樂(lè) 俐

(天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,天津 300400)

0 引言

城市降雨徑流污染是降雨過(guò)程中形成的雨水徑流流經(jīng)城市地面排水系統(tǒng)直接排放到水體中且匯聚大量的污染物而形成的典型面源污染[1],是城市水生態(tài)環(huán)境污染的重要因素,為第二大面源污染,并已成為江河湖泊的第三大污染源[2-3]。目前,美國(guó)暴雨最佳管理措施(如生物滯留池[4-6]、植草溝[7-8]、人工濕地[9-10]等)得到了廣泛的應(yīng)用,可控制城市降雨徑流面源污染。我國(guó)相關(guān)處理設(shè)施較少,且上述方法占地面積大,后期維護(hù)管理難度高,投入較大[11]?；炷ㄊ撬幚矸椒ㄖ凶畛Ｓ?、最經(jīng)濟(jì)、最重要的方法之一?；炷俏鬯幚砉に嚨暮诵?關(guān)于混凝法對(duì)城市雨水徑流污染物削減的報(bào)道較少。張丹丹等[12]對(duì)聚合氯化鋁投加量與不同雨水徑流水質(zhì)的不同污染物指標(biāo)削減之間的影響作用進(jìn)行了研究。任依麗等[13]探索了聚合氯化鋁對(duì)不同下墊面的雨水徑流濁度、COD、TP的去除效果,但這些研究沒(méi)有考察不同混凝劑類(lèi)型對(duì)城市雨水徑流主要污染物(如濁度、COD、TN、TP)的削減效率。本研究采用混凝燒杯試驗(yàn),分析混凝法對(duì)城市降雨地表徑流污染物(濁度、CODcr、TN、TP)削減作用的有效性及可行性,探討混凝劑投加量、徑流污染物濃度、混凝劑類(lèi)型對(duì)污染凈化效果的影響,為進(jìn)一步研究混凝法去除降雨地表徑流污染物的機(jī)理、提升污染削減效率及其推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要試劑與儀器

聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鋁(PAS)、聚合氯化鐵(PFC)、聚合硫酸鐵(PFS)及聚合氯化鋁鐵(PAFC)均為工業(yè)級(jí)(鞏義市漢邦凈水材料廠生產(chǎn))。氫氧化鈉、鹽酸(優(yōu)級(jí)純,天津市天城化工有限公司生產(chǎn))用超純水配成0.10 mol/L溶液,用于調(diào)節(jié)pH。COD快速分析試劑(優(yōu)級(jí)純,Merck),過(guò)硫酸鉀(優(yōu)級(jí)純,Fluka),鉬酸銨(優(yōu)級(jí)純,天津市化學(xué)試劑四廠生產(chǎn))。

ZR4-6混凝實(shí)驗(yàn)攪拌器(深圳市中潤(rùn)水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司生產(chǎn)),PhotoLab S12光度計(jì)(德國(guó)WTW公司生產(chǎn)),CR2200加熱消解器(德國(guó)WTW公司生產(chǎn)),HI93414高精度濁度分析儀(北京哈納沃德儀器有限公司生產(chǎn)),752N紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)),電子分析天平(北京賽多利斯儀器有限公司生產(chǎn)),PB-10臺(tái)式pH計(jì)(北京賽多利斯儀器有限公司生產(chǎn))。

1.2 混凝實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用水人工調(diào)配,水質(zhì)穩(wěn)定,控制方便。稱(chēng)取牛肉膏1.26 g、蛋白胨1.58 g、磷酸氫鈉2.50 g、尿素3.15 g、硫酸銨7.50 g、白砂糖7.88 g、淀粉15.75 g、碳酸氫鈉31.50 g、無(wú)水碳酸鈉50.50 g,溶于1 L蒸餾水中制成原水。根據(jù)天津城市雨水徑流污染水平[1,14],即低、中、高3種污染物濃度,分別由原水按照1∶200、1∶800、1∶2000的比例稀釋而成,如表1所示。各取1 L稀釋水調(diào)節(jié)pH為7.00,分別加入90.92 mg、397.38 mg、883.33 mg高嶺土,使3種污染物濃度水樣的濁度分別為64、181、588 NTU。各取低、中、高3種污染物濃度水樣1 L,加入一定量的混凝劑,在350 r/min攪拌速度下攪拌1 min,在60 r/min攪拌速度下攪拌15 min,靜沉30 min后在液面下2 cm處取上層清液進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。

表1 人工調(diào)配城市降雨地表徑流污染物濃度及分析方法

1.3 分析方法

天津城市河流水質(zhì)主要污染因子,即濁度、CODcr、TN、TP被選作雨水徑流污染物分析指標(biāo),由HI93414高精度濁度分析儀測(cè)定濁度,其余指標(biāo)均采用文獻(xiàn)方法進(jìn)行分析,具體見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與討論

混凝法對(duì)低、中、高3種污染物濃度水平的雨水徑流污染物削減作用如下:濁度的平均削減率分別是77.48%、77.82%、58.38%,CODcr的平均去除率分別為77.92%、65.30%、32.46%,TN的削減率分別是52.23%、23.39%、38.35%,TP的削減率分別是60.91%、59.64%、66.02%。

2.1 混凝劑類(lèi)型對(duì)雨水徑流污染物削減率的影響

采用PAC、PAS、PFC、PFS、PAFC等5種常用混凝劑進(jìn)行混凝法削減城市降雨地表徑流污染物實(shí)驗(yàn),去除效果如表2所示。由表2可知,對(duì)于低污染物濃度,PFC與PAFC對(duì)濁度的平均削減率要高于其他3種混凝劑,分別達(dá)到90.23%、90.88%。5種混凝劑對(duì)CODcr的平均削減率均大于70%,其中PFC對(duì)CODcr的平均去除率最高,為83.01%。對(duì)于TN的平均削減率,PAFC>PAS>PFS>PAC>PFC,PAFC為76.08%,而PFC只有24.62%,相差51.46%,t檢驗(yàn)兩者差異顯著。PFC對(duì)TP的平均削減率要優(yōu)于其余4種混凝劑,可達(dá)到78.54%。對(duì)于中污染物濃度,PFC與PAFC對(duì)濁度的平均削減率要高于其他3種混凝劑,分別達(dá)到89.28%、92.17%。5種混凝劑對(duì)CODcr的平均削減率排序?yàn)镻AS>PFC>PAFC>PFS>PAC,其中PAS對(duì)CODcr的平均去除率可達(dá)到76.87%,PFC>PAFC>PAS>PAC。PFC與PFS對(duì)TP的平均削減率要優(yōu)于其余3種混凝劑,分別是70.36%、76.89%。對(duì)于高污染物濃度,PFC對(duì)濁度的平均去除率明顯高于其他混凝劑,可達(dá)到89.28%。5種混凝劑對(duì)CODcr的平均削減率排序?yàn)镻FC>PAC>PAFC>PFS>PAS,其中PFC對(duì)CODcr的最低去除率達(dá)到了72.71%,而PAS只有12.30%,相差60.41%,t檢驗(yàn)兩者差異顯著。對(duì)于TN的平均削減率,PAS>PFS>PAC>PAFC>PFC。PAC、PFC及PFS對(duì)TP的平均去除率均超過(guò)了70%,分別為74.53%、70.36%、74.96%。

表2 不同混凝劑類(lèi)型污染物平均削減率

對(duì)低、中、高污染物濃度水平,PFC對(duì)濁度、CODcr及TP的綜合平均削減率均高于另外4種混凝劑。對(duì)于低濃度TN的去除率,PAFC要明顯優(yōu)于其它混凝劑,而PFS受污染物TN濃度的影響較小,削減率穩(wěn)定,抗負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)。

2.2 混凝劑投加量對(duì)雨水徑流污染物削減率的影響

混凝法削減雨水徑流污染物實(shí)驗(yàn)研究選取13、17、26、35、44 mg/L等5種混凝劑投加量,在不同混凝劑投加量條件下,雨水徑流污染物去除效果如圖1、圖2、圖3所示。由圖1、圖2、圖3可知,對(duì)低、中、高污染物濃度水平,隨著混凝劑投加量的增加,5種混凝劑對(duì)濁度的削減率也隨之增加,投加量為44 mg/L時(shí)達(dá)到最大,分別為95.09%、86.38%、94.45%、90.39%、 92.77%,93.37%、93.59%、97.01%、82.10%、97.97%,64.29%、44.39%、97.01%、51.70%、89.13%。對(duì)于低污染物濃度,PAS、PFC及PFS對(duì)CODcr的削減率隨著投加量的增加呈現(xiàn)逐步提高的趨勢(shì),當(dāng)投加量是44 mg/L時(shí),分別達(dá)到81.25%、96.09%、82.66%,而PAC與PAFC對(duì)CODcr的削減率隨著投加量的增加變化不顯著,隨著投加量的增加,PAC對(duì)于TN的削減率先減小后增大,當(dāng)投加量為26 mg/L時(shí),僅有31.95%,PAS則隨著投加量的增多而增高。當(dāng)PFS投加量為13 mg/L時(shí),對(duì)TN的去除率最大,達(dá)到60.96%,之后隨著投加量增大逐漸較小。隨著投加量的增加,PAC對(duì)于TP的削減率先增大后減小,當(dāng)投加量為26 mg/L時(shí),達(dá)到88.82%,其余4種混凝劑對(duì)TP的去除率總體趨勢(shì)隨著投加量的增加而增大。對(duì)于中污染物濃度,PAS與PFC對(duì)CODcr的削減率隨著投加量增大呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)。當(dāng)投加量為13 mg/L時(shí),PAC與PFS對(duì)CODcr的去除率最大,分別為65.22%、81.88%,其后變化不明顯,當(dāng)投加量為13 mg/L時(shí),PAC與PAFC對(duì)于TN的削減率最低,分別只有10.85%、12.31%,對(duì)于TP的去除率,5種混凝劑的總體趨勢(shì)是隨著投加量的增加而增大。對(duì)于高污染物濃度,PAC與PAFC對(duì)CODcr的削減率隨著投加量的增大而增加。PAS在投加量為26 mg/L時(shí),CODcr的去除率最低僅為3.27%,當(dāng)投加量為13 mg/L時(shí),PFC對(duì)TN的削減率只有6.84%,而其余4種混凝劑隨投加量變化幅度較小。對(duì)于TP的去除率,PAC、PAS、PFC、PFS隨著投加量的增加呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)。

圖1 不同混凝劑類(lèi)型對(duì)低濃度污染物的削減率隨投加量的變化規(guī)律Fig.1 Change rule of the reduction rate for low concentration pollutants of different coagulant types with the dosage

圖2 不同混凝劑類(lèi)型對(duì)中濃度污染物的削減率隨投加量的變化規(guī)律Fig.2 Change rule of the reduction rate for medium concentration pollutants of different coagulant types with the dosage

圖3 不同混凝劑類(lèi)型對(duì)高濃度污染物的削減率隨投加量的變化規(guī)律Fig.3 Change rule of the reduction rate for high concentration pollutants of different coagulant types with the dosage

2.3 污染物濃度對(duì)雨水徑流污染物削減率的影響

由表2和圖1、圖2、圖3可得,對(duì)于濁度的平均削減率,PAC與PFS隨著污染物濃度的升高而減小。污染水平為中濃度時(shí),PAS與PAFC對(duì)濁度的平均去除率最高,分別是73.16%、92.17%。PAC、PFS及PAFC對(duì)CODcr的平均削減率隨著污染物濃度的增加而降低。污染水平為中濃度時(shí),PAS對(duì)CODcr的去除率最高為76.87%。對(duì)于TN的平均削減率,當(dāng)污染物水平為中濃度時(shí),PAC、PAS、PFS、PAFC最小,分別為14.63%、16.37%、41.36%、21.06%。污染水平為中濃度時(shí),PAC與PAS對(duì)TP的去除率最低,而PFS與PAFC最高。在低污染物濃度情況下,PFC對(duì)4種污染物的削減率均為最大,而中濃度與高濃度下的去除率完全相同。

混凝法處理進(jìn)水低污染濃度的雨水徑流,其出水CODcr、TN、TP平均濃度均高于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)中IV類(lèi)地表水標(biāo)準(zhǔn),分別為14.13 mg/L、1.29 mg/L、0.07 mg/L,且CODcr與TP分別達(dá)到了I類(lèi)、II類(lèi)地表水標(biāo)準(zhǔn),相較城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)更優(yōu)。

3 結(jié)論

對(duì)于低、中、高污染濃度水平的雨水徑流污染物,混凝法具有良好的削減效率,濁度、CODcr、TN、TP的綜合平均削減率分別為71.23%、58.56%、37.99%、62.19%。處理進(jìn)水低污染濃度的雨水徑流,其出水CODcr、TN、TP平均濃度均高于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)中IV類(lèi)地表水標(biāo)準(zhǔn),分別為14.13 mg/L、1.29 mg/L、0.07 mg/L,且CODcr與TP分別達(dá)到了I類(lèi)與II類(lèi)地表水標(biāo)準(zhǔn),相較城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)更優(yōu)。

對(duì)于低、中、高污染物濃度水平,PFC對(duì)濁度、CODcr、TP的綜合平均削減率均高于另外4種混凝劑。對(duì)于低濃度TN的去除率,PAFC要明顯優(yōu)于其他混凝劑,而PFS受污染物TN濃度的影響較小,削減率穩(wěn)定,抗負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)。

隨著混凝劑投加量的增加,5種混凝劑對(duì)濁度的削減率也隨之增大,投加量為44 mg/L時(shí)達(dá)到最大,分別為95.09%、86.38%、94.45%、90.39%、92.77%,93.37%、 93.59%、97.01%、82.10%、97.97%,64.29%、44.39%、97.01%、51.70%、89.13%。不同混凝劑類(lèi)型對(duì)CODcr、TN、TP的去除率隨投加量的變化差異顯著。