黃曼君,李明玉,任 剛,曹 剛,宋 琳 (1.暨南大學環境工程系,廣東 廣州 510630；2.暨南大學水處理工程研究中心,廣東 廣州 510630)

PFS-PDM復合混凝劑對微污染河水的強化混凝處理

黃曼君,李明玉*,任 剛,曹 剛,宋 琳 (1.暨南大學環境工程系,廣東 廣州 510630；2.暨南大學水處理工程研究中心,廣東 廣州 510630)

用聚合硫酸鐵(PFS)和聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDM)制備了復合混凝劑—聚合硫酸鐵-聚二甲基二烯丙基氯化銨(PFS-PDM),并對微污染的流溪河水源水進行了強化混凝處理,對比分析了復合混凝劑與PFS2種處理的混凝效果.結果表明,與單獨用PFS相比,用復合混凝劑處理冬季微污染流溪河水源水時,其對濁度、UV254及藻類去除能力更強;當投加量為3mg/L(以Fe計)時,PFS-PDM復合混凝劑的去濁率、除藻率和UV254去除率,分別提高22.1%、19.5%、14.9%,表現出優良的強化混凝效果.

PFS-PDM復合混凝劑；微污染水源水；濁度；藻類；UV254

流溪河是廣州市重要的水源地之一.隨著工農業發展及城市化進程的加快,流溪河受到了一定程度的污染.在秋冬季少雨季節,流溪河水量減少,水體污染相對較重.同時因冬季水溫低和濁度低,普通無機混凝劑如 PAC(聚合氯化鋁)和PFS(聚合硫酸鐵)的混凝效果較差,對微污染原水中的有機物、藻類和懸浮物的去除效果不夠理想,從而對安全供水產生一定的影響.因此,如何基于水廠現有的常規工藝,采用強化混凝技術提高水中污染物的去除率,研究開發高效復合型混凝劑,已成為水處理材料領域內的發展方向之一[1-3].

目前,針對有機無機復合型混凝劑的研究,多數集中在鋁鹽與有機物高分子絮凝劑的復配方面[4-7].與鋁鹽比較,鐵鹽混凝劑具有混凝反應快、沉降速度快、低溫效果好、價格低廉和無毒等特點[8].但單純的無機鐵鹽混凝劑仍存在靜電中和能力弱、對膠體顆粒和溶解性有機物的吸附架橋能力較差、投藥量大和產泥量多等不足.聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDMDAAC,以下簡稱 PDM)則具有分子量高、陽離子電荷密度高、靜電中和能力和吸附架橋能力強、投加量小和產泥量少等優點.故若將PDM與聚合硫酸鐵(PFS)復合,制備成復合型混凝劑,并用于微污染水源水的凈化處理,可望達到優勢互補或協同、實現強化混凝,提供污染物去除率的目的.為此,本實驗以 PFS與PDM為主要原料,制備了PFS-PDM復合混凝劑,將其用于秋冬季廣州流溪河下游水源水的強化混凝處理.并與單獨采用PFS處理的效果進行對比,為 PFS-PDM 復合混凝劑在微污染水源水處理中的應用提供依據.

1 實驗部分

1.1 儀器與材料

主要儀器:電子恒速攪拌器、電熱恒溫水浴鍋、智能型六聯混凝攪拌機、pHS-25型pH計、GDS-3B光電式濁度儀、UV55B紫外可見分光光度計、Malvern Zetasizer Nano電位分析儀、SW-1功率調節萬用電爐.主要材料:聚合硫酸鐵(PFS,自制,含 Fe11%);聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDM,自制,溶解性固體含量40%,選取0.68 dL/g和1.4dL/g2種特征黏度).

1.2 復合混凝劑的制備

分別取200g PFS于2個500mL反應器中,加熱攪拌至50～60;℃然后,再取特性黏度為0.68dL/g和1.40dL/g的2種PDM各10g,分別加入到上述2個盛有PFS的反應器中,保溫攪拌分散至形成均相溶液,即得到 2種有機無機復合型混凝劑:PFS-PDM0.68和PFS-PDM1.40,備用.

1.3 水樣

本實驗所用的原水水樣,均于秋冬季取自廣州流溪河水下游(珠江北航道).水源水水質見表1.

表1 流溪河水的水質Table 1 Quality of Liuxi River rawwater

1.4 水的混凝處理方法

取1000 mL流溪河水樣6份,分別加入到體積為1L的 6個混凝攪拌杯中,按照設定的攪拌程序進行混凝處理(在快速攪拌過程中加混凝劑),攪拌結束后靜置沉淀 10min,并于液面下約2cm處取上清液測定濁度、UV254及藻總量等水質指標.

1.5 ζ電位的測定

取 1000mL水樣于混凝攪拌杯中,加入一定量的混凝劑后,按照 500r/min的轉速混凝攪拌lmin,然后用微量進樣器取樣注入石英檢測池中,在Malvern Zetasizer Nano電位分析儀上測定ζ電位.

2 結果與討論

2.1 不同混凝劑對去濁率的影響

為考察 PFS和 PFS-PDM0.68與 PFSPDM1.403種不同的混凝劑對流溪河微污染水源水的處理效果,將3種藥劑按不同的投加量(復合混凝劑以Fe計,PDM投量為復合混凝劑中PDM含量,下同)加入到原水中,按照1.4節中的試驗方法進行混凝處理,投藥量與去濁率之間的關系見圖1.

圖1 混凝劑投加量對去濁率的影響Fig.1 Effect of coagulants dosages on turbidity removal rates

從圖 1知,隨著 PFS、PFS-PDM1.40和PFS-PDM0.68投加量的增加,其去濁率均呈現出先升高后下降的變化趨勢.在較低投加量0.9～4.5mg/L范圍內,與單獨用 PFS相比,復合混凝劑 PFS-PDM1.40和 PFS-PDM0.68去濁率,分別提高5%～18%、5%～16%.因PDM屬陽離子高分子物質,PDM與PFS復合后,一方面PDM所帶的正電荷與PFS所帶正電荷的相互疊加,使復合混凝劑的電中和能力大大增強.這可從混凝劑投加量與ζ電位的關系曲線(圖2)中看出(流溪河水的ζ電位平均－18.7mV),在藥劑投加量相同時,用PFS-PDM1.40和PFS-PDM0.68處理后的水中顆粒物的ζ電位,明顯高于PFS處理后的ζ電位.另一方面,PDM的高分子鏈使復合混凝劑的架橋、卷掃能力也得以增強,表現為絮凝體更大、沉降速度更快.以上兩個方面的作用,使復合混凝劑的混凝去濁效果得到較大提高[9-10].

圖2 混凝劑投加量與ζ電位的關系Fig.2 zata potential changes under different dosages of coagulants.

此外,還可看出復合混凝劑的去濁率與PDM的特性黏度有關,具有較高特性黏度的 PFSPDM1.40優于 PFS-PDM0.68,因隨特性黏度增大,相對分子質量升高,吸附架橋能力增強,從而使絮凝效果變好.同時,較高特性黏度的 PDM,具有更長的分子鏈,和較多的正電荷點位,更易吸附水中膠粒和更有效地中和顆粒表面負電荷[11].

但是,當投加量超過約4.5mg/L后,2種復合混凝劑的去濁效果開始下降.這可能是由于膠體顆粒在吸附了過多的PDM之后,吸附層有助于分散,空間位阻增大,因而增大了顆粒間的排斥作用,從而使水體顆粒出了再懸浮,再穩定的現象[11].

2.2 不同混凝劑對水中UV254的去除

UV254作為 TOC和三鹵甲烷的生成潛能(THMFP)濃度的一種很好的替代參數,其測定方法具有快速、簡便的特點[12].故選取 UV254作為強化混凝的去除對象之一,研究不同混凝劑對其去除效果,實驗結果如圖3所示.從圖3可知,隨著3種混凝劑投加量的增加,UV254的去除率也隨著升高.3種混凝劑對 UV254去除的能力強弱依次為:PFS-PDM1.40＞PFS-PDM0.68＞PFS.可見,在相同投藥量下,復合混凝劑PFS-PDM對UV254的去除效果更好.UV254代表的主要是溶解性的具有不飽和結構的天然有機物和其他有機污染物的總量.這些物質所帶的官能團,電子云密度大,在水中呈較強負電性.在復合混凝劑中,具有很高陽離子度的聚陽離子PDM與PFS協同,顯著提高了復合混凝劑 PFS-PDM 及其水解產物氫氧化鐵絮體對有機物的吸附能力.有文獻報道[13],PDM能吸附對 UV254值有貢獻的高分子消毒副產物(DBPs)的前驅物.因此,復合混凝劑 PFSPDM能表現出比PFS更顯著的UV254去除效果.本實驗中,在投加量為3.0mg/L時,PFS-PDM1.40、PFS-PDM0.68和 PFS對 UV254的去除率分別為28%、15.9%和 13%.該結果與文獻[14]的報道相類似.

圖3 藥劑投加量對UV254去除率的影響Fig.3 Effect of coagulants dosages on UV254removal rates

2.3 不同混凝劑的除藻效果對比

藻類表面帶負電荷,其代謝產物會吸附在藻細胞表面,增加負電性;藻類的形狀及游動性,使其脫穩和凝聚的難度增大[15].這使得采用普通混凝劑通過混凝沉淀方法去除微污染水中藻類的效果不佳.提高混凝劑對藻類細胞表面負電荷的靜電中和能力、強化凝聚和絮凝沉淀作用,是強化混凝除藻的關鍵所在.PDM與PFS復配后形成無機有機復合型混凝劑后,不僅使復合混凝劑的電中和能力顯著提高,而且也會使其對藻類的絮凝和沉降效果明顯增強.圖 4顯示了 PFS-PDM與PFS在除藻方面的對比結果.可以看出,與單獨使用PFS相比,復合混凝劑PFS-PDM對微污染流溪河水中的藻類去除率明顯提高.另外,與圖 1相比較,除藻率與去濁率呈正相關性,這說明在流溪河水中,由藻類產生的濁度在原水濁度中占較大比例,當通過強化混凝去除藻類時,相應的余濁也隨之下降.當加藥量控制為 3.6mg/L時,3種混凝劑的除藻率分別為 91.2%、81.3%、69.1%,PFS-PDM比PFS除藻率提12.2%～22.1%.

圖4 投加量對藻類去除率的影響Fig.4 Effect of coagulants dosages on algae removal rates

2.4 復合混凝劑絮凝沉降性能及其絮體特性

圖5為在混凝劑投量為3.6mg/L時,除濁率與靜置沉淀時間之間的關系.由圖5可知,在相同的沉淀時間下,2種復合混凝劑的除濁率明顯好于 PFS,其中特性黏度高的 PFS-PDM1.40,除濁效果較好.另外,從實驗現象可以觀察到,PFS形成的絮體比較細小、沉降慢,PFS-PDM形成的絮體不僅粗大密實,而且絮體沉降速度快、沉渣量少.

2.5 初始 pH值對復合藥劑除濁和去除 UV254的影響

水的初始pH值會影響混凝劑的水解速度和形態轉化,從而影響到對濁度和 UV254的去除效果.在3種混凝劑的投藥量均為2.4mg/L的條件下,pH值與去濁率之間的關系如圖6所示.

圖5 不同沉淀時間下的濁度去除率Fig.5 Effect of setting time on turbidity removal rates rates

圖6 pH值對去濁率的影響Fig.6 Effect of coagulants on turbidity removal rates at different pH

由圖6知,當pH值在5～9的范圍內遞增時,3種混凝劑對濁度的去除率,均呈先下降后升高的變化趨勢,且復合混凝劑 PFS-PDM 的去濁效果明顯優于PFS.該結果與圖7中用3種混凝劑處理后水中微粒的ζ電位變化,基本保持一致.這表明 PFS-PDM 優良的靜電中和能力是其去濁效果優于PFS的關鍵.同時,在PFS-PDM中,高分子PDM還具有較好的吸附、架橋、卷掃和絮凝能力,這也是PFS-PDM優于PFS的重要原因之一.由圖6還可以看出,在pH值為5～6的弱酸性范圍內,幾種混凝劑均表現出相對較好的除濁效果.這與文獻[16]報道的用鐵鹽混凝處理微污染流溪河水時的結果相類似.

圖7 不同pH值下水體的ζ電位Fig.7 Effect of pH on zeta potential

另外,pH值對水中UV254的去除也影響較大,其結果如圖8所示.當pH值在5～9范圍內遞增時,UV254去除率由高到低不斷下降,其中 PFS對UV254去除率降幅更大.但在pH值為5～6時,PFS和2種PFS-PDM對UV254的去除率差別很小,且去除率均較高.

圖8 pH值對UV254去除效果的影響Fig.8 Effects of pH on tubidity removal rates of UV254

pH值對水中UV254的去除率高低,不僅與混凝劑的種類有關,而且也與水質特性有關.UV254作為水中可溶性有機物的替代參數,若要通過強化混凝將其去除,一是利用混凝劑水解后產生的具有很大比表面積的氫氧化物絮體將其吸附;二是通過改變水中有機物的形態結構和帶電特性,使其轉化為易被混凝沉淀的形態.在pH值為5～6的弱酸性環境下,流溪河水中有機物的質子化程度增加,這一形態結構上的轉化,增加了有機物的憎水性,有利于混凝劑對其電性中和與吸附共沉淀.而在堿性條件下,水中的腐殖酸等天然有機物和帶羧基的其他有機污染物被轉化為有機鹽,其水溶性和親水性顯著提高,難以通過混凝沉淀進行去除.可見,為了提高微污染流溪河水中UV254的去除率,減少氯化消毒副產物的產生量,在條件允許時,應考慮在適當低的 pH值下,通過強化混凝進行處理.同時,也利于濁度和藻類的去除[16].這對于提高供水水質,具有實際意義.

3 結論

3.1 與PFS相比,PFS-PDM復合混凝劑對流溪河水的除濁、除藻及 UV254的去除,具有更好的效果.PDM具有的陽離子與PFS協同后所產生的靜電中和能力、良好的架橋、卷掃和吸附能力,是 PFS-PDM 強化混凝能力強的關鍵所在.采用較高特性黏度 PDM1.40所得的復合混凝劑 PFSPDM1.40性能更優.

3.2 PFS-PDM 復合混凝劑不僅有較好的強化混凝效果,而且所形成的絮凝體大、密實、沉降速度快、污泥產生量較少.

3.3 水的pH值對PFS和PFS-PDM處理微污染流溪河水有顯著的影響.在pH值為5～6時,濁度、UV254的去除率最高.復合混凝劑投藥量僅為

2.4 mg/L時,濁度、UV254去除率最高達95.7%、50.9%.低pH值環境有利于水中污染物的強化混凝去除.

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Enhanced coagulation treatment of micro-polluted Liuxi River water with the composite coagulant of PFS-PDM.

HUANG Man-jun, LI Ming-yu*, REN-Gang, CAO Gang, SONG Lin (1.Department of Environmental Engineering, Jinan University, Guangzhou 510630, China；2.Development Center of Water Treatment Technology, Jinan University,Guangzhou 510630, China). China Environmental Science, 2011,31(3)：384～389

The composite coagulant of PFS-PDM —was prepared by polyferric sulfate and poly(dimethyldiallylammonium chloride). The enhanced coagulation treatment of micro-pollution Liuxi River water was studied with the composite coagulant of PFS-PDM. The treatment efficiency of the Liuxi River water with PFS and PFS-PDM were compared and analyzed. The experimental results showed that the removal efficiency of turbidity, UV254,and algae from micro-polluted source water by the composite coagulant was higher than PFS. The removal efficiency of turbidity, algae and UV254increased by 22.1%、19.5% and 14.9% respectively when PFS-PDM dosage was 3mg/L. The composite coagulant showed better enhanced coagulation performance.

composite flocculant；micro-polluted source water；turbidity；algae；UV254

X703.5

A

1000-6923(2011)03-0384-06

2010-07-28

廣州市科技計劃項目(2010Z1-E141);廣東省科技計劃項目(2008A030202010);廣東高校水處理材料產學研示范基地項目

* 責任作者, 教授, tlimy@jnu.edu.cn

黃曼君(1983-),女,湖南邵陽人,暨南大學碩士研究生,主要從事水處理工程與技術、水處理藥劑研究與應用等工作.