湯 婷，鄭 恒，黃 慶，賴 涵，李亞城，周耀渝

(1.中南水務(wù)科技有限公司，湖南長沙 410000；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南長沙 410128)

近年來，湘江流域富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重，藻類時(shí)有暴發(fā)，威脅到人們的用水安全[1]。藻類暴發(fā)一方面會給水質(zhì)帶來不良影響，如釋放藻毒素、嗅味物質(zhì)、消毒副產(chǎn)物前體物等[2-3]；另一方面，還會影響水廠的正常運(yùn)行，比如干擾混凝過程，進(jìn)而堵塞或穿透濾池，增加消毒劑用量等[4-5]。因此，根據(jù)湘江水質(zhì)，探究合理有效的除藻方法成為人們的迫切需求。

針對高藻水，水廠常規(guī)的方法為使用氧化劑進(jìn)行預(yù)處理，通過滅活藻細(xì)胞達(dá)到提高混凝除藻效果的目的[6-7]。然而，這些氧化劑可能會使得藻類細(xì)胞破裂，釋放藻源有機(jī)物，造成二次污染[8-9]。相比于預(yù)氧化方法，投加助凝劑強(qiáng)化混凝是一種物理方法，不破壞藻細(xì)胞，具有更高的安全性[10]。聚二甲基二烯丙基氯化銨(polydimethyldiallyl ammonium chloride，PDM)是一種新型有機(jī)高分子助凝劑，帶有強(qiáng)陽離子基團(tuán)，通過電中和及吸附架橋作用使得水中帶負(fù)電顆粒失穩(wěn)絮凝，可直接用于飲用水處理，獲得美國食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)[11-12]。

國內(nèi)已有用無機(jī)絮凝劑和PDM聯(lián)合投加除藻的研究[13-14]，但大多僅開展混凝攪拌試驗(yàn)。考慮到水廠實(shí)際情況和混凝攪拌試驗(yàn)的差異性，本研究在混凝攪拌試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在水廠開展生產(chǎn)性試驗(yàn)，考察聚合氯化鋁(PAC)和PDM聯(lián)合投加對渾濁度、藻類、OD680(680 nm波長處的吸光值)、UV254、CODMn的去除效果，為高藻期間水廠藻類去除提供參考。

1 材料與方法

1.1 原水水質(zhì)

試驗(yàn)于2021年8月在湘江水源長沙段某水廠進(jìn)行，共運(yùn)行72 h，試驗(yàn)運(yùn)行期間具體水質(zhì)相關(guān)指標(biāo)(平均值)如表1所示。

表1 原水水質(zhì)

1.2 試驗(yàn)藥劑

PAC：液體工業(yè)品，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%；PDM：液體工業(yè)品，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 混凝攪拌試驗(yàn)方法

混凝攪拌試驗(yàn)均在六聯(lián)攪拌器(ZR4-6，深圳中潤)中進(jìn)行，每個(gè)燒杯裝液量為500 mL。步驟如下：(1)90 r/min快速攪拌10 s使水樣混合均勻；(2)添加混凝劑后，90 r/min快速攪拌3 min；(3)60 r/min慢速攪拌6 min；(4)40 r/min慢速攪拌6 min；(5)靜置30 min。靜置結(jié)束后在液面以下2 cm處取上清液分析。

1.3.2 生產(chǎn)性試驗(yàn)方法

該水廠工藝流程如圖1所示，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為20萬m3/d，分為Ⅰ期和Ⅱ期，每期處理規(guī)模為10萬m3/d，主要工藝為折板絮凝+斜管沉淀。Ⅰ期設(shè)為對照組，僅投加PAC，Ⅱ期為試驗(yàn)組，采用PAC和PDM聯(lián)合投加。PAC投加量固定為12 mg/L，試驗(yàn)組PDM的投加量設(shè)置3個(gè)質(zhì)量濃度梯度，分別為0.25、0.50、1.00 mg/L，每個(gè)濃度梯度運(yùn)行24 h，共運(yùn)行72 h。每隔4 h分別取原水、試驗(yàn)組沉淀池出水、對照組沉淀池出水，檢測藻類數(shù)量、渾濁度、UV254、OD680、CODMn。

圖1 水廠工藝流程

1.4 檢測及分析方法

藻類數(shù)量采用顯微鏡計(jì)數(shù)法，渾濁度采用哈希2100Q濁度儀測定，OD680和UV254采用紫外可見分光光度計(jì)測定(島津，UV2600)，CODMn根據(jù)《水和廢水的生物監(jiān)測方法》(第四版)相關(guān)方法進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果及分析

2.1 混凝攪拌試驗(yàn)

混凝攪拌試驗(yàn)在六聯(lián)混凝攪拌器上進(jìn)行，分別對PAC和PDM的投加量進(jìn)行了優(yōu)化，為下一步生產(chǎn)性試驗(yàn)藥劑投加量提供參考。

2.1.1 PDM投加量優(yōu)化

根據(jù)水廠的投加經(jīng)驗(yàn)，針對目前水質(zhì)情況，PAC投加量暫設(shè)定為16 mg/L，PDM設(shè)置5個(gè)質(zhì)量濃度梯度，分別為0、0.25、0.50、0.75、1.00 mg/L。比較不同PDM投加量下沉后水渾濁度、絮體大小和沉降時(shí)間。

由混凝攪拌試驗(yàn)結(jié)果可知(表2和圖2)，當(dāng)PDM投加量為0.25 mg/L時(shí)，不足以形成吸附架橋作用，形成的絮體較小。隨著PDM投加量增大，沉后水渾濁度和OD680逐漸降低，絮體粒徑逐漸變大，但當(dāng)PDM投加量大于0.50 mg/L時(shí)，渾濁度和OD680略有升高，絮體粒徑增大不明顯。這可能是因?yàn)镻DM投加過量，產(chǎn)生“膠體保護(hù)”作用[15]。因此，PDM的建議投加量為0.50 mg/L。

表2 PDM投加量優(yōu)化結(jié)果(PAC：16 mg/L)

圖2 不同PDM投加量下絮體形態(tài)

2.1.2 PAC投加量優(yōu)化

固定PDM投加量為0.50 mg/L，PAC投加量設(shè)置質(zhì)量濃度梯度為0、4、8、12、16、20 mg/L，對PAC投加量進(jìn)行優(yōu)化，考察不同PAC投加量下沉后水渾濁度、絮體大小和沉降時(shí)間。

結(jié)果如表3和圖3所示，當(dāng)PAC投加量為0～4 mg/L時(shí)，絮體粒徑非常細(xì)小，懸浮在溶液中，難以沉降，沉后水渾濁度較大。這主要是因?yàn)镻AC投加量過低時(shí)，其水解帶來的正電荷較少，電中和作用不充分，即使添加了足量的PDM，助凝效果仍然不佳。隨著PAC投加量增大，沉后水渾濁度和OD680逐漸降低，絮體粒徑逐漸增大，沉降速度加快，易形成絮團(tuán)。當(dāng)PAC投加量大于12 mg/L時(shí)，絮體粒徑增大不明顯，且渾濁度和OD680也出現(xiàn)逐漸增大的趨勢，這可能是因?yàn)槟z粒表面吸附的正電荷離子過多，電荷變號，有可能發(fā)生再穩(wěn)現(xiàn)象[16]。因此，建議PAC的投加量為12 mg/L。

表3 PAC投加量優(yōu)化結(jié)果(PDM：0.50 mg/L)

圖3 不同PAM投加量下絮體形態(tài)

以上研究結(jié)果表明，針對該水質(zhì)情況，混凝攪拌試驗(yàn)結(jié)果藥劑建議投加量為12 mg/L PAC+0.50 mg/L PDM，可以為下一步的生產(chǎn)性試驗(yàn)提供參考。

2.2 生產(chǎn)性試驗(yàn)

本研究主要探討不同PDM投加量下藻類去除情況，因此，在生產(chǎn)性試驗(yàn)中主要優(yōu)化PDM投加量，PAC投加量根據(jù)混凝攪拌試驗(yàn)和水廠投加經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為12 mg/L。根據(jù)2.1小節(jié)混凝攪拌試驗(yàn)結(jié)果，PDM的最佳投加量為0.50 mg/L，生產(chǎn)性試驗(yàn)圍繞該值設(shè)置0.25、0.50、1.00 mg/L這3個(gè)質(zhì)量濃度梯度，每個(gè)濃度梯度運(yùn)行24 h，共運(yùn)行72 h,根據(jù)1.3.2小節(jié)所述方法開展生產(chǎn)性試驗(yàn)。

2.2.1 絮體大小

分別在對照組和試驗(yàn)組反應(yīng)池末端觀察絮體形成情況，結(jié)果如圖4所示，對照組形成的絮體非常細(xì)小，大部分懸浮在水中，沉降效率較低，甚至沉淀池出水中還會有部分懸浮的絮體。試驗(yàn)組投加PDM后，在其助凝作用下形成了較大的絮團(tuán)，最大的絮體粒徑可達(dá)到1 cm，沉降速度加快。

圖4 反應(yīng)池絮體形成(12 mg/L PAC+0.50 mg/L PDM)

2.2.2 沉淀池出水

原水經(jīng)過絮凝反應(yīng)池后，進(jìn)入斜管沉淀池沉淀，分別觀察試驗(yàn)組和對照組沉淀池出水以及斜管沉淀池斜管蜂窩堵塞情況。結(jié)果如圖5所示，對照組出水非常渾濁，沉淀效果不佳，絮體容易上浮停留在斜管中，造成斜管蜂窩堵塞，斜管需要每3 d清洗一次。試驗(yàn)組出水水質(zhì)良好，池水清澈見底，因絮體粒徑大、沉淀效果好，大大減緩了斜管蜂窩的堵塞程度，清洗頻率可延長至14 d一次。

圖5 斜管沉淀池出水(12 mg/L PAC+0.50 mg/L PDM)

2.2.3 藻類去除效果

藻類去除效果如圖6所示，原水藻類數(shù)量在1.74×105～3.14×105cells/mL，均值為2.11×105cells/mL。對照組沉淀池出水藻類數(shù)量較高，均值在4.5×104cell/mL左右，藻類平均去除率為78.67%。試驗(yàn)組中，當(dāng)PDM投加量為0.25、0.50、1.00 mg/L時(shí)，沉淀池出水中藻類數(shù)量分別為2.00×104、4.83×103、5.66×103cells/mL，去除率分別為90.52%、97.71%、97.32%。當(dāng)PDM投加量為0.50 mg/L時(shí)，除藻率達(dá)到最高，繼續(xù)提高PDM投加量至1.00 mg/L，除藻率略有降低。當(dāng)原水藻類數(shù)量波動(dòng)較大時(shí)，試驗(yàn)組沉淀池出水藻類的數(shù)量始終保持在較為平穩(wěn)的水平，而對照組波動(dòng)性較大。由以上結(jié)果可知，PAC和PDM聯(lián)合投加的方式可大幅度提高除藻率，其主要原因可能為：(1)PDM每個(gè)結(jié)構(gòu)單元帶有一個(gè)正電荷，增強(qiáng)了電中和作用，使得帶負(fù)電的藻類細(xì)胞脫穩(wěn)[17]；(2)PDM為鏈狀高分子，在電中和作用的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步發(fā)揮較好的吸附架橋能力，從而更容易將脫穩(wěn)的藻類細(xì)胞絮凝沉淀[18]。

圖6 不同PDM投加量下藻類去除效果

因藻類在680 nm處有特征吸收峰，因此，用OD680可間接表征藻類去除效果，結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)運(yùn)行期間，原水OD680在0.005 0～0.025 2 cm-1，均值為0.013 6 cm-1。對照組沉淀池出水OD680均值為0.003 2 cm-1，平均去除率為76.47%。試驗(yàn)組中，當(dāng)PDM投加量為0.25、0.50、1.00 mg/L時(shí)，沉淀池出水OD680平均值分別為0.001 7、0.000 3、0.001 8 cm-1，去除率分別達(dá)到87.50%、97.79%、86.76%。以上結(jié)果表明，隨著PDM投加量升高，OD680去除率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這和藻類數(shù)量及去除率的變化趨勢保持一致。

圖7 不同PDM投加量下OD680變化

2.2.4 渾濁度去除效果

渾濁度通常反映光線通過水體時(shí)被懸浮物阻礙的程度，本試驗(yàn)使用的水源中主要懸浮物是藻類，因此，可通過渾濁度的變化來反映藻類數(shù)量的變化，渾濁度變化結(jié)果如圖8所示。原水渾濁度在5.41～13.40 NTU，均值為8.21 NTU。對照組沉淀池出水渾濁度均值在2.02 NTU，且波動(dòng)較大，最高時(shí)可高達(dá)4.14 NTU，平均渾濁度去除率為75.40%。試驗(yàn)組中，當(dāng)PDM投加量為0.25、0.50、1.00 mg/L時(shí)，沉淀池出水渾濁度平均值均能達(dá)到1.00 NTU以下，分別為0.94、0.69、0.52 NTU，渾濁度去除率分別為88.55%、91.60%、93.67%。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著PDM投加量升高，沉淀池出水渾濁度逐漸降低，渾濁度去除率逐漸升高。

圖8 不同PDM投加量下渾濁度去除效果

2.2.5 UV254和CODMn去除效果

夏季藻類暴發(fā)期間，有機(jī)污染明顯，除了藻類數(shù)量和渾濁度外，UV254和CODMn也是反映水體受有機(jī)污染程度的重要指標(biāo)。因此，對試驗(yàn)組和對照組出水UV254和CODMn進(jìn)行了考察。UV254變化結(jié)果如圖9所示，原水UV254在0.053 8～0.108 1 cm-1，均值為0.079 2 cm-1。對照組沉淀池出水UV254均值為0.045 5 cm-1，平均去除率為42.55%。試驗(yàn)組投加0.25、0.50、1.00 mg/L PDM，沉淀池出水UV254分別為0.044 7、0.030 3、0.038 6 cm-1，去除率分別為43.56%、61.74%、51.26%。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)PDM投加量較低(0.25 mg/L)時(shí)，UV254去除率和對照組相差不大。隨著PDM投加量升高，UV254去除率呈現(xiàn)先升高后略微降低的趨勢，當(dāng)PDM投加量為0.50 mg/L時(shí)，UV254去除率達(dá)到最高。

圖9 不同PDM投加量下UV254去除效果

CODMn變化結(jié)果如圖10所示，原水CODMn質(zhì)量濃度在2.21～3.08 mg/L，均值為2.55 mg/L。對照組沉淀池出水CODMn平均質(zhì)量濃度為2.07 mg/L，平均去除率為18.82%。試驗(yàn)組投加0.25、0.50、1.00 mg/L PDM，沉淀池出水CODMn質(zhì)量濃度分別為1.82、1.58、1.61 mg/L，去除率分別為28.63%、38.04%、36.86%。隨著PDM投加量升高，CODMn去除率呈現(xiàn)先升高后略微降低的趨勢，當(dāng)PDM投加量為0.50 mg/L時(shí)，CODMn去除率達(dá)到最高。由以上結(jié)果可知，PAC和PDM聯(lián)合投加也可以加強(qiáng)對有機(jī)物指標(biāo)UV254、CODMn的去除。

圖10 不同PDM投加量下CODMn去除效果

綜合以上結(jié)果，針對目標(biāo)水質(zhì)情況，當(dāng)PDM投加量為0.50 mg/L時(shí)，藻類、OD680、UV254、CODMn去除率均可達(dá)到最大值，渾濁度可降低至1.00 NTU以下。相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示，試驗(yàn)組藻類、渾濁度、OD680、UV254、CODMn去除率分別為97.71%、91.60%、97.79%、61.74%、38.04%，相對于對照組分別提高了18.04%、16.20%、21.32%、19.19%、19.22%。

表4 最佳投加量下相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)去除率(12 mg/L PAC+0.50 mg/L PDM)

3 結(jié)論

為解決水廠使用PAC對含藻水處理效果不佳的問題，研究PAC和PDM聯(lián)合投加對藻類的去除效果，得出以下結(jié)論。

(1)PAC和PDM聯(lián)合投加的方式可有效解決高藻期間水廠絮凝效果不佳、斜管堵塞等問題，投加PDM后絮體明顯增大，沉降速度加快，沉淀池出水清澈見底，大大減緩了斜管沉淀池蜂窩的堵塞程度，清洗頻率可從3 d清洗一次延長至14 d清洗一次。

(2)通過混凝攪拌試驗(yàn)和生產(chǎn)性試驗(yàn)的優(yōu)化，得到針對試驗(yàn)期間水質(zhì)的藥劑建議投加量為12 mg/L PAC+0.50 mg/L PDM。在此條件下沉淀池出水藻類、渾濁度、OD680、UV254、CODMn去除率分別為97.71%、91.60%、97.79%、61.74%、38.04%，相對于對照組分別提高了18.04%、16.20%、21.32%、19.19%、19.22%。PAC和PDM聯(lián)合投加的方式對藻類、渾濁度、有機(jī)物等去除效果顯著，可為高藻期間水廠藻類去除提供參考。