黃曼君,李明玉,任 剛,曹 剛,宋 琳 (1.暨南大學(xué)環(huán)境工程系,廣東 廣州 510630；2.暨南大學(xué)水處理工程研究中心,廣東 廣州 510630)

PFS-PDM復(fù)合混凝劑對(duì)微污染河水的強(qiáng)化混凝處理

黃曼君,李明玉*,任 剛,曹 剛,宋 琳 (1.暨南大學(xué)環(huán)境工程系,廣東 廣州 510630；2.暨南大學(xué)水處理工程研究中心,廣東 廣州 510630)

用聚合硫酸鐵(PFS)和聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDM)制備了復(fù)合混凝劑—聚合硫酸鐵-聚二甲基二烯丙基氯化銨(PFS-PDM),并對(duì)微污染的流溪河水源水進(jìn)行了強(qiáng)化混凝處理,對(duì)比分析了復(fù)合混凝劑與PFS2種處理的混凝效果.結(jié)果表明,與單獨(dú)用PFS相比,用復(fù)合混凝劑處理冬季微污染流溪河水源水時(shí),其對(duì)濁度、UV254及藻類去除能力更強(qiáng);當(dāng)投加量為3mg/L(以Fe計(jì))時(shí),PFS-PDM復(fù)合混凝劑的去濁率、除藻率和UV254去除率,分別提高22.1%、19.5%、14.9%,表現(xiàn)出優(yōu)良的強(qiáng)化混凝效果.

PFS-PDM復(fù)合混凝劑；微污染水源水；濁度；藻類；UV254

流溪河是廣州市重要的水源地之一.隨著工農(nóng)業(yè)發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快,流溪河受到了一定程度的污染.在秋冬季少雨季節(jié),流溪河水量減少,水體污染相對(duì)較重.同時(shí)因冬季水溫低和濁度低,普通無(wú)機(jī)混凝劑如 PAC(聚合氯化鋁)和PFS(聚合硫酸鐵)的混凝效果較差,對(duì)微污染原水中的有機(jī)物、藻類和懸浮物的去除效果不夠理想,從而對(duì)安全供水產(chǎn)生一定的影響.因此,如何基于水廠現(xiàn)有的常規(guī)工藝,采用強(qiáng)化混凝技術(shù)提高水中污染物的去除率,研究開(kāi)發(fā)高效復(fù)合型混凝劑,已成為水處理材料領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展方向之一[1-3].

目前,針對(duì)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合型混凝劑的研究,多數(shù)集中在鋁鹽與有機(jī)物高分子絮凝劑的復(fù)配方面[4-7].與鋁鹽比較,鐵鹽混凝劑具有混凝反應(yīng)快、沉降速度快、低溫效果好、價(jià)格低廉和無(wú)毒等特點(diǎn)[8].但單純的無(wú)機(jī)鐵鹽混凝劑仍存在靜電中和能力弱、對(duì)膠體顆粒和溶解性有機(jī)物的吸附架橋能力較差、投藥量大和產(chǎn)泥量多等不足.聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDMDAAC,以下簡(jiǎn)稱 PDM)則具有分子量高、陽(yáng)離子電荷密度高、靜電中和能力和吸附架橋能力強(qiáng)、投加量小和產(chǎn)泥量少等優(yōu)點(diǎn).故若將PDM與聚合硫酸鐵(PFS)復(fù)合,制備成復(fù)合型混凝劑,并用于微污染水源水的凈化處理,可望達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)或協(xié)同、實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化混凝,提供污染物去除率的目的.為此,本實(shí)驗(yàn)以 PFS與PDM為主要原料,制備了PFS-PDM復(fù)合混凝劑,將其用于秋冬季廣州流溪河下游水源水的強(qiáng)化混凝處理.并與單獨(dú)采用PFS處理的效果進(jìn)行對(duì)比,為 PFS-PDM 復(fù)合混凝劑在微污染水源水處理中的應(yīng)用提供依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與材料

主要儀器:電子恒速攪拌器、電熱恒溫水浴鍋、智能型六聯(lián)混凝攪拌機(jī)、pHS-25型pH計(jì)、GDS-3B光電式濁度儀、UV55B紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、Malvern Zetasizer Nano電位分析儀、SW-1功率調(diào)節(jié)萬(wàn)用電爐.主要材料:聚合硫酸鐵(PFS,自制,含 Fe11%);聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDM,自制,溶解性固體含量40%,選取0.68 dL/g和1.4dL/g2種特征黏度).

1.2 復(fù)合混凝劑的制備

分別取200g PFS于2個(gè)500mL反應(yīng)器中,加熱攪拌至50～60;℃然后,再取特性黏度為0.68dL/g和1.40dL/g的2種PDM各10g,分別加入到上述2個(gè)盛有PFS的反應(yīng)器中,保溫?cái)嚢璺稚⒅列纬删嗳芤?即得到 2種有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合型混凝劑:PFS-PDM0.68和PFS-PDM1.40,備用.

1.3 水樣

本實(shí)驗(yàn)所用的原水水樣,均于秋冬季取自廣州流溪河水下游(珠江北航道).水源水水質(zhì)見(jiàn)表1.

表1 流溪河水的水質(zhì)Table 1 Quality of Liuxi River rawwater

1.4 水的混凝處理方法

取1000 mL流溪河水樣6份,分別加入到體積為1L的 6個(gè)混凝攪拌杯中,按照設(shè)定的攪拌程序進(jìn)行混凝處理(在快速攪拌過(guò)程中加混凝劑),攪拌結(jié)束后靜置沉淀 10min,并于液面下約2cm處取上清液測(cè)定濁度、UV254及藻總量等水質(zhì)指標(biāo).

1.5 ζ電位的測(cè)定

取 1000mL水樣于混凝攪拌杯中,加入一定量的混凝劑后,按照 500r/min的轉(zhuǎn)速混凝攪拌lmin,然后用微量進(jìn)樣器取樣注入石英檢測(cè)池中,在Malvern Zetasizer Nano電位分析儀上測(cè)定ζ電位.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同混凝劑對(duì)去濁率的影響

為考察 PFS和 PFS-PDM0.68與 PFSPDM1.403種不同的混凝劑對(duì)流溪河微污染水源水的處理效果,將3種藥劑按不同的投加量(復(fù)合混凝劑以Fe計(jì),PDM投量為復(fù)合混凝劑中PDM含量,下同)加入到原水中,按照1.4節(jié)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行混凝處理,投藥量與去濁率之間的關(guān)系見(jiàn)圖1.

圖1 混凝劑投加量對(duì)去濁率的影響Fig.1 Effect of coagulants dosages on turbidity removal rates

從圖 1知,隨著 PFS、PFS-PDM1.40和PFS-PDM0.68投加量的增加,其去濁率均呈現(xiàn)出先升高后下降的變化趨勢(shì).在較低投加量0.9～4.5mg/L范圍內(nèi),與單獨(dú)用 PFS相比,復(fù)合混凝劑 PFS-PDM1.40和 PFS-PDM0.68去濁率,分別提高5%～18%、5%～16%.因PDM屬陽(yáng)離子高分子物質(zhì),PDM與PFS復(fù)合后,一方面PDM所帶的正電荷與PFS所帶正電荷的相互疊加,使復(fù)合混凝劑的電中和能力大大增強(qiáng).這可從混凝劑投加量與ζ電位的關(guān)系曲線(圖2)中看出(流溪河水的ζ電位平均－18.7mV),在藥劑投加量相同時(shí),用PFS-PDM1.40和PFS-PDM0.68處理后的水中顆粒物的ζ電位,明顯高于PFS處理后的ζ電位.另一方面,PDM的高分子鏈?zhǔn)箯?fù)合混凝劑的架橋、卷掃能力也得以增強(qiáng),表現(xiàn)為絮凝體更大、沉降速度更快.以上兩個(gè)方面的作用,使復(fù)合混凝劑的混凝去濁效果得到較大提高[9-10].

圖2 混凝劑投加量與ζ電位的關(guān)系Fig.2 zata potential changes under different dosages of coagulants.

此外,還可看出復(fù)合混凝劑的去濁率與PDM的特性黏度有關(guān),具有較高特性黏度的 PFSPDM1.40優(yōu)于 PFS-PDM0.68,因隨特性黏度增大,相對(duì)分子質(zhì)量升高,吸附架橋能力增強(qiáng),從而使絮凝效果變好.同時(shí),較高特性黏度的 PDM,具有更長(zhǎng)的分子鏈,和較多的正電荷點(diǎn)位,更易吸附水中膠粒和更有效地中和顆粒表面負(fù)電荷[11].

但是,當(dāng)投加量超過(guò)約4.5mg/L后,2種復(fù)合混凝劑的去濁效果開(kāi)始下降.這可能是由于膠體顆粒在吸附了過(guò)多的PDM之后,吸附層有助于分散,空間位阻增大,因而增大了顆粒間的排斥作用,從而使水體顆粒出了再懸浮,再穩(wěn)定的現(xiàn)象[11].

2.2 不同混凝劑對(duì)水中UV254的去除

UV254作為 TOC和三鹵甲烷的生成潛能(THMFP)濃度的一種很好的替代參數(shù),其測(cè)定方法具有快速、簡(jiǎn)便的特點(diǎn)[12].故選取 UV254作為強(qiáng)化混凝的去除對(duì)象之一,研究不同混凝劑對(duì)其去除效果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.從圖3可知,隨著3種混凝劑投加量的增加,UV254的去除率也隨著升高.3種混凝劑對(duì) UV254去除的能力強(qiáng)弱依次為:PFS-PDM1.40＞PFS-PDM0.68＞PFS.可見(jiàn),在相同投藥量下,復(fù)合混凝劑PFS-PDM對(duì)UV254的去除效果更好.UV254代表的主要是溶解性的具有不飽和結(jié)構(gòu)的天然有機(jī)物和其他有機(jī)污染物的總量.這些物質(zhì)所帶的官能團(tuán),電子云密度大,在水中呈較強(qiáng)負(fù)電性.在復(fù)合混凝劑中,具有很高陽(yáng)離子度的聚陽(yáng)離子PDM與PFS協(xié)同,顯著提高了復(fù)合混凝劑 PFS-PDM 及其水解產(chǎn)物氫氧化鐵絮體對(duì)有機(jī)物的吸附能力.有文獻(xiàn)報(bào)道[13],PDM能吸附對(duì) UV254值有貢獻(xiàn)的高分子消毒副產(chǎn)物(DBPs)的前驅(qū)物.因此,復(fù)合混凝劑 PFSPDM能表現(xiàn)出比PFS更顯著的UV254去除效果.本實(shí)驗(yàn)中,在投加量為3.0mg/L時(shí),PFS-PDM1.40、PFS-PDM0.68和 PFS對(duì) UV254的去除率分別為28%、15.9%和 13%.該結(jié)果與文獻(xiàn)[14]的報(bào)道相類似.

圖3 藥劑投加量對(duì)UV254去除率的影響Fig.3 Effect of coagulants dosages on UV254removal rates

2.3 不同混凝劑的除藻效果對(duì)比

藻類表面帶負(fù)電荷,其代謝產(chǎn)物會(huì)吸附在藻細(xì)胞表面,增加負(fù)電性;藻類的形狀及游動(dòng)性,使其脫穩(wěn)和凝聚的難度增大[15].這使得采用普通混凝劑通過(guò)混凝沉淀方法去除微污染水中藻類的效果不佳.提高混凝劑對(duì)藻類細(xì)胞表面負(fù)電荷的靜電中和能力、強(qiáng)化凝聚和絮凝沉淀作用,是強(qiáng)化混凝除藻的關(guān)鍵所在.PDM與PFS復(fù)配后形成無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合型混凝劑后,不僅使復(fù)合混凝劑的電中和能力顯著提高,而且也會(huì)使其對(duì)藻類的絮凝和沉降效果明顯增強(qiáng).圖 4顯示了 PFS-PDM與PFS在除藻方面的對(duì)比結(jié)果.可以看出,與單獨(dú)使用PFS相比,復(fù)合混凝劑PFS-PDM對(duì)微污染流溪河水中的藻類去除率明顯提高.另外,與圖 1相比較,除藻率與去濁率呈正相關(guān)性,這說(shuō)明在流溪河水中,由藻類產(chǎn)生的濁度在原水濁度中占較大比例,當(dāng)通過(guò)強(qiáng)化混凝去除藻類時(shí),相應(yīng)的余濁也隨之下降.當(dāng)加藥量控制為 3.6mg/L時(shí),3種混凝劑的除藻率分別為 91.2%、81.3%、69.1%,PFS-PDM比PFS除藻率提12.2%～22.1%.

圖4 投加量對(duì)藻類去除率的影響Fig.4 Effect of coagulants dosages on algae removal rates

2.4 復(fù)合混凝劑絮凝沉降性能及其絮體特性

圖5為在混凝劑投量為3.6mg/L時(shí),除濁率與靜置沉淀時(shí)間之間的關(guān)系.由圖5可知,在相同的沉淀時(shí)間下,2種復(fù)合混凝劑的除濁率明顯好于 PFS,其中特性黏度高的 PFS-PDM1.40,除濁效果較好.另外,從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以觀察到,PFS形成的絮體比較細(xì)小、沉降慢,PFS-PDM形成的絮體不僅粗大密實(shí),而且絮體沉降速度快、沉渣量少.

2.5 初始 pH值對(duì)復(fù)合藥劑除濁和去除 UV254的影響

水的初始pH值會(huì)影響混凝劑的水解速度和形態(tài)轉(zhuǎn)化,從而影響到對(duì)濁度和 UV254的去除效果.在3種混凝劑的投藥量均為2.4mg/L的條件下,pH值與去濁率之間的關(guān)系如圖6所示.

圖5 不同沉淀時(shí)間下的濁度去除率Fig.5 Effect of setting time on turbidity removal rates rates

圖6 pH值對(duì)去濁率的影響Fig.6 Effect of coagulants on turbidity removal rates at different pH

由圖6知,當(dāng)pH值在5～9的范圍內(nèi)遞增時(shí),3種混凝劑對(duì)濁度的去除率,均呈先下降后升高的變化趨勢(shì),且復(fù)合混凝劑 PFS-PDM 的去濁效果明顯優(yōu)于PFS.該結(jié)果與圖7中用3種混凝劑處理后水中微粒的ζ電位變化,基本保持一致.這表明 PFS-PDM 優(yōu)良的靜電中和能力是其去濁效果優(yōu)于PFS的關(guān)鍵.同時(shí),在PFS-PDM中,高分子PDM還具有較好的吸附、架橋、卷掃和絮凝能力,這也是PFS-PDM優(yōu)于PFS的重要原因之一.由圖6還可以看出,在pH值為5～6的弱酸性范圍內(nèi),幾種混凝劑均表現(xiàn)出相對(duì)較好的除濁效果.這與文獻(xiàn)[16]報(bào)道的用鐵鹽混凝處理微污染流溪河水時(shí)的結(jié)果相類似.

圖7 不同pH值下水體的ζ電位Fig.7 Effect of pH on zeta potential

另外,pH值對(duì)水中UV254的去除也影響較大,其結(jié)果如圖8所示.當(dāng)pH值在5～9范圍內(nèi)遞增時(shí),UV254去除率由高到低不斷下降,其中 PFS對(duì)UV254去除率降幅更大.但在pH值為5～6時(shí),PFS和2種PFS-PDM對(duì)UV254的去除率差別很小,且去除率均較高.

圖8 pH值對(duì)UV254去除效果的影響Fig.8 Effects of pH on tubidity removal rates of UV254

pH值對(duì)水中UV254的去除率高低,不僅與混凝劑的種類有關(guān),而且也與水質(zhì)特性有關(guān).UV254作為水中可溶性有機(jī)物的替代參數(shù),若要通過(guò)強(qiáng)化混凝將其去除,一是利用混凝劑水解后產(chǎn)生的具有很大比表面積的氫氧化物絮體將其吸附;二是通過(guò)改變水中有機(jī)物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和帶電特性,使其轉(zhuǎn)化為易被混凝沉淀的形態(tài).在pH值為5～6的弱酸性環(huán)境下,流溪河水中有機(jī)物的質(zhì)子化程度增加,這一形態(tài)結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)化,增加了有機(jī)物的憎水性,有利于混凝劑對(duì)其電性中和與吸附共沉淀.而在堿性條件下,水中的腐殖酸等天然有機(jī)物和帶羧基的其他有機(jī)污染物被轉(zhuǎn)化為有機(jī)鹽,其水溶性和親水性顯著提高,難以通過(guò)混凝沉淀進(jìn)行去除.可見(jiàn),為了提高微污染流溪河水中UV254的去除率,減少氯化消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生量,在條件允許時(shí),應(yīng)考慮在適當(dāng)?shù)偷?pH值下,通過(guò)強(qiáng)化混凝進(jìn)行處理.同時(shí),也利于濁度和藻類的去除[16].這對(duì)于提高供水水質(zhì),具有實(shí)際意義.

3 結(jié)論

3.1 與PFS相比,PFS-PDM復(fù)合混凝劑對(duì)流溪河水的除濁、除藻及 UV254的去除,具有更好的效果.PDM具有的陽(yáng)離子與PFS協(xié)同后所產(chǎn)生的靜電中和能力、良好的架橋、卷掃和吸附能力,是 PFS-PDM 強(qiáng)化混凝能力強(qiáng)的關(guān)鍵所在.采用較高特性黏度 PDM1.40所得的復(fù)合混凝劑 PFSPDM1.40性能更優(yōu).

3.2 PFS-PDM 復(fù)合混凝劑不僅有較好的強(qiáng)化混凝效果,而且所形成的絮凝體大、密實(shí)、沉降速度快、污泥產(chǎn)生量較少.

3.3 水的pH值對(duì)PFS和PFS-PDM處理微污染流溪河水有顯著的影響.在pH值為5～6時(shí),濁度、UV254的去除率最高.復(fù)合混凝劑投藥量?jī)H為

2.4 mg/L時(shí),濁度、UV254去除率最高達(dá)95.7%、50.9%.低pH值環(huán)境有利于水中污染物的強(qiáng)化混凝去除.

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Enhanced coagulation treatment of micro-polluted Liuxi River water with the composite coagulant of PFS-PDM.

HUANG Man-jun, LI Ming-yu*, REN-Gang, CAO Gang, SONG Lin (1.Department of Environmental Engineering, Jinan University, Guangzhou 510630, China；2.Development Center of Water Treatment Technology, Jinan University,Guangzhou 510630, China). China Environmental Science, 2011,31(3)：384～389

The composite coagulant of PFS-PDM —was prepared by polyferric sulfate and poly(dimethyldiallylammonium chloride). The enhanced coagulation treatment of micro-pollution Liuxi River water was studied with the composite coagulant of PFS-PDM. The treatment efficiency of the Liuxi River water with PFS and PFS-PDM were compared and analyzed. The experimental results showed that the removal efficiency of turbidity, UV254,and algae from micro-polluted source water by the composite coagulant was higher than PFS. The removal efficiency of turbidity, algae and UV254increased by 22.1%、19.5% and 14.9% respectively when PFS-PDM dosage was 3mg/L. The composite coagulant showed better enhanced coagulation performance.

composite flocculant；micro-polluted source water；turbidity；algae；UV254

X703.5

A

1000-6923(2011)03-0384-06

2010-07-28

廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2010Z1-E141);廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2008A030202010);廣東高校水處理材料產(chǎn)學(xué)研示范基地項(xiàng)目

* 責(zé)任作者, 教授, tlimy@jnu.edu.cn

黃曼君(1983-),女,湖南邵陽(yáng)人,暨南大學(xué)碩士研究生,主要從事水處理工程與技術(shù)、水處理藥劑研究與應(yīng)用等工作.