強化混凝應用于黑臭水體預處理的研究

曹志剛++魏祥甲

摘要：采用強化混凝方法處理河道黑臭水體，并對其處理效果進行了考察，對強化混凝實驗的各項參數如初始pH值、混凝劑投加量、助凝劑投加量等進行了優化，結果顯示，最優實驗條件如下：反應初始pH值為8.03，最佳混凝劑為聚合硫酸氯化鋁且其最佳投加濃度為500 mg/L，最佳助凝劑為Poten1369且其最佳投加量為2.0 mg/L，混凝后出水的化學需氧量（CODCr）、濁度、總有機碳（TOC）和色度分別降為43.7 mg/L、1.47 NTU、12.72 mg/L和16倍，其相應的去除率分別達到81.05%、98.05% 、71.52%和98.00%。由實驗結果可知，強化混凝對河道黑臭水體的預處理具有良好效果。

關鍵詞：黑臭水體；強化混凝；絮凝劑；復配藥劑；環境工程

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）12007504

1引言

隨著經濟的發展，城市水系生態環境出現了諸多問題。由于某些地區的工業企業亂排亂放現象十分嚴重，當地河道水域水質日益惡化，形成了大面積的黑臭水體，對環境也造成嚴重的不良影響。隨著“水十條”的公布，國家政策的重視以及公民環保意識的提高，對黑臭水體的治理已迫在眉睫。

國內外研究表明，目前對黑臭水體治理的物理方法主要有人工曝氣、底泥疏浚、物理化學法或生物法處理，其中在人工曝氣技術的研究中采用了微氣泡或低強度曝氣法[1～3]，底泥疏浚的技術主要是將河道底泥挖出進行固定化處理[4，5]；物理化學法主要采用化學強化混凝[6～8]、Fenton試劑氧化[9]等，生物法主要包括生物膜法[10，11]、微生物強化技術[12，13]和曝氣生物濾池[14，15]。

本文通過采用強化混凝的方法對某黑臭水體進行預處理，通過優化混凝反應的各項參數，使黑臭水體的CODCr、TOC、濁度及色度等指標值也得到有效降低。

2實驗部分

2.1主要儀器和試劑

實驗所用儀器主要有：上海雷磁PHS-3C精密pH計、承德華通CTL-12A CODCr速測儀、德國耶拿multi-N/C測試儀、美國哈希1900C便攜式濁度儀、德國耶拿SPECORD 200/PLUS光譜掃描儀、金壇瑞華SHZ-82A恒溫振蕩器。

實驗所用的藥劑氫氧化鈉、硫酸為分析純，聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鐵（PFS）、聚合硫酸氯化鋁（PASC）、聚合氯化鋁鐵（PAFC）、聚合硅酸鋁鐵（PAFS）為工業級，博天環境研發的專有陰離子PAM助凝藥劑Poten1366、Poten1367、Poten1368、Poten1369、Poten1370 （其分子量分別為1200萬、1400萬、1600萬、1800萬和2000萬）。

2.2分析方法

CODCr采用《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鉀法》（GB 11914-89）測定；色度采用《水質 色度的測定 稀釋倍數法》（GB 11903-89）測定； pH值采用《水質 pH值的測定 玻璃電極法》（GB 6920-86）測定；TOC采用《水質 總有機碳（TOC）的測定 非色散紅外線吸收法》（GB 13193-91）測定 ；色度采用《水質 色度的測定》（GB 11903-89）中的稀釋倍數法測定；濁度采用1900C便攜式濁度儀測定。

2.3廢水水質

實驗所需廢水于某市黑臭河道內采取，現取現用，初始水質指標如表1所示。

表1某黑臭水體廢水水質指標

指標CODCr/（mg/L）pH值SS/（mg/L）濁度/NTU色度/倍

數值230.78.03137575.3800

2.4實驗方法

設置恒溫水浴振蕩器溫度為20℃，取水樣100 mL分別置于于150 mL錐形瓶中，調節廢水pH值并分別加入混凝藥劑，將錐形瓶至于振蕩器中，在轉速200～250 r/min下快速振蕩30 s，然后再在轉速60～80 r/min轉速下震蕩30 min，將反應后水樣倒入量筒中靜置30 min，取液面下2～3 cm處上清液測定CODCr、濁度、TOC等水質指標，評價水質分析結果。

3實驗結果與分析

3.1混凝劑種類對污水混凝處理效果的影響

固定廢水初始pH值為8.03，分別采用PAC、PFS、PAFC、PASC和PAFS作為混凝劑，各混凝劑的投加濃度為500 mg/L，按照前文中的實驗方法反應后，檢測出水CODCr、濁度、TOC等指標并計算其去除率，評價得出具有最佳處理效果的混凝劑，實驗結果如圖1所示。

當單獨采用PAC、PAFC和PASC分別用于混凝反應時，廢水的CODCr去除率分別為70.03%、69.08%和71.12%，濁度去除率分別為96.51%、96.51%和97.60%；采用PFS和PSAF時，CODCr去除率分別為54.68%和51.69%，濁度去除率分別為72.11%和78.35%，均較低。當采用PASC 作為混凝劑時，廢水的TOC去除率達到47.63%，明顯高于采用其他幾種混凝劑的處理效果。通過數據分析還可以看出，鋁鹽高分子混凝劑的處理效果明顯優于鐵鹽高分子絮凝劑。因此選擇PASC作為最佳混凝劑，并在后續的實驗條件考察中使用。

3.2初始pH值對污水混凝處理效果的影響

采用PASC作為混凝劑，固定其投加濃度為500 mg/L，調節污水初始pH值分別為6.03、6.52、7.05、7.55、8.03、8.48，按照文中的實驗方法反應后，檢測出水CODCr、濁度、TOC等指標并計算其去除率，評價得出具有最佳混凝效果的初始pH值，實驗結果如圖2所示。

由圖2可知，隨初始pH值的改變，污水混凝處理效果也發生改變。從處理效果來看，隨pH值升高，污水的濁度去除率升高，當pH值在6.5以上時，污水濁度去除率達到91.47%以上，且升高的趨勢變緩，當pH值達到8.5時，濁度去除率有下降的趨勢。污水的CODCr去除率隨pH值變化不明顯，在66%～69%范圍內波動，污水的TOC去除率隨pH值升高有逐漸上升的趨勢，并在pH值為8.03左右達到最大值54.69%。

pH值是混凝反應的重要參數之一，決定著水體酸堿性及其中固體顆粒物表面的酸堿特性，從而影響混凝劑的形態分布與轉化[16]。由圖2中曲線趨勢可得，在本實驗體系中酸度、堿度太大均會改變體系中膠體或微粒的表面電位，從而使其分散不易凝聚，造成出水水質濁度上升，因此選擇進行混凝反應的最佳初始pH值為8.03。

3.3PASC投加濃度對污水混凝處理效果的影響

固定污水的pH值為8.03，采用PASC作為混凝劑，改變PASC的投加濃度分別為200、300、400、500、600和700 mg/L，按照文中的實驗方法進行反應，檢測出水CODCr、濁度、TOC等指標，評價得出具有最佳混凝效果的PASC投加濃度，實驗結果如圖3所示。

由圖3可知，隨PASC投加濃度的增加，污水的濁度和CODCr去除率均有上升趨勢。當PASC投加濃度大于300 mg/L時，污水的濁度去除率達到93.98%以上，同時上升趨勢變緩。當PASC投加濃度達到500 mg/L時，污水的CODCr去除率為71.12%，繼續提高投加濃度，CODCr的去除率變化不明顯。污水的TOC去除率隨PASC投加濃度的增加逐漸上升，當PASC投加濃度達到400 mg/L時，TOC去除率為53.92%，繼續提高PASC投加濃度，TOC去除率變化不明顯。這是由于混凝劑在反應過程中起到電性中和和壓縮雙電層的作用，PASC投加后，膠體或微粒表面的雙電層被壓縮，電位降低，膠體之間的斥力減小，其相互碰撞的幾率增加，有利于廢水中污染物膠體或微粒的凝聚絮凝，當投加絮凝劑過量時，由于廢水中的膠體顆粒物的減少，水質污染物去除率提高不明顯。

綜合考慮各分析指標去除率的變化和經濟效益，選擇污水進行混凝反應時的PASC最佳投加濃度為500 mg/L。

3.4助凝劑種類對污水強化混凝處理效果的影響

固定污水初始pH值為8.03，PASC的投加濃度為500 mg/L，分別采用分子量為1200萬、1400萬、1600萬、1800萬和2000萬的陰離子PAM對其進行強化混凝反應。在PASC投加完成快速振蕩30 s后，分別加入不同分子量的助凝劑0.5 mg/L，然后按照文中的實驗方法進行反應，檢測出水CODCr、濁度、TOC等指標，考察不同分子量的助凝劑與PASC復配后對污水的強化混凝處理效果，評價得出具有最佳強化混凝效果的助凝劑，實驗結果如圖4所示。

由圖4可知，隨助凝劑分子量增加，污水的濁度去除率未有太大變化，而CODCr去除率隨助凝劑分子量增加，略有上升。當選擇助凝劑為Poten1369，分子量為1800萬時，CODCr和TOC的去除率最高，分別為75.11%和55.00%。當助凝劑分子量達到2000萬時，廢水CODCr、TOC和濁度去除率指標均下降。這是因為隨著助凝劑分子量的增大，助凝劑分子鏈節上的有效官能團增多，對懸浮微粒的凝聚率也增加，對廢水中有機、無機分子的吸附效果也相應提高。但當助凝劑分子量達到一定水平時，其在溶液中往往不易伸展，反而降低了有效官能團與溶液中膠體微粒的接觸幾率，從而降低了廢水出水污染物的去除率。

所以綜合各指標去除率分析，采用Poten1369作為最佳混凝助凝劑，并用于后續實驗因素的考察。

3.5助凝劑Potenflo1369投加量對污水混凝預處理效果的影響

固定污水初始pH值為8.03，PASC的投加濃度為500 mg/L，在投加PASC并快速振蕩30 s后，投加助凝劑Poten1369，投加濃度分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mg/L，按照文中的實驗方法進行反應，檢測出水CODCr、濁度、TOC等指標，考察與PASC復配后，助凝劑Poten1369投加濃度對污水的強化混凝處理效果的影響，實驗結果如圖5所示。

由圖5可知，隨Poten1369投加濃度的增加，濁度去除率緩慢增加；CODCr去除率呈先增加后降低趨勢，并在Poten1369投加濃度為2.0 mg/L時，取得最大值81.05%；TOC去除率呈增加趨勢，當Poten1369投加濃度達到2.0 mg/L時，TOC去除率達到71.52%，且增加趨勢變緩。這是因為當廢水中助凝劑濃度升高時，助凝劑攜帶的有效官能團使廢水中懸浮微粒的凝聚效果增加，混凝過程中吸附架橋和網捕沉淀的作用增強，但當助凝劑分子投加過量時會導致廢水黏度增加，不利于混凝反應進行，且游離的助凝劑分子還會增加廢水的CODCr和TOC值。

綜合各指標去除率考慮，助凝劑Poten1369的最佳投加濃度為2.0 mg/L。

3.6河道黑臭水體處理前后的水質對比

采用強化混凝處理技術，單因素實驗考查得出的最佳條件如下：初始pH值為8.03，PASC的投加濃度為500 mg/L，助凝劑Poten1369的投加濃度為2.0 mg/L。在此條件下，目標河道黑臭污水強化混凝處理前后的水質指標對比如表2所示。

如表2可知，經過強化混凝處理后的河道黑臭廢水，CODCr達到43.7 mg/L，TOC為12.74 mg/L，濁度為1.83 NTU，總氮為57.44 mg/L，總磷為2.26 mg/L，色度為16倍。由上述實驗結果可知，強化混凝對河道黑臭污水具有良好的預處理效果。

2017年6月綠色科技第12期

4實驗結論

通過考察強化混凝預處理河道黑臭水體的試驗研究，得出以下結論。

（1） 強化混凝處理技術對河道黑臭水體的處理具有良好的預處理效果；強化混凝經優化實驗參數后處理的河道黑臭廢水，CODCr達到43.7 mg/L，TOC為12.74 mg/L，濁度為1.47 NTU，色度為16倍。

（2） 采用單一混凝劑處理河道黑臭污水時，鋁鹽類處理效果強于鐵鹽類，最佳混凝劑為PASC，反應pH值為8.03，且隨PASC投加濃度增加，處理效果有所提高。

（3） 采用有機高分子助凝劑和混凝劑PASC復配時，隨助凝劑分子量提升，助凝效果提高，分子量過高會導致助凝效果下降。

（4）該方法具有工藝簡潔、處理效率高、耐沖擊負荷等優點。

總體來說，強化混凝是一種經濟有效、適用性好的河道黑臭水體預處理方法。

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