凝剂,分别与4种混凝剂联用,当混凝剂的投加量超过20 mg/L时,去除率趋于稳定,最大去除率均可达到99%。助凝剂的投加,大大减少了混凝剂的投加剂量,并大幅提高了除藻效果。

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Study on removal efficiency of enhanced coagulation technology for treatment of seasonal pollutants from Nanfeihe River

WANG Dan1, 2, GONG Mengdan1, 2, CHEN Yifei3, DING Shiming1, SUN Qin4,5

(1.StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.TheSixthDesignInstituteofShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute,Hefei230001,China;4.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourcesDevelopmentofShallowLakes,MinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;5.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

enhanced coagulation; algae; ammonia nitrogen; attapulgite; removal rate

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.021

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07103-002)

王丹(1991—)男,硕士研究生,研究方向为湖泊环境与工程。E-mail:164847306@qq.com

丁士明,研究员。E-mail:smding@niglas.ac.an

X703.1

A

1004-6933(2016)05-0108-07

2015-11-29编辑：王芳)