張 超 武福平 張國珍 劉 萌 楊 浩

(蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，寒旱地區(qū)水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730070)

強(qiáng)化混凝法處理微污染窖水的試驗(yàn)研究*

張 超 武福平#張國珍 劉 萌 楊 浩

(蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，寒旱地區(qū)水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730070)

研究了使用單混凝劑聚合氯化鋁(PAC)混凝、助凝劑陰離子型聚丙烯酰胺(APAM)-PAC復(fù)配混凝和粉末活性炭聯(lián)合APAM-PAC強(qiáng)化混凝對(duì)窖水的處理效果。結(jié)果表明，在PAC質(zhì)量濃度為15.0mg/L，APAM質(zhì)量濃度為0.15mg/L，粉末活性炭投加量為20mg/L的強(qiáng)化混凝條件下，微污染窖水中的UV254、COD和濁度的去除率可分別達(dá)到66%、54%、97%。APAM對(duì)有機(jī)物的去除效果提升沒有分子量選擇性，而粉末活性炭對(duì)小分子有機(jī)物的去除效果更為明顯。

窖水 強(qiáng)化混凝 粉末活性炭 有機(jī)物分子量

為解決干旱半干旱地區(qū)嚴(yán)重的缺水問題，甘肅省實(shí)施了“121”雨水集流工程，窖水是當(dāng)?shù)剞r(nóng)村最主要的飲用水水源。然而由于受農(nóng)藥和化肥的使用、畜禽養(yǎng)殖廢水的排放等影響，加上經(jīng)濟(jì)條件的制約[1]，窖水水質(zhì)長(zhǎng)期存在著微污染問題，主要是腐殖質(zhì)類有機(jī)物得不到有效去除[2-3]。無機(jī)高分子混凝劑如聚合氯化鋁(PAC)等具有高效的混凝作用[4]，絮體顆粒大，沉降速度快。陰離子型聚丙烯酰胺(APAM)是一類高分子助凝劑，能對(duì)懸浮粒子起架橋聯(lián)接作用，也可單獨(dú)作為混凝劑使用，具有成本低、對(duì)pH的適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)[5]，APAM-PAC復(fù)配使用有著極強(qiáng)的混凝效果[6]?？紤]到窖水中分子量小于5 000 u的小分子有機(jī)物約占有機(jī)物總質(zhì)量的40%，故添加粉末活性炭以增強(qiáng)小分子有機(jī)物的去除效果[7]。

本研究采用粉末活性炭聯(lián)合APAM-PAC強(qiáng)化混凝的方法，對(duì)西北干旱半干旱地區(qū)微污染窖水進(jìn)行處理，重點(diǎn)考察了混凝劑PAC、助凝劑APAM和粉末活性炭對(duì)窖水中有機(jī)物的處理效果。

1 材料與方法

1.1 水樣采集

窖水水樣采自甘肅省會(huì)寧縣會(huì)師鎮(zhèn)某農(nóng)戶家中，該窖水集雨面為石棉瓦屋頂和水泥地面，水窖類型為水泥窖，具有代表性。窖水原水主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 原水水質(zhì)

1.2 混凝試驗(yàn)

(1) 單混凝劑PAC混凝：取6個(gè)1 L的燒杯分別加入600 mL窖水水樣，投加不同濃度的PAC，先以200 r/min的攪拌速率攪拌2 min，再以50 r/min的攪拌速率攪拌20 min，靜置沉淀15 min后于液面下1 cm處取樣測(cè)定UV254、COD和濁度。

(2) APAM-PAC復(fù)配混凝：在混凝試驗(yàn)(1)的基礎(chǔ)上，固定PAC質(zhì)量濃度為15.0 mg/L，以200 r/min攪拌2 min后，投加不同濃度的APAM，以200 r/min攪拌2 min，后續(xù)步驟同混凝試驗(yàn)(1)。

(3) 粉末活性炭聯(lián)合APAM-PAC強(qiáng)化混凝：在混凝試驗(yàn)(2)的基礎(chǔ)上，固定PAC質(zhì)量濃度為15.0 mg/L、APAM質(zhì)量濃度為0.15 mg/L，在投加APAM并以200 r/min攪拌2 min后，再投加不同量的粉末活性炭，以200 r/min攪拌2 min，后續(xù)步驟同混凝試驗(yàn)(2)。

1.3 分析方法

COD測(cè)定采用《紡織染整助劑 化學(xué)需氧量(COD)的測(cè)定》(GB/T 29599—2013)；UV254采用紫外分光光度法測(cè)定；有機(jī)物分子量分布采用超濾膜法測(cè)定[8]；pH使用PHS-3C酸度計(jì)測(cè)定；濁度采用HACH2100P便攜式濁度儀測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 單混凝劑PAC混凝對(duì)窖水的處理效果

單混凝劑PAC混凝對(duì)窖水水質(zhì)的影響如圖1所示。在PAC質(zhì)量濃度為2.5～15.0 mg/L時(shí)，隨著PAC濃度的增加，COD和UV254的去除率持續(xù)上升，而當(dāng)PAC質(zhì)量濃度大于15.0 mg/L時(shí)，COD和UV254的去除率反而出現(xiàn)下降。這是因?yàn)镻AC具有極強(qiáng)的吸附架橋作用[9]，適量的PAC可以形成無定形Al(OH)3，其網(wǎng)捕卷掃作用使溶液中有機(jī)物得以去除；而過量投加PAC會(huì)使有機(jī)物去除率下降是因?yàn)楫?dāng)PAC達(dá)到一定濃度后，已被電中和的膠粒又因吸附作用而帶正電，且部分膠粒被包卷而復(fù)穩(wěn)[10]，使得PAC的有效利用率降低，弱化了混凝作用，有機(jī)物的去除效果趨于平緩甚至下降。在PAC質(zhì)量濃度為15.0 mg/L時(shí)，濁度的去除率也達(dá)到了最大值(81%)。因此，混凝劑PAC質(zhì)量濃度宜為15.0 mg/L。

圖1 PAC對(duì)窖水的處理效果Fig.1 Effect of PAC on treatment of cellar water

從圖1可見，UV254的去除率比COD高。這是因?yàn)閁V254主要表征的是不飽和鍵的腐殖質(zhì)類有機(jī)物，電負(fù)性較強(qiáng)，PAC對(duì)這些物質(zhì)有較好的去除效果；而COD是可被高錳酸鹽氧化的有機(jī)物，并不一定能被PAC混凝去除。但總的來說，有機(jī)物的去除效果并不理想，UV254的最大去除率還不到50%。這是因?yàn)閱为?dú)使用PAC混凝所能去除的主要是一些懸浮顆粒物和大分子的電負(fù)性有機(jī)物[11]。圖2對(duì)比了原水與單混凝劑PAC混凝對(duì)不同有機(jī)物分子量分布區(qū)間的處理效果。原水的有機(jī)物分子量分布主要集中在<3 000 u和≥100 000 u的區(qū)間內(nèi)，小分子量的有機(jī)物所占比例很大。

圖2 PAC對(duì)不同有機(jī)物分子量分布區(qū)間的處理效果Fig.2 Effect of PAC on treatmemt of organic matter with different molecular weight distribution

2.2 APAM-PAC復(fù)配混凝對(duì)窖水的處理效果

APAM與PAC復(fù)配使用可產(chǎn)生強(qiáng)大的吸附架橋作用，增強(qiáng)絮體的沉降性。試驗(yàn)研究了APAM-PAC復(fù)配混凝對(duì)窖水水質(zhì)的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，APAM-PAC復(fù)配混凝對(duì)UV254、COD、濁度的去除率較單混凝劑均有提升。在APAM質(zhì)量濃度為0～1.00 mg/L時(shí)，隨著APAM濃度的增加，UV254和COD的去除率先上升后下降，在APAM質(zhì)量濃度為0.15 mg/L時(shí)達(dá)到最大。APAM在中性至弱堿性環(huán)境中可發(fā)揮最佳助凝效果[12]；有機(jī)物與PAC作用形成小顆粒絮體后，APAM的有效官能團(tuán)及丙烯酰胺鏈節(jié)能將這些絮體吸附并橋聯(lián)成更密實(shí)的絮體顆粒物而沉降[13]。但當(dāng)APAM投加過量后，高分子助凝劑的長(zhǎng)鏈將包裹小顆粒絮體，難以發(fā)生架橋作用，降低對(duì)有機(jī)物的吸附，形成“膠體保護(hù)”現(xiàn)象，使得出水的有機(jī)物去除率反而下降。故APAM質(zhì)量濃度確定為0.15 mg/L。

圖3 APAM對(duì)窖水的處理效果Fig.3 Effect of APAM on treatment of cellar water

圖4對(duì)比了單混凝劑PAC混凝與APAM-PAC復(fù)配混凝對(duì)不同有機(jī)物分子量分布區(qū)間的處理效果。助凝劑APAM對(duì)不同有機(jī)物分子量分布區(qū)間基本都有一定的去除作用。這是由于長(zhǎng)鏈狀的高分子APAM具有極強(qiáng)的吸附架橋作用，能使混凝產(chǎn)生的絮體更大更密實(shí)，對(duì)分子量沒有選擇性。

圖4 APAM對(duì)不同有機(jī)物分子量分布區(qū)間的處理效果Fig.4 Effect of APAM on treatment of organic matter with different molecular weight distribution

2.3 粉末活性炭聯(lián)合APAM-PAC強(qiáng)化混凝對(duì)窖水的處理效果

粉末活性炭能進(jìn)一步去除小分子有機(jī)物。試驗(yàn)研究了粉末活性炭的投加量對(duì)窖水水質(zhì)的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，隨著粉末活性炭投加量的增加，UV254、COD、濁度的去除率不斷提升。當(dāng)粉末活性炭投加量達(dá)到20 mg/L時(shí)，繼續(xù)增加其投加量，對(duì)UV254、COD、濁度的去除率提升影響不大，甚至反而出現(xiàn)下降。粉末活性炭進(jìn)一步去除小分子有機(jī)物主要是因?yàn)槠浔砻嬉晕⒖捉Y(jié)構(gòu)為主，比表面積、微孔容積都比較大[14]。粉末活性炭聯(lián)合APAM-PAC強(qiáng)化混凝時(shí)，既要保證粉末活性炭不被混凝產(chǎn)生的絮體包裹，又要與窖水有足夠的接觸時(shí)間，因此選擇在投加APAM且以200 r/min攪拌2 min后再投加粉末活性炭，充分發(fā)揮其吸附小分子有機(jī)物的作用[15]。但是過量的粉末活性炭也會(huì)產(chǎn)生“膠體保護(hù)”的現(xiàn)象。綜合考慮UV254、COD、濁度的去除率盡可能大，粉末活性炭的投加量盡可能少，最終確定粉末活性炭投加量為20 mg/L。此時(shí)，UV254、COD和濁度的去除率可分別達(dá)到66%、54%、97%。

圖5 粉末活性炭對(duì)窖水的處理效果Fig.5 Effect of powdered activated carbon on treatment of cellar water

圖6對(duì)比了APAM-PAC復(fù)配混凝與粉末活性炭聯(lián)合APAM-PAC強(qiáng)化混凝對(duì)有機(jī)物分子量分布區(qū)間的處理效果。微污染窖水在經(jīng)過粉末活性炭的強(qiáng)化處理后，出水有機(jī)物得到了進(jìn)一步降低，尤其是小分子有機(jī)物。

圖6 粉末活性炭對(duì)不同有機(jī)物分子量分布區(qū)間的處理效果Fig.6 Effect of powdered activated carbon on treatment of organic matter with dfferent molecular weight distribution

3 結(jié) 論

與單混凝劑PAC混凝相比，APAM-PAC復(fù)配混凝處理窖水對(duì)UV254、COD和濁度的去除率均有明顯提升，助凝劑APAM對(duì)不同分子量分布區(qū)間的有機(jī)物去除效果沒有選擇性。粉末活性炭聯(lián)合APAM-PAC強(qiáng)化混凝處理窖水，可進(jìn)一步提高UV254、COD和濁度的去除率，但粉末活性炭主要對(duì)小分子有機(jī)物去除率較高。

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Studyontreatmentofmicro-pollutedcellarwaterbyenhancedcoagulation

ZHANGChao,WUFuping,ZHANGGuozhen,LIUMeng,YANGHao.

(EngineeringResearchCenterofIntegratedAvailability,MinistryofEducation,SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,LanzhouGansu730070)

Polyaluminum chloride (PAC) coagulation, PAC coagulation with anionic polyacrylamide (APAM) and powdered activated carbon enhanced PAC coagulation with APAM were compared. Results indicated that when PAC mass concentration was 15.0 mg/L,APAM mass concentration was 0.15 mg/L and powdered activated carbon dosage was 20 mg/L,the removal rate of UV254,COD and turbidity reached 66%,54% and 97%,respectively. APAM had molecular weight selectivity when eliminating organic matters,while powder activated carbon not.

cellar water; enhanced coagulation; powdered activated carbon; molecular weight of organic matter

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.02.003

2016-03-04)

張 超，男，1988年生，碩士研究生，研究方向?yàn)樗幚砑夹g(shù)與應(yīng)用。#

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*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51068014、No.51468033)；甘肅省建設(shè)廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(No.JK2010-26)；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(No.IRT0966)。