復合絮凝劑去除冊田水庫污染物實驗

賈大偉,張國珍,田秉暉

(1.蘭州交通大學市政與環境工程學院,甘肅蘭州 730070;2.中國科學院生態環境研究中心,北京 100085)

復合絮凝劑去除冊田水庫污染物實驗

賈大偉1,2,張國珍1,田秉暉2

(1.蘭州交通大學市政與環境工程學院,甘肅蘭州 730070;2.中國科學院生態環境研究中心,北京 100085)

以“PAC+PDADMAC”復合、“PAC+PAM”復合、PDADMAC為絮凝劑,用于冊田水庫污染物強化混凝處理。通過混凝燒杯實驗,以TOC、色度、濁度、Zeta電位為考察指標,研究“PAC+PDADMAC”復合投加對冊田水庫水中污染物的去除,并對其絮凝作用機理進行了探討。結果表明,“PAC+PDADMAC”復合投加對冊田水庫水中的濁度、色度、TOC具有更好的去除效果,去除率分別高達93%,90%和71%。

有機污染物;強化絮凝;聚二甲基二烯丙基氯化銨;PAC;PAM

冊田水庫位于桑干河下游的大同市,是山西省第二大水庫,總庫容5.8億m3,是一座適于城市用水、防洪、灌溉及淡水養殖綜合利用的大(Ⅱ)型水庫[1]。冊田水庫不僅是山西大同市的水源地,同時還是北京官廳水庫的重要水源之一。因此,保證該地區的飲用水水源地水質達到標準已經迫在眉睫。

目前強化絮凝技術已經逐漸成為研究熱點。強化絮凝一般是指在傳統絮凝技術的基礎上,針對目前安全飲水凈化過程中微污染有機物和水質回用處理過程中難降解有機污染物去除難的問題而發展起來的高效水處理單元技術[2]。聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDADMAC)是近年來快速發展起來的一種具有特殊功能的水溶性陽離子型有機高分子絮凝劑。PDADMAC高效、安全無毒,已成為國內外第一個可安全用于飲用水凈化處理的有機高分子絮凝劑[2、3]。本實驗主要針對分別采用 PDADMAC,聚合氯化鋁(PAC),“PAC+PAM”和“PAC+PDADMAC”為絮凝劑進行絮凝實驗。主要控制指標TOC、SS、色度 、Zeta 電位 。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

試劑與原料:實驗試劑用水為超純離子交換水(電阻率為18 MΩ/cm),PDADMAC是質量分數為40%的水溶液,經超濾提純后凍干,超濾截留分子量是105、PAM,氯鉑酸鉀、氯化鈷、PAC等所用化學試劑均為分析純,氮氣為普通氮氣。實驗所用水樣為來自山西大同冊田水庫,原水水質 ρ(TOC)=29.4972mg/L、SS為52NTU、色度為45度。

1.2 混凝試驗

在燒杯絮凝試驗中,混凝攪拌條件為:快攪轉速為300 r/min,時間 2min。首先投加PAC,在快攪1min后,投加PDADMAC或者PAM。慢攪轉速為40 r/min,時間10min。沉降30min。混凝溫度為 25℃。取沉降30min后的溶液上清液,用0.45μ m濾膜過濾到50mL離心管中(開始時的2～3mL棄去)。殘余濁度(RT)和Zeta電位分別用濁度計(HACH 2lOON Turbidimeter,HACH,Loveland,Co.)和 Zeta電位儀(zetasizer 2000,Malvem,Co.,UK)測定.總有機碳用總有機碳分析儀(Phoenix,8000;Tekmar-Dovmann,Co.,USA)測定。色度:采用鉑鈷比色法。

1.3 TOC分析方法

TOC測定:靜沉后,取樣用0.45μ m的微孔濾膜過濾,用Phoenix 8000 TOC分析儀分析總有機碳濃度,所測定值為水中殘余溶解性有機物TOC。將所得溶液用TOC儀測定其總有機碳含量。通過比較混凝前后混凝溶液中的總有機碳的含量來確定復合混凝對TOC的去除效果。

2 結果與討論

2.1 實驗結果

2.1.1 PAC的絮凝試驗

PAC絮凝試驗:投加 ρ(PAC)分別為30mg/L、60mg/L 、90mg/L 、120mg/L 、150mg/L 、180mg/L,通過試驗,找到最佳投藥量為90mg/L,此時對水樣TOC、濁度和色度去除效果最好。目前認為,鋁鹽是以其水解產物對水中顆粒或膠體污染物進行電中和脫穩、吸附架橋或粘附卷掃而生成粗粒絮凝體再加以分離去除[8]。當投加物的濃度超過一定限度時,會產生“膠體保護”作用使膠體顆粒重新懸浮,使脫穩膠體電荷變號或使膠粒被包卷而重新穩定。

2.1.2 “PAC+PAM”的絮凝試驗

水樣中先投加絮凝劑PAC進行快攪,ρ(PAC)=90mg/L,快攪結束后投加助凝劑PAM,PAM質量濃度分別為 0.2 mg/L、0.5g/L、1g/L、2 mg/L、3 mg/L、5mg/L。通過實驗分析,發現對原水的總有機碳、濁度、色度都有很好的去除效果,如圖1、2、3所示。在整個反應過程中隨著PAM的濃度增加,對原水的去除效果逐漸變好,當達到ρ=3mg/L時對原水處理效果已經達到穩定。

圖1 TOC去除率

圖2 色度去除率

圖3 濁度去除率

2.1.3 “PAC+PDADMAC”的絮凝試驗

水樣中先投加絮凝劑PAC進行快攪,快攪結束后投加助凝劑PDADMAC,投加PAC的質量濃度為90mg/L,投加PADMAC質量濃度分別為0.2mg/L、0.5 g/L、1 g/L、2 mg/L、3 mg/L、5 mg/L。單獨投加PDADMAC絮凝試驗發現,當 ρ=3mg/L時對原水的處理效果達到基本平衡,如圖1、2、3所示,但是對原水的總有機碳去除效果僅僅達到30%;這與文獻[4]報道PDADMAC單獨使用時效果不佳的結論相吻合。但是通過“PAC+PDADMAC”的復合投加能夠使原水的總有機碳的去除率達到71%。同時對濁度、色度的去除效果都要高于單獨投加PDADMAC和“PAC+PAM”復合投加方式。

2.2 討論

2.2.1 混凝劑投加濃度量對水中污染物的影響

混凝劑的投放濃度直接影響強化混凝處理效果。許多研究表明,隨著濃度的增加,水的混凝處理效果不斷提高[5-6]。從圖1～3中可以看出,隨著藥劑投加量的增加,TOC、SS、色度不斷降低。同時從圖1～3可以發現,在低加藥量區域,TOC、色度、濁度降低較為明顯,當TOC、色度、濁度降到一定值后,要想再降低剩余色度、濁度則較困難。從圖4可知,Zeta電位隨著投加量的增加,電位值由小逐漸變大,后來趨于穩定。這是因為在藥劑用量達到一定量時,水中的懸浮膠體已能充分脫穩,再增加用量,效果不大。

圖4 Zeta位圖

2.2.2 各種絮凝劑對水中污染物去除效果的比較

如圖1所示:無論是單獨投加PDADMAC還是“PAC+PAM”的投加,整體效果都不如“PAC+PDADMAC”復合絮凝劑對水中的TOC去除率效果好。PDADMAC陽性絮凝劑具有“吸附電中和”和強烈的“吸附架橋”作用,強烈的“吸附架橋”作用是其高效絮凝的主要作用機理。“PAC+PDADMAC”復合絮凝劑去除溶解性有機物的絮凝機理主要表現為:專屬吸附作用,即在無機高分子絮凝劑PAC水解絮凝的過程中,高正電性的PDADMAC可以通過吸附在PAC水解產物或顆粒物的表面[7],增強了其“吸附電中和”和專屬吸附作用,從而提高了對溶解性有機物的去除率。

從圖2,3可以看出,PDADMAC對色度和濁度的去除效果要好于TOC。色度方面主要原因是溶解在水中的發色基團多是大分子的帶電基團,PDADMAC對其去除率大大高于其他基團。濁度方面主要原因是PDADMAC陽性絮凝劑通過“吸附電中和”和“吸附架橋”作用,使水中的懸浮顆粒物形成大的膠團,在重力作用下沉降下來。

2.2.3 PDM強化混凝效果分析

在混凝過程中,無機混凝劑一般是通過水解聚合反應產生多核羥基絡合物,通過高正電荷離子壓縮雙電層,多核羥基絡合物在粒間架橋,以及形成的氫氧化物膠體的卷掃作用,使膠體粒子脫穩,發生絮凝沉淀[8]。無機高分子混凝劑本身存在多核羥基絡合物,它在水處理過程中能直接提供大量的多核羥基絡合物,吸附膠體微粒,通過粘附、架橋和交聯作用,促使膠體脫穩并絮凝。也就是說,無機聚合物既有吸附脫穩作用,又可發揮粘附、橋聯以及卷掃絮凝作用[9]。在“PAC+PDADMAC”復合投加中,兩者可能發生了一定的相互作用,PDADMAC對PAC中鋁的各種水解聚合形態的分布產生了一定影響,有可能提高了 PAC中最有效的聚合體成分Al13的含量[10],使混凝效果變得更強。同時在混凝過程中,PDADMAC能發揮其良好的吸附架橋作用,促使絮團增粗長大,更利于沉淀。

3 結 論

a.“PAC+PDADMAC”復合絮凝劑對冊田水庫水體中的濁度、色度、TOC具有更好的去除效果,去除率分別高達93%、90%和71%。

b.“PAC+PDADMAC”復合絮凝劑對色度、濁度的去除效果好于對TOC的去除效果。

[1]徐文霞.冊田水庫水質變化趨勢及治理措施[J].環境科學導刊,2008,27(1):50-51.

[2]田秉暉,葛小鵬,潘綱,等.PDADMAC強化絮凝去除腐殖質類天然有機污染物的研究[J].環境科學,2007,28(1):92-97.

[3]田秉暉,吳曉清,欒兆坤,等.原子力顯微鏡分析聚二甲基二烯丙基銨鹽的吸附和絮凝行為:反離子的影響[J].環境科學,2006,27(4):709-714.

[4]張躍軍,趙曉蕾,李瀟瀟,等.PDM復合混凝劑用于低溫低濁水源水處理研究:低濁度寧波姚江水處理[J].精細化工,2007,24(7):696-700.

[5]KRASNER S W,AMY G.Jar test evaluations of enhanced coagulation[J].J AWWA,1995,87(10):93-107.

[6]GIL C,PATRICK W,MATTHEW M.Enhanced coagulation:its effect onNOM removal and chemical costs[J].JAWWA 1995,87(1):78-89.

[7]BOLTO B A.Soluble polymers in water purification[J].Prog Polym Sci,1995,20:987-1041.

[8]湯鴻霄.無機高分子絮凝劑的基礎研究[J].環境化學,1990,9(3):1-12.

[9]湯鴻霄.無機高分子復合絮凝劑的研制趨向[J].中國給水排水,1999,15(2):1-4.

[10]高寶玉,王燕,岳欽艷.等.PAC與PDM復合絮凝劑中鋁的形態分布[J].中國環境科學,2002,22(5):472-476.

Study on composite flocculation of water pollutants in Cetian reservoir

JIA Da-wei1,2,ZHANG Guo-zhen1,TIAN Bing-hui2
(1.School of Municipal and Environmental Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Research Center for Eco-environmental Sciences,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100085,China)

The enhanced flocculation treatment by different composite flocculants,such as PAC+PDADMAC,PAC+PAM,PDADMAC in the Cetian reservoir was studied.The experimentswere carried out with dosing PAC+PDADMAC as the composite flocculants.TOC,color,turbidity and Zeta electric potential were used as inspecting indexes to investigate the pollutant removal in Cetian Reservoir.The results showed that the composite flocculantsPAC+PDADMAC had better removal effect than others.Removal rates of turbidity,color and TOC were high up to 93%,90%and 71%,respectively.

organic pollutants;enhanced flocculation;PDADMAC;poly aluminium chloride;polyacryamide

TU991.22

B

1004-6933(2011)03-0058-03

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.014

國家高技術研究發展計劃(2008AA06Z301);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2008ZX07314-001-09,2008ZX07209-010)

賈大偉(1983—),男,河南開封人,碩士研究生,研究方向為水處理。E-mail:jdwgyh@126.com

(收稿日期:2010-04-01 編輯:高渭文)