韓國(guó)勝　吳春篤，2　蒲欣　張波

（1.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院　江蘇鎮(zhèn)江212013；　2.揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)　江蘇揚(yáng)州225009）

磁絮凝預(yù)處理景觀湖泊的補(bǔ)水試驗(yàn)研究*

韓國(guó)勝1吳春篤1，2蒲欣1張波1

（1.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院江蘇鎮(zhèn)江212013；2.揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)江蘇揚(yáng)州225009）

為了快速凈化景觀湖泊的補(bǔ)水，采用磁絮凝法對(duì)Ⅴ類(lèi)甚至劣Ⅴ類(lèi)河道水體進(jìn)行預(yù)處理，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，分析了絮凝劑（PAC）、助凝劑（PAM）以及磁鐵粉的投加量對(duì)預(yù)處理效果的影響 ，并利用正交試驗(yàn)法和多指標(biāo)綜合評(píng)分法進(jìn)一步優(yōu)化磁絮凝預(yù)處理工藝參數(shù)，結(jié)果表明最佳工藝參數(shù)為：磁鐵粉加入量100 mg/L，PAC投加量150 mg/L，PAM投加量2 mg/L。在此最佳工藝參數(shù)下，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，COD去除率達(dá)到50.39% ，TP去除率為96.65%，濁度去除率為91.59%，氨氮去除率為6.31%，除氨氮外，其他各指標(biāo)基本均能達(dá)到地表水環(huán)境Ⅲ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn) ，達(dá)到了預(yù)處理目的，為后續(xù)深度凈化減輕負(fù)荷壓力。

磁絮凝 景觀湖泊補(bǔ)水 正交試驗(yàn) 多指標(biāo)綜合評(píng)分

0　引言

隨著我國(guó)城市化速度不斷加快，城市湖泊資源的開(kāi)發(fā)利用日趨加強(qiáng)，尤其景觀湖泊的開(kāi)發(fā)建設(shè)得到了更多的關(guān)注和重視，然而景觀湖泊水體的水質(zhì)水量維持及治理一直是世界性難題。為了達(dá)到景觀效果，景觀湖泊水體經(jīng)常需要實(shí)施水量調(diào)度 ，使其能夠維持一定的景觀水位要求，而補(bǔ)充的水源大多數(shù)來(lái)自周邊河道引水。然而周邊河道水體難免存在一定的面源及點(diǎn)源污染，其水質(zhì)處于地表水環(huán)境Ⅴ類(lèi)甚至劣Ⅴ類(lèi)水平，達(dá)不到景觀水體補(bǔ)水水質(zhì)要求（地表水環(huán)境Ⅲ類(lèi)水體），需要采取預(yù)處理措施。本文采用磁絮凝法預(yù)處理景觀湖泊的補(bǔ)水，研究磁鐵粉、絮凝劑聚合氯化鋁以及助凝劑聚丙烯酰胺投加量等因素對(duì)預(yù)處理效果的影響，并利用正交試驗(yàn)方法和綜合評(píng)分法優(yōu)化磁絮凝工藝，得到最佳工藝參數(shù)，為該方法的實(shí)際應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料及儀器

試驗(yàn)原水取自某河道水體，其水質(zhì)情況為：水溫為7～15℃，COD為37.58～54.56 mg/L，氨氮為8.25～13.68 mg/L，TP為0.427～1.494 mg/L，pH為6.84～7.62，濁度基本在4.650 NTU以上。

試驗(yàn)藥劑主要包括：絮凝劑和助凝劑分別采用分析純的聚合氯化鋁（北京水碧清科技有限公司）以及陰離子聚丙烯酰胺（鴻昌凈水材料廠），配置成一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液備用；磁性鐵粉，粒度325目，其中磁性物含量≥95%，四氧化三鐵含量≥85%（湖北七八九化工有限責(zé)任公司）。

試驗(yàn)儀器主要包括：JJ-4A六聯(lián)電動(dòng)攪拌機(jī)；釹鐵硼磁鐵直徑80 mm，厚度20 mm（上海步達(dá)磁性材料）；電子天平；水質(zhì)快速測(cè)定儀（上海連華科技有限公司）等。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1單因素試驗(yàn)研究

在不改變?cè)疁囟群蚿H的情況下，取500 mL原水分別加入6組1 000 mL混凝燒杯中，投加一定量的磁鐵粉和混凝劑（PAC），快速攪拌（300 r/min）90 s，然后再投加一定量的助凝劑（PAM），慢速攪拌（70 r/min）2 min后，將燒杯置于磁鐵上部，靜置30 s，取上清液，測(cè)定上清液的COD、氨氮、TP及濁度值，并計(jì)算各指標(biāo)去除率。

1.2.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化工藝條件

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇以磁鐵粉投加量（A）、聚合氯化鋁投加量（B）、聚丙烯酰胺投加量（C）為考察因素，以COD去除率（X/%）、氨氮去除率（Y/%）、TP去除率（Z/%）和濁度去除率（P/%）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用L9（34）正交表安排試驗(yàn)，見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)因素及水平表　mg/L

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1助凝劑PAM的最佳投加量

試驗(yàn)條件：PAC投加量為200 mg/L，磁鐵粉投加量為200 mg/L，水溫12.3℃，pH=6.8。

由圖1可以看出，出水COD、TP、濁度的去除率開(kāi)始都是隨助凝劑PAM的增加而逐漸增加的，當(dāng)PAM投加量為3 mg/L時(shí)，出水各指標(biāo)的去除率達(dá)到最高，此時(shí)COD去除率為51.61%，TP去除率為97.42%，濁度去除率達(dá)100%。再增加PAM的投加量，出水各指標(biāo)的去除率都會(huì)有不同程度的下降，因?yàn)橥都恿窟^(guò)大，會(huì)引起吸附飽和，致使膠粒上形成覆蓋層，引發(fā)膠粒再穩(wěn)現(xiàn)象，反而使有機(jī)物去除效率降低。其中氨氮去除率基本在5%以下，且隨PAM投加量變化影響較小。

綜合去除效率及經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，初選PAM的最佳投加量為3 mg/L。此時(shí)COD去除率為51.61%，出水COD值為22.73 mg/L，TP去除率為97.42%，出水TP值為0.011 mg/L，濁度去除率達(dá)100%，氨氮去除率為2.90%，出水氨氮值為9.941 mg/L。

圖1　PAM投加量對(duì)絮凝效果的影響

2.2絮凝劑PAC最佳投加量

試驗(yàn)條件：PAM投加量為3 mg/L，磁鐵粉投加量為200 mg/L，水溫為11.3℃，pH=7.23。

從圖2可以看出，COD去除率開(kāi)始隨PAC的增加逐漸升高，當(dāng)PAC量超過(guò)150 mg/L時(shí)，去除率又逐漸降低。即在PAC的量為150 mg/L時(shí)，COD去除率達(dá)最高為62.85%。這是因?yàn)殡S著PAC投加量增多，則參與吸附、架橋的有機(jī)物也越多，凝聚效果也越好，故對(duì)COD的去除率越高。但當(dāng)混凝劑PAC投加量超過(guò)一定量時(shí) ，會(huì)引起吸附飽和而使膠粒產(chǎn)生再次穩(wěn)定 ，同時(shí)混凝劑分子的自身纏繞作用也會(huì)降低其吸附、架橋能力，從而使COD去除率降低。其中氨氮的去除率隨PAC的投加量的變化影響較小，且去除率非常低，基本在7%左右。TP和濁度的去除率都能達(dá)到80%以上，且數(shù)據(jù)的變化幅度不大。

圖2　PAC投加量對(duì)絮凝效果的影響

綜上所述，初選PAC的最佳投加量為1.5 mL，即150 mg/L。此時(shí)COD去除率為53.56%，出水COD值為19.70 mg/L，TP去除率為96.92%，出水TP值為0.014 mg/L，濁度去除率達(dá)90%，出水濁度值為0.465 NTU，氨氮去除率為5.45%，出水氨氮值為10.58 mg/L。

2.3磁鐵粉的最佳投加量

試驗(yàn)條件：PAC投加量為150 mg/L，PAM投加量為3 mg/L，水溫為13.6℃，pH=7.24。

由圖3可以看出，隨著鐵粉投加量的增加，COD的去除率呈先升高后降低的趨勢(shì)，在投加量為100 mg/L時(shí)，COD去除率最高達(dá)到51.73%，出水COD值為16.67 mg/L，且投加鐵粉與未投加鐵粉相比，去除率高約20%。磁鐵粉的加入，水中懸浮顆粒數(shù)量得到了增加，在快速攪拌的情況下，膠粒碰撞機(jī)率增大，且磁粉粒子產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)對(duì)帶電荷的膠粒有較強(qiáng)的吸引力，磁粉與絮凝體能夠快速結(jié)合成緊密的磁絮復(fù)合體，從而使絮體密度增加、體積減小，絮凝效果增強(qiáng)。然而當(dāng)磁鐵粉量投加過(guò)多時(shí)，多余的磁粉不再與絮凝體結(jié)合形成緊密的磁絮復(fù)合體，而是分散于水中，不僅影響絮凝劑對(duì)污染物的吸附作用，同時(shí)也會(huì)影響水體的濁度處理。由圖3可看出，TP去除率達(dá)到95%以上，且各組數(shù)據(jù)相差不大；而氨氮的去除率很低，差別也不大，總體在4.06%～8.08%，出水氨氮值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出地表水環(huán)境Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，還需要后期利用生物處理等技術(shù)進(jìn)一步降解水中氨氮，改善水質(zhì)。

因此綜合考慮各指標(biāo)的去除率、出水值以及經(jīng)濟(jì)效益的情況下，初選最佳鐵粉投加量為100 mg/L。此時(shí)COD去除率為51.73%，出水COD值為16.67 mg/L，TP去除率為95.13%，出水TP值為0.022 mg/L，濁度去除率達(dá)100%，氨氮去除率為0.45%，出水氨氮值為11.01 mg/L。

圖3　磁鐵粉投加量對(duì)絮凝效果的影響

2.4正交試驗(yàn)結(jié)果分析

按照L9（34）正交表進(jìn)行試驗(yàn)，分別測(cè)定各條件下的COD去除率（X/%）、氨氮去除率（Y/%）、TP去除率（Z/%）及濁度去除率（P/%）。采用綜合加權(quán)評(píng)分法，結(jié)合該工藝的特點(diǎn)和相關(guān)文獻(xiàn)，權(quán)衡各指標(biāo)對(duì)水體凈化效果的影響 ，設(shè)定指標(biāo)COD去除率（X/%）、氨氮去除率（Y/%）、TP去除率（Z/%）及濁度去除率（P/%）的權(quán)重系數(shù)分別為 ：0.4、0.1、0.25、0.25。根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重，計(jì)算多屬性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。即綜合評(píng)分：

OD=0.4 Xi/Xmax+0.1 Yi/Ymax+0.25 Zi/Zmax+ 0.25 Pi/Pmax

表2　正交試驗(yàn)直觀分析結(jié)果

由表2的直觀分析可以看出，正交試驗(yàn)中各因素的極差對(duì)綜合評(píng)分OD影響的主次順序依次為：PAC投加量＞磁粉投加量＞PAM投加量，再通過(guò)K1、K2、K3值確定試驗(yàn)最優(yōu)方案：A1B2C2，即磁粉投加量100 mg/L，PAC投加量150 mg/L，PAM投加量3 mg/L。

表3　方差分析結(jié)果

查表可知，F(xiàn)0.90（2，2）=9.0，F(xiàn)0.95（2，2）=19.0，F(xiàn)0.99（2，2）=99.0。通過(guò)表3方差分析可知，因子A和B在顯著水平0.05下是顯著的，因子C不顯著。由于因子A和B對(duì)綜合評(píng)分的影響是顯著的，因此選擇最佳水平組A1B2。因子C對(duì)綜合評(píng)分的影響不顯著，故可考慮經(jīng)濟(jì)方面，節(jié)約成本選擇C1。

依上述綜合分析結(jié)果，得到最終的方案為A1B2C1。即磁鐵粉投加量100 mg/L，PAC投加量150 mg/L，PAM投加量2 mg/L。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該工藝配比方案的穩(wěn)定性和可行性，依此條件進(jìn)行3組平行試驗(yàn) ，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　正交驗(yàn)證試驗(yàn)

結(jié)果表明，出水中COD、氨氮、TP、濁度值分別為：19.14 mg/L、9.538 mg/L、0.012 mg/L、0.620 NTU。去除率分別為50.39%、6.31%、97.18%、91. 59%。其出水水質(zhì)除氨氮外，其他指標(biāo)均能達(dá)到地表水環(huán)境Ⅲ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)，因此還需要后期利用生物處理等技術(shù)對(duì)水中氨氮降解 ，從而進(jìn)一步改善水質(zhì)。

3 結(jié)論

（1）本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化磁絮凝技術(shù)凈化城市景觀湖泊補(bǔ)水，結(jié)果表明影響因素的主次順序：PAC投加量＞磁粉投加量＞PAM投加量。且PAC和磁粉投加量對(duì)試驗(yàn)效果影響是顯著的，PAM投加量影響效果不顯著。

（2）利用正交試驗(yàn)方法和多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法，得到磁絮凝凈化城市景觀湖泊補(bǔ)水的最佳工藝為：磁鐵粉投加量100 mg/L，PAC投加量150 mg/L，PAM投加量2 mg/L。

（3）利用磁絮凝技術(shù)能夠快速高效凈化景觀湖泊補(bǔ)水 ，水中COD、TP、濁度等都能夠高效去除，且出水水質(zhì)可以達(dá)到地表水環(huán)境Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，然而氨氮去除率非常低，還需要后期利用生物處理等技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步水質(zhì)改善及維護(hù)。

Experimental Study on Water Supply of Landscape Lake Pretreated by Magnetic Flocculation

HAN Guosheng1WU Chundu1，2PU Xin1ZHANG Bo1
（1.School of the Environment and Safety Engineering，Jiangsu University Zhenjiang，Jiangsu 212013）

In order to rapidly purify the water supply of landscape lake，the magnetic flocculation method is used to carry out the pretreatment and design orthogonal test.The effects of the dosage of coagulant（PAC），coagulant aid（PAM）and magnetic powder on the pretreatment are analyzed.The parameters are optimized by orthogonal testmethod and multiindex comprehensive score method and the results show thatthe optimum process parameters are as follows：magnetpowder dosage 100 mg/L，PAC dosage 150 mg/L and PAM dosage 2 mg/L.Under the optimum process parameters，the experimentis carried out，in which the removal rate of COD can reach 50.39%and that of TP，turbidity and ammonia nitrogen can reach 96.65%，91.59%and 6.31%respectively，which can achieve the purpose of the pretreatment and reduce the load pressure for the follow-up depth.

magnetic flocculation water supply of landscape lake orthogonal test multi index comprehensive score method

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAC08B01），鎮(zhèn)江市社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目（SH2014014）。

韓國(guó)勝 ，男 ，碩士 ，從事水處理技術(shù)研究。

（2015-09-20）