强化混凝法处理微污染窖水的试验研究*

张 超 武福平 张国珍 刘 萌 杨 浩

(兰州交通大学环境与市政工程学院，寒旱地区水资源综合利用教育部工程研究中心，甘肃 兰州 730070)

强化混凝法处理微污染窖水的试验研究*

张 超 武福平#张国珍 刘 萌 杨 浩

(兰州交通大学环境与市政工程学院，寒旱地区水资源综合利用教育部工程研究中心，甘肃 兰州 730070)

研究了使用单混凝剂聚合氯化铝(PAC)混凝、助凝剂阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)-PAC复配混凝和粉末活性炭联合APAM-PAC强化混凝对窖水的处理效果。结果表明，在PAC质量浓度为15.0mg/L，APAM质量浓度为0.15mg/L，粉末活性炭投加量为20mg/L的强化混凝条件下，微污染窖水中的UV254、COD和浊度的去除率可分别达到66%、54%、97%。APAM对有机物的去除效果提升没有分子量选择性，而粉末活性炭对小分子有机物的去除效果更为明显。

窖水 强化混凝 粉末活性炭 有机物分子量

为解决干旱半干旱地区严重的缺水问题，甘肃省实施了“121”雨水集流工程，窖水是当地农村最主要的饮用水水源。然而由于受农药和化肥的使用、畜禽养殖废水的排放等影响，加上经济条件的制约[1]，窖水水质长期存在着微污染问题，主要是腐殖质类有机物得不到有效去除[2-3]。无机高分子混凝剂如聚合氯化铝(PAC)等具有高效的混凝作用[4]，絮体颗粒大，沉降速度快。阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)是一类高分子助凝剂，能对悬浮粒子起架桥联接作用，也可单独作为混凝剂使用，具有成本低、对pH的适应范围广等特点[5]，APAM-PAC复配使用有着极强的混凝效果[6]。考虑到窖水中分子量小于5 000 u的小分子有机物约占有机物总质量的40%，故添加粉末活性炭以增强小分子有机物的去除效果[7]。

本研究采用粉末活性炭联合APAM-PAC强化混凝的方法，对西北干旱半干旱地区微污染窖水进行处理，重点考察了混凝剂PAC、助凝剂APAM和粉末活性炭对窖水中有机物的处理效果。

1 材料与方法

1.1 水样采集

窖水水样采自甘肃省会宁县会师镇某农户家中，该窖水集雨面为石棉瓦屋顶和水泥地面，水窖类型为水泥窖，具有代表性。窖水原水主要水质指标如表1所示。

表1 原水水质

1.2 混凝试验

(1) 单混凝剂PAC混凝：取6个1 L的烧杯分别加入600 mL窖水水样，投加不同浓度的PAC，先以200 r/min的搅拌速率搅拌2 min，再以50 r/min的搅拌速率搅拌20 min，静置沉淀15 min后于液面下1 cm处取样测定UV254、COD和浊度。

(2) APAM-PAC复配混凝：在混凝试验(1)的基础上，固定PAC质量浓度为15.0 mg/L，以200 r/min搅拌2 min后，投加不同浓度的APAM，以200 r/min搅拌2 min，后续步骤同混凝试验(1)。

(3) 粉末活性炭联合APAM-PAC强化混凝：在混凝试验(2)的基础上，固定PAC质量浓度为15.0 mg/L、APAM质量浓度为0.15 mg/L，在投加APAM并以200 r/min搅拌2 min后，再投加不同量的粉末活性炭，以200 r/min搅拌2 min，后续步骤同混凝试验(2)。

1.3 分析方法

COD测定采用《纺织染整助剂 化学需氧量(COD)的测定》(GB/T 29599—2013)；UV254采用紫外分光光度法测定；有机物分子量分布采用超滤膜法测定[8]；pH使用PHS-3C酸度计测定；浊度采用HACH2100P便携式浊度仪测定。

2 结果与分析

2.1 单混凝剂PAC混凝对窖水的处理效果

单混凝剂PAC混凝对窖水水质的影响如图1所示。在PAC质量浓度为2.5～15.0 mg/L时，随着PAC浓度的增加，COD和UV254的去除率持续上升，而当PAC质量浓度大于15.0 mg/L时，COD和UV254的去除率反而出现下降。这是因为PAC具有极强的吸附架桥作用[9]，适量的PAC可以形成无定形Al(OH)3，其网捕卷扫作用使溶液中有机物得以去除；而过量投加PAC会使有机物去除率下降是因为当PAC达到一定浓度后，已被电中和的胶粒又因吸附作用而带正电，且部分胶粒被包卷而复稳[10]，使得PAC的有效利用率降低，弱化了混凝作用，有机物的去除效果趋于平缓甚至下降。在PAC质量浓度为15.0 mg/L时，浊度的去除率也达到了最大值(81%)。因此，混凝剂PAC质量浓度宜为15.0 mg/L。

图1 PAC对窖水的处理效果Fig.1 Effect of PAC on treatment of cellar water

从图1可见，UV254的去除率比COD高。这是因为UV254主要表征的是不饱和键的腐殖质类有机物，电负性较强，PAC对这些物质有较好的去除效果；而COD是可被高锰酸盐氧化的有机物，并不一定能被PAC混凝去除。但总的来说，有机物的去除效果并不理想，UV254的最大去除率还不到50%。这是因为单独使用PAC混凝所能去除的主要是一些悬浮颗粒物和大分子的电负性有机物[11]。图2对比了原水与单混凝剂PAC混凝对不同有机物分子量分布区间的处理效果。原水的有机物分子量分布主要集中在<3 000 u和≥100 000 u的区间内，小分子量的有机物所占比例很大。

图2 PAC对不同有机物分子量分布区间的处理效果Fig.2 Effect of PAC on treatmemt of organic matter with different molecular weight distribution

2.2 APAM-PAC复配混凝对窖水的处理效果

APAM与PAC复配使用可产生强大的吸附架桥作用，增强絮体的沉降性。试验研究了APAM-PAC复配混凝对窖水水质的影响，结果如图3所示。由图3可见，APAM-PAC复配混凝对UV254、COD、浊度的去除率较单混凝剂均有提升。在APAM质量浓度为0～1.00 mg/L时，随着APAM浓度的增加，UV254和COD的去除率先上升后下降，在APAM质量浓度为0.15 mg/L时达到最大。APAM在中性至弱碱性环境中可发挥最佳助凝效果[12]；有机物与PAC作用形成小颗粒絮体后，APAM的有效官能团及丙烯酰胺链节能将这些絮体吸附并桥联成更密实的絮体颗粒物而沉降[13]。但当APAM投加过量后，高分子助凝剂的长链将包裹小颗粒絮体，难以发生架桥作用，降低对有机物的吸附，形成“胶体保护”现象，使得出水的有机物去除率反而下降。故APAM质量浓度确定为0.15 mg/L。

图3 APAM对窖水的处理效果Fig.3 Effect of APAM on treatment of cellar water

图4对比了单混凝剂PAC混凝与APAM-PAC复配混凝对不同有机物分子量分布区间的处理效果。助凝剂APAM对不同有机物分子量分布区间基本都有一定的去除作用。这是由于长链状的高分子APAM具有极强的吸附架桥作用，能使混凝产生的絮体更大更密实，对分子量没有选择性。

图4 APAM对不同有机物分子量分布区间的处理效果Fig.4 Effect of APAM on treatment of organic matter with different molecular weight distribution

2.3 粉末活性炭联合APAM-PAC强化混凝对窖水的处理效果

粉末活性炭能进一步去除小分子有机物。试验研究了粉末活性炭的投加量对窖水水质的影响，结果如图5所示。由图5可以看出，随着粉末活性炭投加量的增加，UV254、COD、浊度的去除率不断提升。当粉末活性炭投加量达到20 mg/L时，继续增加其投加量，对UV254、COD、浊度的去除率提升影响不大，甚至反而出现下降。粉末活性炭进一步去除小分子有机物主要是因为其表面以微孔结构为主，比表面积、微孔容积都比较大[14]。粉末活性炭联合APAM-PAC强化混凝时，既要保证粉末活性炭不被混凝产生的絮体包裹，又要与窖水有足够的接触时间，因此选择在投加APAM且以200 r/min搅拌2 min后再投加粉末活性炭，充分发挥其吸附小分子有机物的作用[15]。但是过量的粉末活性炭也会产生“胶体保护”的现象。综合考虑UV254、COD、浊度的去除率尽可能大，粉末活性炭的投加量尽可能少，最终确定粉末活性炭投加量为20 mg/L。此时，UV254、COD和浊度的去除率可分别达到66%、54%、97%。

图5 粉末活性炭对窖水的处理效果Fig.5 Effect of powdered activated carbon on treatment of cellar water

图6对比了APAM-PAC复配混凝与粉末活性炭联合APAM-PAC强化混凝对有机物分子量分布区间的处理效果。微污染窖水在经过粉末活性炭的强化处理后，出水有机物得到了进一步降低，尤其是小分子有机物。

图6 粉末活性炭对不同有机物分子量分布区间的处理效果Fig.6 Effect of powdered activated carbon on treatment of organic matter with dfferent molecular weight distribution

3 结 论

与单混凝剂PAC混凝相比，APAM-PAC复配混凝处理窖水对UV254、COD和浊度的去除率均有明显提升，助凝剂APAM对不同分子量分布区间的有机物去除效果没有选择性。粉末活性炭联合APAM-PAC强化混凝处理窖水，可进一步提高UV254、COD和浊度的去除率，但粉末活性炭主要对小分子有机物去除率较高。

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Studyontreatmentofmicro-pollutedcellarwaterbyenhancedcoagulation

ZHANGChao,WUFuping,ZHANGGuozhen,LIUMeng,YANGHao.

(EngineeringResearchCenterofIntegratedAvailability,MinistryofEducation,SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,LanzhouGansu730070)

Polyaluminum chloride (PAC) coagulation, PAC coagulation with anionic polyacrylamide (APAM) and powdered activated carbon enhanced PAC coagulation with APAM were compared. Results indicated that when PAC mass concentration was 15.0 mg/L,APAM mass concentration was 0.15 mg/L and powdered activated carbon dosage was 20 mg/L,the removal rate of UV254,COD and turbidity reached 66%,54% and 97%,respectively. APAM had molecular weight selectivity when eliminating organic matters,while powder activated carbon not.

cellar water; enhanced coagulation; powdered activated carbon; molecular weight of organic matter

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.02.003

2016-03-04)

张 超，男，1988年生，硕士研究生，研究方向为水处理技术与应用。#

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*国家自然科学基金资助项目(No.51068014、No.51468033)；甘肃省建设厅科技攻关项目(No.JK2010-26)；长江学者和创新团队发展计划项目(No.IRT0966)。