搅拌条件对混凝去除清淤尾水污染物的影响研究

郑慈航，童启邦，陈茂莲，陈亚萍，郭 勇

(四川大学 化学工程学院， 四川 成都 610065)

近年来，随着黑臭水体治理工作的逐步开展，清淤疏浚通过清理黑臭水体的底泥污染物，能快速降低水体的内源污染负荷，被广泛应用于黑臭水体内源污染治理。但是，在清淤疏浚过程中，产生的大量清淤尾水从堆场溢流排放，尾水中的污染物附着在胶体的悬浮物上，随着尾水排入水体，造成水体的二次污染[1]。由于这些悬浮物和胶体粒径很小，很难在短时间内依靠重力自然沉降去除。此外，在实际清淤工程中，会产生大量的清淤尾水，由于受到堆场空间的限制，清淤尾水很难得到及时处理，极大的限制了河道清淤的发展。化学混凝法由于具有操作简单，絮体沉降速度较快的特点，较多的运用在各行业的废水处理中。在采用化学混凝法处理清淤尾水的过程中，不同的搅拌条件会对化学混凝的各个阶段产生不同的影响，进而影响化学混凝对污染物的去除效果[2]。

采用化学混凝法处理清淤尾水的试验中，分别对快速搅拌转速、快速搅拌时间、低速搅拌转速和低速搅拌时间进行实验，通过分析测量进出水的COD、TP和浊度，探究不同搅拌条件对清淤尾水污染物去除效果的影响，以期为清淤尾水的工程处理提供一定的理论指导。

1 材料和方法

1.1 实验水质

实验用水为清淤尾水，经测量其水质指标为COD为250 ～350mg/L，TP浓度为1.0 ～2.0mg/L，浊度为70NTU～340NTU。

1.2 主要试剂和仪器

试剂：聚合氯化铝(PAC，Al2O3含量30%，工业级)、聚丙烯酰胺(PAM，分子量600万，工业级)，连华COD专用试剂(LH-D-500、LH-E-500)，连华总磷试剂(LH-P1、P2100)。

仪器：连华多参数水质测定仪5B-3B型(V8版)，兰州连华环保科技有限公司；搅拌机S212型，无锡申科仪器有限公司。

1.3 试验及测试方法

试验方法：取500mL清淤尾水于1L烧杯中，想其中加入30mg/L的PAC，快速搅拌若干分钟后，再加入助凝剂PAM，低速搅拌若干分钟后，静止15min，测量上清液的COD、TP和浊度，对比原水水质，探究搅拌条件对污染物去除效果的影响。

测试方法：COD、TP和浊度的测量均采用连华多参数水质测定仪5B-3B型。

2 结果与讨论

2.1 快速搅拌转速对絮凝效果的影响

取500mL配水于1L的烧杯中，加入30mg/L的PAC，快速搅拌3min，搅拌转速分别为(150,200,250r/min和300r/min)，然后加入3mg/L的PAM，进行3min低速搅拌(60r/min)，搅拌完成后静置15min，测量上清液的COD、TP和浊度。快搅阶段搅拌转速对COD、TP和浊度的影如图1所示。

由图1可知，随快速搅拌阶段转速的升高，对清淤尾水COD、TP以及浊度的去除率均呈现先升高后降低的趋势，产生此现象的原因在于：当絮凝剂PAC加入尾水中后，PAC能迅速发生水解反应，产生的带正电的水解产物(如：Al3+、Al(OH)2+、Al13O4(OH)247+等)能通过压缩胶体和悬浮物的双电层(电中和作用)和吸附架桥作用与胶体和悬浮物结合，进而去除尾水中的污染物[3]。当搅拌转速过低时，PAC不能与尾水中的胶体和悬浮物充分混匀，导致PAC不能充分发挥其压缩双电层与吸附架桥的作用，甚至在局部因PAC水解产物过多而出现再稳现象；当搅拌转速过高时，能够观察到已经生成的絮体在高速搅拌剪切力的作用下被打碎，削弱了絮凝剂处理污染物的效果。图1快速搅拌转速对浊度去除率的影响也能看出，搅拌转速过快后，尾水的浊度有一定的回升，降低了絮凝剂PAC的效果。因此，由图1可以看出，快速搅拌阶段转速为200r/min时，对尾水中COD、TP和浊度的去除效果最好，去除率分别达到：87.53%、91.36%和94.4%。

图1 快速搅拌转速对污染物去除效果的影响

2.2 快速搅拌时间对絮凝效果的影响

取500mL配水于1L的烧杯中，加入30mg/L的PAC，200r/min的转速下分别快速搅拌1,2,3,4min和5min。其次，加入3mg/L的PAM，缓慢搅拌3min(60r/min)。最后静置15min，测量COD、TP和浊度。快速搅拌时间对COD、TP和浊度的影响如图2所示。

图2 快速搅拌时间对污染物去除效果的影响

由图2可知，随着快速搅拌时间的增加，尾水中COD、TP和浊度的去除率呈先上升后下降的趋势，当搅拌时间超过3min后，尾水中COD、TP和浊度有所升高。这是因为：在搅拌转速一定的情况下，适合的搅拌时间可使絮凝剂在尾水中充分混匀，增加絮凝剂与尾水中污染物的碰撞几率，进而加强絮体的生成；而长时间的剧烈搅拌不利于絮体的形成和生长[4]，使得微絮体在剪切力的作用下遭到破坏，从而降低了絮凝效果。实验结果也表明，当搅拌时间过长，尾水的浊度因絮体被打碎而升高。因此，确定絮凝试验快速搅拌的时间为3min。

2.3 低速搅拌转速对絮凝效果的影响

取500mL配水于1L烧杯中，加入30mg/LPAC，在200r/min转速下搅拌3min。然后加入3mg/L的PAM，低速搅拌3min，搅拌转速分别为(40,60,80r/min和100r/min)。最后，静置15min，测量COD、TP和浊度。絮凝阶段，低速搅拌对COD、TP和浊度的影响如图3所示。

图3 低速搅拌转速对污染物去除效果的影响

如图3所示，随着低速搅拌阶段转速增加，COD、TP和浊度去除率均先升高后降低。产生这一现象的原因在于：助凝剂PAM是一种线性高分子，由于其结构不稳定，易卷曲成为网状结构，当转速过快时，一方面PAM水解产物结构不稳定，已被快速搅拌破坏[5]；另一方面，PAM的加入生成体积大而疏松的絮体，在快速搅拌的剪切力下极易被破坏，使污染物再次进入尾水，从而降低了尾水污染物的去除率；而当转速较低时，不能保证尾水中颗粒均匀悬浮，且助凝剂不能在水中混合均匀，导致絮凝效果不好[6]。图3中浊度的变化趋势可以很直观的反映出低速搅拌转速对尾水污染物的去除效果，可以看出，当低速搅拌转速为60r/min时，对COD、TP和浊度的去除效果最好。因此，将60r/min作为低速搅拌阶段的最佳转速。

2.4 低速搅拌时间对絮凝效果的影响

取500mL配水于1L烧杯中，加入30mg/LPAC，快速搅拌(搅拌转速200r/min)3min。然后加入3mg/L的PAM，分别低速搅拌(60r/min)1,2,3,4min和5min。经过15min的静置，测量COD、TP和浊度。低速搅拌时间对COD、TP和浊度的影响见4。

通过图4可知，COD、TP和浊度的去除率随搅拌时间不断增加呈现出先升后降的趋势。这是因为：当低速搅拌时间较短时，一方面助凝剂尚未完全水解，不能充分接触尾水中的悬浮物与胶体，另一方面，絮体的增长是一个较为缓慢的过程，只有生成足够大的絮体时，其沉降速度才能加快[7]。因而，低速搅拌时间较短导致絮凝效果不佳。而低速搅拌搅拌时间过长时，助凝剂已与胶体和悬浮物充分接触，絮体也充分生长，不会再进一步增大，使污染物的去除效果趋于稳定，而过长时间的搅拌也可能使絮体在剪切力作用下破损，降低絮凝效果，使浊度去除率有所下降。实验结果表明，当低速搅拌时间为3min时，COD、TP和浊度的去除率分别可达：87.53%、91.36%和94.4%。因此，3min选为低速搅拌的最佳搅拌时间。

图4 快速搅拌时间对污染物去除效果的影响

3 结论

(1) 在快速搅拌阶段，适宜的快速搅拌能使絮凝剂能充分的与胶体和悬浮物接触，通过水解产物压缩双电层和吸附架桥的作用与胶体和悬浮物结合生成较大的絮体。在一定范围内增加快速搅拌转速和时间，可提高对COD、TP和浊度的去除效果，而过高的搅拌转速或过长的搅拌时间易使絮体被破坏成小絮体，不易沉降，降低处理效果

(2)在低速搅拌阶段，随着PAM的加入，通过其网捕卷扫作用使快搅时形成的PAC絮体进一步增大。这一阶段需要适宜的低速搅拌转速与时间，以使PAM充分发挥其网捕卷扫作用。较短的搅拌时间与较低的搅拌转速会影响絮体的增长，而过高的转速或过长的搅拌时间会使絮体被打碎，影响污染物的去除。

(3)当快速搅拌阶段转速为200r/min、搅拌时间3min；低速搅拌阶段转速为60r/min、搅拌时间3min时，化学混凝法对清淤尾水中COD、TP和浊度有着较好的去除效果，去除率分别可达87.53%、91.36%和94.4%。