HCA强化混凝预处理生活污水的效能及机理

严子春,陶仁乾

HCA强化混凝预处理生活污水的效能及机理

严子春*,陶仁乾

(兰州交通大学环境与市政工程学院,甘肃 兰州 730070)

通过单因素及正交试验,以聚二甲基二烯丙基氯化铵(HCA)为混凝剂对模拟农村生活污水进行强化混凝预处理,考察了影响HCA混凝去除SS、TP及有机物的主要因素及其主次顺序,并以Zeta电位及分形维数对HCA的混凝机理进行了分析.结果表明,影响HCA处理效果的因素顺序为初始pH值值>HCA投加量>絮凝搅拌时间>混合搅拌速度梯度>混合搅拌时间>絮凝搅拌速度梯度,在优化条件下HCA混凝对SS、TP及COD去除率最高分别达94.1%、74.9%及61.1%;当HCA投加量为15mg/L时,Zeta电位与絮体分形维数分别为-2.03mv及1.0149.试验表明HCA对生活污水具有较好的处理效果,强化混凝去除污染物的机理主要是电性中和作用.

强化混凝；聚二甲基二烯丙基氯化铵(HCA)；分形维数；Zeta电位

近几年,我国农村城镇化建设取得巨大成就,但农村水环境污染问题也随之日益突显[1].针对农村生活污水水质不稳定、水量变化大及治理资金短缺等问题,寻找一种适宜的处理方式对其进行预处理,以减小后续处理单元的负荷,降低基建成本,更经济有效地解决水污染问题.

目前,多采用厌氧反应器等设施对农村污水进行预处理,降低后续处理系统污染负荷[2],但厌氧反应器效率较低、体积较大.强化混凝()技术可有效提高生活污水一级处理单元悬浮固体、有机物等的去除率[3-4],因其简单高效性在污水处理中广受重视.HCA是一种高效无毒的新型高分子有机混凝剂已应用于给水处理领域[5],尚无在生活污水处理中的研究和应用报道,本研究旨在将HCA应用于农村生活污水一级处理阶段,通过优化其混凝参数、探究其混凝机理,实现HCA对农村生活污水的强化混凝预处理,以达到降低能耗和运行费用的目标.

1 材料与方法

1.1 试验用水水质、主要材料及仪器

试验用水水质:农村生活污水基本不含重金属等有毒物质,与校园生活污水水质成分相似,为方便抽取试验用水和采样,开展实验室研究,以校园生活污水替代农村生活污水,试验用水水质指标如表1所示.

表1 原水水质

主要材料:HCA,来自兰州威立雅水务有限责任公司,含固量40%;COD测试试剂来自重庆联庆仪器仪表有限公司,TP测定所用钼酸铵、酒石酸锑钾、硫酸和抗坏血酸均为AR级.

主要仪器:ZR4-2便携式搅拌仪(深圳中润公司),HACH DR5000紫外分光光度计(美国哈希公司),DRB200COD消解仪(美国哈希公司),Zeta电位仪(英国马尔文公司),CFX-1001型“咖啡象”数码显微镜数据分析仪(福州泉通电子有限公司), HACH-2100P浊度仪(测量范围0~1000NTU,最低测量值为0.01NUT,美国哈希公司),721分光光度计(上海第三仪器分析厂),pHS-25酸度计(上海雷磁新经有限公司)等.

1.2 测试指标及分析方法

SS(通过浊度与SS的关系曲线换算而得), COD(重铬酸钾比色法),TP(钼锑抗分光光度法),分形维数(微机测定分析法), pH值(酸度计法).测试指标取值均为3个平行样的平均值.

1.3 混凝试验

HCA混凝效果采用L27(36)的正交试验, 6因素分别为A:HCA投加量(mg/L)、B:混合搅拌速度梯度(G值,s-1)、C:混合搅拌时间(s)、D:絮凝搅拌速度梯度(G值,s-1)、E:絮凝搅拌时间(min)、F:初始pH值,每个因素对应水平值见表2.混凝分为混合与絮凝两个阶段,分别包含B、D 2个速度梯度因素和C、E 2个时间因素,混凝阶段2个速度梯度因素的具体G值由搅拌仪根据搅拌功率(速度)和水温20℃时水的动力粘度自动计算并显示.

表2 HCA正交试验因素水平表

搅拌结束后,静置30min取液下3cm处上清液进行水质分析,测定浊度、TP、COD、Zeta电位值,取烧杯底部絮体进行分形维数测定.

1.4 絮体分维测定

将混凝结束后形成的絮体缓慢移至玻璃表面皿中,利用显微镜对形成的絮体进行连续拍照(放大比例参数设置为0.25),之后用彩色图像分析软件分析图像,测定图像周长和面积,根据分形理论及实际经验,按照ln=Drln+ln对数据进行处理,所得ln与ln分别为横纵坐标数值作图,二者成线性关系[6],所得直线斜率Dr为分形维数,其中为常数.

1.5 Zeta电位测定

Zeta电位采用Nano–ZS90型Zeta电位仪(英国马尔文公司),取少量混凝试验所得上清液转移至Zeta电位仪专用U型管中,重复测定5次Zeta电位,取其平均值.

2 结果与分析

2.1 混凝试验影响因素分析

2.1.1 正交试验 为考察各因素对HCA处理效果的影响,根据表2进行正交试验,并以SS去除率为评价指标,结果如表3所示.

表3 正交试验安排及结果

为进一步分析各个因素对SS去除效果的影响,根据表3中SS去除率结果,进行极差分析,结果见表4.

表4 SS极差分析结果

表4中,因素影响顺序为初始pH值>HCA投加量>絮凝搅拌时间>混合搅拌速度梯度>混合搅拌时间>絮凝搅拌速度梯度.pH值影响最为显著,pH值既会影响水中胶粒的表面电荷,亦会影响混凝剂的解离或水解速率[7],因HCA具有正电荷密度高的特点,在碱性环境中更有利于其解离,从而更好地发挥电性中和作用.相比较而言,混凝剂投加量、水力条件混合搅拌时间、絮凝搅拌速度梯度等因素的影响次于初始pH值,但也是影响混凝效果的重要因素.在优化试验(A2B3C2D1E3F3)条件下,HCA混凝对SS、TP及COD去除率最高分别达94.1%、74.9%及61.1%.

2.1.2 全程GT值对污水SS去除率的影响 水力条件是混凝效果的重要影响因素,为考虑水力条件对混凝效果的影响,本研究结合正交试验中全程GT值(混合阶段GT值+絮凝阶段GT值)对SS去除率的影响进行分析,具体结果见表5.

将表5中全程GT值按从小到大顺序排列并以试验编号为横坐标、SS去除率为纵坐标制图,结果如图1所示.

图1中,SS去除率随着全程GT值变化出现不规则波动,无显著规律,但全程GT值较大时处理效果略好,例如图1中编号为9、11、14、21等全程GT值均大于13000,此时SS去除率在80%左右.由于生活污水中颗粒的性质、分布及表面电荷的分布不同,导致不同性质的颗粒在混凝过程中形成絮体的先后顺序不同,而不同阶段形成的絮体沉降性各不相同[8].若全程GT值过小,满足不了混凝剂与污水的混合动力,同时也影响微小絮体的有效聚集;若全程GT值过大,或是搅拌强度过大,或是搅拌时间过长,都会对已形成的絮体结构造成破坏导致处理效果不佳.在影响SS去除效果的因素中,混合搅拌GT值的影响较为突出,对于HCA而言,因其具有一定黏度,适宜的混合搅拌GT值能快速有效地将HCA迅速分散于水中以便于HCA分子与水中胶粒充分接触,短时间内形成多的毛绒体,在絮凝搅拌过程中逐渐成长成熟后沉降达到去除SS的目的.此外,混合搅拌GT值与絮凝搅拌GT值之间的分布比例也对SS去除有影响,付英等[9]通过分析全程GT值对混凝效果的影响亦有类似结论.

表5 全程GT值对SS去除率的影响

2.1.3 初始pH值对污水TP及COD去除的影响 调节初始pH值分别为5.0、6.0、7.3(原水pH值)、8.0、8.5、9.0,HCA投加量均为10mg/L,水力搅拌条件为:快搅速度400r/min持续20s,慢速搅拌速度100r/min持续8min,混凝结束后对上清液浊度、TP及COD进行测定,结果如图2所示.

图1 全程GT值对SS去除效果的影响

图2 初始pH值对污水SS、TP及COD去除的影响

图2中,SS、TP及COD去除率整体随pH值增加呈上升趋势,至pH值为9.0左右时三者去除率分别达到89.9%、75.9%、58.8%,初始pH值变化对TP去除率影响较为明显.分析原因,碱性环境下污水中溶解性的磷酸盐多以HPO42-或PO43-存在[10],可与水中Ca2+、Mg2+等离子在絮凝搅拌过程中生成沉淀达到一定的除磷效果;但总体而言,随初始pH值的增加,HCA对SS和COD的去除率略有提高.一般情况下,生活污水中含有大量表面带负电的胶体颗粒,而在碱性环境中,HCA更易解离,解离后带正电的粒子与胶粒结合可生成多且细小的毛绒体,在沉降过程中SS和COD得以去除.但另一方面,碱性条件也促进了颗粒性有机物的水解,增加水中细小悬浮固体和溶解性有机物的含量,因此,初始pH值的增加对提高SS和COD的去除率效果不显著.

2.1.4 HCA投加量对污水TP及COD去除的影响 调节初始pH值为8.5左右,水力条件同讨论2.1.3,HCA投加量分别为1、5、10、15、20、25mg/L,混凝结束后对上清液TP及COD进行测定分析,结果如图3所示.

图3 HCA投加量对TP及COD去除率的影响

图3中SS、TP及COD去除率随HCA投加量均呈现先上升后下降趋势,SS与COD去除率变化较为明显,当HCA投量为15mg/L时,三者去除率均达到最高.因HCA是带正电荷的高分子混凝剂,若投加量过小,不足以完全中和胶粒表面的负电荷,从而不能形成密实、高质量的絮体颗粒,处理效果不佳;如投药量过大,过量的HCA致使胶粒表面电荷反转,继而发生再稳现象导致胶粒再度溶于水中,效果变差.因此当HCA投加量适宜时可使胶体的静电排斥作用降到最低,并在吸附架桥、网捕卷扫等作用的辅助下对污染物进行有效去除.

通过对影响HCA处理效果主要影响因素的分析,初步确定HCA混凝条件为:混合搅拌速度400r/min(G=245.0s-1左右,水温15℃)持续30s,絮凝搅拌速度100r/min(40.0s-1)持续8min;初始pH值调节为8.5左右,此时投加量为15mg/L.

2.2 HCA混凝机理的分析

2.2.1 Zeta电位分析 为进一步分析混凝机理,设置了不同HCA投加量试验,以SS去除率为评价指标,并进行了水样Zeta电位的测定,结果见表6.

Zeta电位代表胶体颗粒表面扩散双电层的电势差,是表征胶体分散系稳定性的重要指标.Liao等报道污泥表面电荷对污泥EPS性质及其沉降性均有影响[11],而生活污水中絮体污泥电位一般介于-30~ -10mv[12],对比表6中混凝前后Zeta电位的变化,混凝后Zeta电位值随着HCA投加量逐渐升高,而Zeta电位绝对值随HCA投加量先减小后上升,HCA投加量为15mg/L时Zeta电位绝对值达到最小值2.03mv.主要是因带正电荷的HCA与水中带负电胶体颗粒发生电性中和,而Zeta电位的高低决定了胶体颗粒之间斥力大小和影响范围[13],适当的HCA投加量可减小Zeta电位绝对值从而降低胶粒之间的排斥力,可能会形成大而密实的颗粒,有利于絮体沉降和污染的去除;该试验结果与Henderson得出的絮体Zeta电位绝对值控制在较低范围内有利于增加混凝工艺处理稳定性[14]的结论相一致.絮体的结构形态与HCA投加量、Zeta电位的关系将通过“咖啡象”数码显微镜成像和分形维数进一步分析和验证.

表6 分形维数与Zeta电位测定结果

2.2.2 絮体分形维数分析 图4为不同HCA投加量条件下絮体的“咖啡象”数码显微镜成像照片(照片对应的HCA投加量同表6).

图4 不同HCA投加量下絮体分维照片

分形结构是絮体结构的重要特征之一,根据分形理论,絮体具有基本粒子-絮粒-絮体-絮体聚集体的多层结构,不同层次结构的絮体具有相异的分形维数,分形维数越大所形成的絮体更加稳定密实且沉降性更好[15-16].表6中,(d)号试验HCA投加量为15mg/L时分形维数Dr为最大值1.0149,对应SS去除率达到最高值94.1%,从图4的絮体照片可以看出此条件下絮体颗粒均匀密实.说明了适当的HCA投加量可减小其Zeta电位绝对值,增加絮体的密实度,进一步验证了HCA是通过电性中和强化了混凝预处理效果.

3 结论

3.1 以SS去除率为指标考察HCA混凝预处理生活污水的正交试验表明,影响因素大小顺序为初始pH值>HCA投加量>絮凝搅拌时间>混合搅拌速度梯度>混合搅拌时间>絮凝搅拌速度梯度;全程GT值较大时SS去除率略高,但两者之间无显著规律.

3.2 初始pH值对混凝效果影响显著,SS、TP及COD去除率整体随pH值增加呈上升趋势,至pH值为9.0左右时三者去除率分别达到89.9%、75.9%、58.8%,初始pH值变化对TP去除率影响较为明显.

3.3 Zeta电位及分形维数的试验结果分析表明,投加量在一定范围内,HCA强化混凝可降低胶粒表面Zeta电位绝对值,增加分形维数D值,形成结构密实的絮体,提高污染物去除效果,其混凝机理主要为电性中和作用.

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Efficiencies and mechanism analysis of HCA strengthening coagulation on pretreatment of domestic sewage.

YAN Zi-chun*, TAO Ren-qian

(School of environment and municipal engineering, LanZhou JiaoTong University, Lanzhou 730070, China)., 2018,38(11)：4114~4119

The single factor and orthogonal experiments were carried out to enhance coagulation pretreatment of simulation of rural domestic sewage used by Poly Dimethyl Diallyl Propy Ammoniuml Chloride (HCA) as a coagulant,meanwhile the removal sequence of HCA and main factors were also analyzed on the removal effect of SS,TP and organic matter by HCA. Meanwhile the coagulation mechanism of HCA was analyzed through the Zeta potential and fractal dimension. The results showed that the influence factors of HCA treatment effect was in as a order of the initial pH value >HCA dosage>flocculation stirring time >mixed speed gradient>blend stirring time >flocculation stirring speed gradient, and under the optimized conditions, SS, TP and COD removal rates were up to 94.1%, 74.9% and 61.1%, respectively; when the dosage of HCA was 15mg/L, Zeta potential and the fractal dimension of flocs was -2.03mv and 1.0149, respectively. The analysis of the experimental results showed that the HCA of sewage treatment had obvious effect and its mechanism was mainly charge neutralization.

enhanced coagulation；HCA；fractal dimension；Zeta potential

X703.5

A

1000-6923(2018)11-4114-06

严子春(1970-),男,甘肃古浪人,教授,博士,主要从事水处理理论与技术研究领域.发表论文30余篇.

2018-04-03

国家重点研发计划(2016YFC04007);国家自然科学基金资助项目(51568034)

* 责任作者, 教授, yanzichun@mail.lzjtu.cn