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        辣木籽粕粗提液對水中濁度及水質(zhì)的影響

        2014-04-14 07:54:40帖靖璽邵天元王艷錦
        關(guān)鍵詞:辣木提液原水

        帖靖璽,邵天元,田 欣,王艷錦

        (1.華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,河南 鄭州450011;2.商丘市環(huán)境監(jiān)測站,河南商丘476000;3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南鄭州450002)

        辣木(Moringa oleifera Lam.)是辣木科辣木屬植物,是一種有獨(dú)特經(jīng)濟(jì)價(jià)值的熱帶植物.辣木籽富含維生素、蛋白質(zhì),微量元素以及油類,是一種營養(yǎng)豐富的食物[1,2].辣木籽含有高活性的凈水成分,這些凈水成分具有天然、無毒等特點(diǎn),能有效地去除濁度,同時(shí)對水中的微生物,以及鎘、鉻和鎳等重金屬也有良好的去除效果[3~5].目前,以辣木籽作為凈水劑的操作方式主要有2種.一是采用一定的技術(shù)手段,將辣木籽中的有效凈水成分提取出來,然后用于水處理,但是不同的提取方法得到的有效凈水成分不同,而且現(xiàn)有的提取方法過于復(fù)雜,還都處于試驗(yàn)室研究階段,無法大規(guī)模推廣[6,7];二是直接將辣木籽或者辣木籽粕粉碎,加水浸提其中的有效凈水成分,然后將浸提液用于水處理[8].目前,因辣木籽成分極其復(fù)雜,現(xiàn)有的研究通常著重考慮浸提液對目標(biāo)物質(zhì)的去除效果,而忽略了辣木籽對水質(zhì)可能造成的影響[9~13],這些影響會限制其在水質(zhì)凈化工程方面的應(yīng)用.由于辣木籽能去除水中多種污染物,本研究選擇水中的濁度為研究對象,考察不同用量的粗提液對濁度的去除效果,以及粗提液的用量對水質(zhì)產(chǎn)生的影響,以期對辣木籽粗提液作為凈水劑的應(yīng)用提供參考.

        1 材料與方法

        1.1 模擬濁度水的制備

        將10 g高嶺土加入100 mL蒸餾水中,在濕式球磨機(jī)中研磨20 min,研磨漿液過200目篩后定容至1 000 mL,陳化24 h備用.試試驗(yàn)時(shí),采用蒸餾水將上述漿液稀釋至成低、中、高3種濁度,對應(yīng)的濁度分別為25,80,150 NTU.

        1.2 辣木籽粕粗提液的制備

        辣木籽粕由云南辣木種植基地提供.采用家用粉碎機(jī)將辣木籽粕粉碎,40℃烘箱中干燥48 h,取出后過100目篩.取經(jīng)上述處理的辣木籽粕粉10 g,加入50 mL蒸餾水,在磁力攪拌器上攪拌浸提10 min,接著采用4層無紡布過濾,濾液定容至500 mL,此濾液即為辣木籽粕粗提液(以下簡稱粗提液),采用該粗提液作為混凝劑進(jìn)行試驗(yàn).

        1.3 混凝試驗(yàn)

        取1 000 mL濁度為25 NTU的原水加入燒杯中,向其中加入10 mL辣木籽粕粗提液,采用六聯(lián)攪拌器快速攪拌30 s,攪拌速度200 r·min-1,接著慢速攪拌15 min,攪拌速度20 r·min-1.攪拌結(jié)束后開始計(jì)時(shí),在不同時(shí)刻采用大注射器從燒杯液面下2 cm取樣,測定取樣中的濁度,CODMn和硝態(tài)氮,以考察粗提液對濁度的去除效果以及對水質(zhì)的影響.改變粗提液的用量分別為20,30,40 mL,重復(fù)上述試驗(yàn).改變初始濁度分別為80 NTU和150 NTU,并分別加入 10,20,30,40 mL 的辣木粗提液,重復(fù)上述試驗(yàn).以上每個(gè)不同的濁度均設(shè)同濁度但未投加粗提液的原水作對照試驗(yàn).

        1.4 砂濾試驗(yàn)

        在用大注射器取樣后,采用蠕動泵(天津協(xié)達(dá)偉業(yè)電子有限公司,BT-01)型)從液面下2 cm抽水,蠕動泵的出水自上而下經(jīng)沙濾柱過濾,用燒杯收集砂濾柱出水,并測定水樣的濁度,以考察砂濾對濁度的強(qiáng)化去除效果.

        濾柱采用PVA材質(zhì)的飲用水管制作,管子內(nèi)徑為3 cm,內(nèi)填經(jīng)稀鹽酸浸泡,并用自來水洗凈的石英砂.過濾裝置如圖1所示.

        圖1 過濾裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of laboratory scale sand filter

        1.5 測定指標(biāo)及方法

        濁度采用濁度儀測定(WGZ-1型數(shù)字濁度儀,上海珊科儀器廠);CODMn和硝態(tài)氮采用均按照國標(biāo)法進(jìn)行測定[14];pH值采用pH計(jì)測定(PHS-3C型,上海理達(dá)儀器廠).

        2 結(jié)果與分析

        2.1 粗提液用量對濁度去除的影響

        不同粗提液投加量對濁度去除效果的影響如圖2所示.從圖2可以看出,3組試驗(yàn)的相同之處在于,對照組的濁度都隨著試驗(yàn)的進(jìn)行緩慢下降,這是構(gòu)成水中濁度的高嶺土顆粒在重力作用下自然沉降的結(jié)果.3組試驗(yàn)的不同之處在于,對于初始濁度為25 NTU的試驗(yàn)組,當(dāng)分別投加了10,20,30,40 mL的粗提液后,沉淀30 min時(shí)水的濁度不降反升,4種用量對應(yīng)的濁度分別為44,54,38,59 NTU,這是因?yàn)榇痔嵋褐泻械睦蹦咀逊鄣奈⒓?xì)顆粒分散在水中,形成濁度.在沉淀30 min后,水的濁度開始下降,到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)(330 min),4種粗提液用量下對應(yīng)的濁度分別為 32,24,9.7 ,9.2 NTU,對照試驗(yàn)的濁度為20 NTU.對于初始濁度為80 NTU和150 NTU的2個(gè)組而言,4種粗提液用量處理下的水濁度則呈現(xiàn)出一直下降的趨勢,且在最初30 min內(nèi)下降顯著,沉淀時(shí)間為30 min時(shí),初始濁度為80 NTU組的濁度分別為28,22,19,18 NTU,初始濁度為150 NTU組的濁度分別為16.6,16.1,5.1,14 NTU.試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的 330 min,初始濁度為80 NTU的試驗(yàn)組,在4種粗提液用量下的對應(yīng)濁度分別為 14.3,12.8,12.2,11.3 NTU;初始濁度為150的試驗(yàn)組的相應(yīng)濁度分別為13.9,12.9,12.2,12.1 NTU.

        試驗(yàn)結(jié)果表明,對于試驗(yàn)設(shè)置的3種不同初始濁度的原水,粗提液用量越大,濁度去除效果越好.對于低濁度的原水,當(dāng)粗提液用量過低時(shí),其處理后的濁度可能高于原水;而對于中高濁度的原水,經(jīng)不同用量的粗提液處理后的水的濁度相差不大,而且都遠(yuǎn)低于原水濁度.

        2.2 砂濾對濁度的強(qiáng)化去除

        圖2 辣木籽粕粗提液用量對濁度去除的影響Fig.2 Effects of CEMOSM dose on turbidity removal

        從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,辣木粗提液確實(shí)能夠有效去除水中的濁度,但試驗(yàn)雖然將沉淀時(shí)間延長至330 min,單靠粗提液的絮凝沉淀作用很難將水的濁度處理到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定濁度≤3 NTU的限值[15],因此,采用輔助工藝強(qiáng)化經(jīng)粗提液處理水的殘余濁度就顯得非常必要.在地表水處理工藝中,砂濾通常用在混凝沉淀之后,用于強(qiáng)化去除水中殘留的濁度.本研究對經(jīng)過10,20,30,40 mL粗提液絮凝并沉淀后的上述3種濁度進(jìn)行了砂濾處理,濾后水的濁度如圖3所示.

        圖3 砂濾對對濁度去除的影響Fig.3 Effects of sand filtration on turbidity removal

        圖3-a顯示,對于初始濁度為25 NTU的原水,對于粗提液用量為10 mL和20 mL的試驗(yàn)組,沉淀時(shí)間為30 min時(shí),濾后水的濁度已降至3 NTU之下,而對于粗提液用量為30 mL和40 mL的試驗(yàn)組,只有當(dāng)沉淀時(shí)間延長至150 min時(shí),濾后水的濁度才降至3 NTU之下.如前所述,對于低濁度原水,投加了粗提液后其濁度會出現(xiàn)暫時(shí)的升高現(xiàn)象,對此時(shí)段內(nèi)的水樣進(jìn)行過濾,其濁度可以穿透濾柱,造成濾后水濁度超標(biāo).在試驗(yàn)條件下,對于低濁度原水,沉淀150 min后過濾,濾后水濁度方能達(dá)標(biāo).

        圖3-b和3-c表明,對于初始濁度為80 NTU和150 NTU的原水,從沉淀時(shí)間30 min開始,除少數(shù)點(diǎn)外濁度在3~5 NTU之間,其他所有點(diǎn)的濾后水的濁度都低于3 NTU.在試驗(yàn)條件下,對于中高濁度組,沉淀30 min進(jìn)行過濾,濾后水濁度即可達(dá)標(biāo).

        以上結(jié)果表明,采用粗提液作為混凝劑,采用混凝+沉淀+過濾的工藝能能夠有效地去除水中的濁度,使處理水濁度達(dá)標(biāo).

        2.3 粗提液對處理水水質(zhì)的影響

        粗提液成分非常復(fù)雜,因此在采用粗提液去除水中濁度的同時(shí),有可能會向飲用水中引入新的物質(zhì).本研究選取了CODMn和硝態(tài)氮2個(gè)指標(biāo)作為研究對象,選擇這個(gè)2個(gè)指標(biāo)是因?yàn)檫@2種物質(zhì)在粗提液中的含量都比較高,水中COD含量過高,會影響水質(zhì)的生物穩(wěn)定性,從而引起水質(zhì)腐敗,而過大量的硝態(tài)氮對人有致癌可能,且可能造成水體富營養(yǎng)化.

        對于初始濁度為25 NTU的原水,采用了10,20,30,40 mL的粗提液進(jìn)行了混凝+沉淀+砂濾的處理,對濾后水中的CODMn和硝態(tài)氮進(jìn)行了測定,其含量如圖4所示.從圖4可以看出,CODMn和硝態(tài)氮的含量都沒有出現(xiàn)明顯的隨時(shí)間下降或者上升的趨勢,但是總的來說處理水中2種物質(zhì)的含量都隨粗提液的用量加大而增加,這說明從粗提液溶入水中的物質(zhì)只和粗提液的用量有關(guān)而與反應(yīng)時(shí)間無關(guān).一旦粗提液加入水中后,粗提液不再向水中持續(xù)釋放2種物質(zhì),同時(shí)釋放進(jìn)入水中的2種物質(zhì)也不會被粗提液中的有效凈水成分去除.

        圖4 絮凝沉淀時(shí)間對濾后水水質(zhì)的影響Fig.4 Effects of settlement time on filtered water quality

        粗提液用量對濾后水質(zhì)的影響如圖5所示.從圖5可以看出,濾后水中CODMn和硝態(tài)氮的濃度都隨粗提液用量增加而升高.圖5-a表明,在試驗(yàn)設(shè)定的4組辣木粗提液用量下,水中殘留的CODMn最低為 21.5 mg·L-1,最高則為 102.7 mg·L-1.辣木籽已經(jīng)作為一種食物被廣泛使用,雖然其成分對人體無害,但是水中過高的有機(jī)物會造成微生物的大量繁殖以及水質(zhì)腐敗.因此,若以辣木籽粗提液作為凈水劑時(shí),則在混凝沉淀之后應(yīng)有合理的方法有效去除水中的有機(jī)物,這將是后續(xù)研究的重點(diǎn).

        圖5-b表明,在試驗(yàn)條件下,水中的硝態(tài)氮最低為 1.5 mg·L-1,最高為 6.6 mg·L-1.

        圖5 粗提液用量對濾后水水質(zhì)的影響Fig.5 Effects of CEMOSM dosage on filtered water quality

        3 結(jié)論

        采用無紡布過濾得到的辣木籽粕粗提液能夠有效去除水中的濁度.對于初始濁度為25 NTU的低濁度原水,在投加了粗提液后,其濁度隨沉淀時(shí)間延長而先升后降,而對于初始濁度為80 NTU和150 NTU的中、高濁度原水,其濁度則隨沉淀時(shí)間延長一直下降.粗提液對中高濁度的混凝效果好于低濁度,在試驗(yàn)結(jié)束時(shí),水中殘余的濁度都隨粗提液用量的增加而降低,對于低、中和高3種濁度原水,殘余濁度最小值分別為 9.2,11.3,12.1 NTU.砂濾能夠有效去除混凝、沉淀后水中的濁度,中、高濁度原水沉淀30 min后過濾,出水濁度低于3 NTU,而低濁度原水沉淀150 min后過濾,出水濁度才低于3 NTU.辣木籽粕粗提液會引起處理水中CODMn含量升高,本試驗(yàn)條件下最高可達(dá)102.7 mg·L-1.因此,辣木籽粗提液不適合作為大規(guī)模供水的凈水劑,適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)家用凈水,且處理水應(yīng)當(dāng)盡快使用,以防變質(zhì).而作為污水處理的藥劑時(shí),必需有后續(xù)工藝去除水中有機(jī)物,以避免直接排放對水體造成的污染.

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