强化混凝技术去除水体中浊度和UV254的试验研究

康孟新，董 琦，张海亚

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林132012;2.天津大学 环境科学与工程学院，天津300072;3.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090)

近年来随着经济的发展，水环境污染问题日益凸显，并且饮用水水质标准也不断提高，传统的净水工艺已经不能满足出水水质要求，尤其是水中的有机物不能得到有效的去除，而水中的有机物在水厂加氯消毒时，可以与氯气作用形成消毒副产物，严重影响人体健康［1，2］。在水处理中，常以三卤甲烷(THMs)和卤乙酸(HAAs)去除率作为消毒副产物的去除评价指标，这两类消毒副产物的生成势与UV254有良好的相关性，因此UV254可以作为消毒副产物前体物(DBPFP)的替代参数［3，4］。强化混凝技术通过增加混凝剂的投加量或调整pH值等措施，在除浊的同时通过胶体脱稳、差降沉降以及共沉降的作用，可以有效的去除水中的有机物，最大限度地去除消毒副产物的前体物，保证饮用水消毒副产物符合饮用水标准的方法［5－10］。强化混凝可使水中的总有机碳去除率达到60%以上，并且技术要求不高和无需大量的资金投入，目前受到了越来越多的关注［11－14］。

由于所研究的水体中的有机物含量随季节和水体环境的变化而变化，为了保证试验的一致性和重复性，故采用实验室配水，分析聚合硫酸铁(PFS)和硫酸铝两种混凝剂在不同投加量、pH值和助凝剂投加量条件下，对水中浊度和UV254去除效果的影响。由于PFS具有投加量少、费用低、pH适用范围广、对浊度和低色度COD去除率高、水中残留铁离子少、水解产物脱水性能好等优点，试验选用PFS做正交试验，确定影响强化混凝效果各因素的主次关系和最佳试验条件。

1 试验材料和方法

1.1 水样配置

试验中所使用的水样为投加了一定量高岭土和腐植酸的自来水，经均匀搅拌，静置半小时取上清液。水样的水质指标:浊度为 60NTU，UV254为0.14 cm－1，pH 值为7.2－7.5，腐殖酸含量为 10 mg/L。

1.2 试验方案

试验采用静态烧杯法，分别考察了聚合硫酸铁(PFS)和硫酸铝两种混凝剂在不同投加量、pH值和助凝剂投加量条件下，对水中浊度和UV254去除效果的影响。

研究混凝剂投加量的试验方案:向5个搅拌杯中加入1 L的水样，然后向每个杯子中加入不同量的混凝剂(如硫酸铝)，先快速搅拌(250 r/min)0.5 min，中速搅拌(100 r/min)5 min;最后慢速搅拌(60 r/min)10 min，搅拌结束后，静置30 min，用50 mL注射器抽取上清液，测定水体的浊度和。

PH和助凝剂投加量的试验方案与混凝剂投加量的试验方案类似，均采用控制变量法，对于已经确定最佳操作条件因素的试验直接采用最佳操作条件，未确定最佳操作条件的则采用试验设计方案的操作条件，改变当前研究因素值，以得出该因素的最佳操作条件［17，18］。最后通过正交试验确定PFS做混凝剂时各因素之间的主次关系和强化混凝的最佳试验条件。

1.3 分析项目与方法

pH值:玻璃电极法;

浊度:浊度法;

UV254:分光光度法，测定水样中的UV254时，需要在测定前将水样经过0.45 μm膜过滤，以去除其中的悬浮物，避免干扰。

2 结果与讨论

2.1 混凝剂投加量对浊度和UV254去除的影响

图1 混凝剂投加量对浊度和UV254去除的影响

混凝剂的投加量直接影响了强化混凝的处理效果，从图1中可以看出，随着混凝剂投加量的增加，水体中的剩余浊度逐渐降低，当PFS的投加量为60 mg/L时的剩余浊度最小为1.7NTU，当硫酸铝的投加量为50 mg/L时，剩余浊度最小为1.65NTU。但是随着混凝剂投加量的继续增加，水体的剩余浊度不再降低，反而成增加的趋势。这说明最初混凝剂投加量的增加可以加大颗粒物参与吸附架桥和卷扫作用的机会，有利于胶体聚集稳定性的破坏，但是混凝剂投加量超过一定限度的时候，会产生“胶体保护”作用，发生再稳现象，从而降低了浊度的去除率。同时投加过多的混凝剂也带来了水处理费用增加和污泥处理难度增大的问题。对于UV254的去除率而言，无论是PFS还是硫酸铝，均随着投加量的增加，去除率也不断提高。但是在相同的投加量的情况下，PFS对UV254的去除率明显高于硫酸铝10%－13%，由此可见PFS对UV254的去除更有效。这主要是因为相同剂量的铁盐水解产生Fe(OH)3的量是铝盐水解产生Al(OH)3量的2.8倍。考虑混凝处理费用及水质处理效果，在后续实验中选取PFS的投加量为60 mg/L，硫酸铝的投加量为50 mg/L。

2.2 pH对浊度和UV254去除的影响

在试验中，用0.1 mol/L的HCl溶液和0.1 mol/L的NaOH溶液调节水样的pH值，试验结果如图2所示，对去除水体的浊度而言，PFS的最佳pH值在6.5，硫酸铝的最佳 pH值在7.0;PFS去除UV254的最佳pH在6.5，比中性时的去除率提高了5%，硫酸铝去除UV254的最佳pH也在6.5，比中性时的去除率提高了5%。并且PFS对于UV254的去除率高于硫酸铝17%－20%。实验结果表明pH值过高或过低都不利于浊度和UV254的去除，最佳的pH范围为6.5－7.0。这是因为在偏酸性的条件下，带正电的铁盐水解产物和铝盐水解产物易于水中的有机物结合，有利于浊度和有机物的去除。由于水样的pH值略偏碱性，故对于强化混凝而言需要略微调节pH值，在后续实验中选取硫酸铝投加量50 mg/L，PFS投加量60 mg/L，pH 均选 6.5。

图2 pH对浊度和UV254去除的影响

2.3 助凝剂投加量对浊度和UV254去除的影响

图3 助凝剂投加量对浊度和UV254去除的影响

在试验中，选用分子量约300万左右的聚丙烯酰胺(PAM)作为助凝剂，结果如图3所示，向水体中投加助凝剂可以提高强化混凝对于水体中浊度和UV254的去除率，对于PFS和硫酸铝，助凝剂聚丙烯酰胺(PAM)的最佳投加量分别0.1 mg/L 和0.05 mg/L，最小剩余浊度分别为 1.5 和1.6 1，相比于不添加助凝剂时的剩余浊度分别提高了9%和5%，当助凝剂的投加量为0.15 mg/L时，水体的剩余浊度分别为2.05NTU和1.77NTU，浊度反而比单独投加混凝剂时要高。UV254的去除率均随着助凝剂的投加量的增大均有略微的提高，但是提高幅度并不明显。由此可得出结论，助凝剂PAM的投加对于水中的浊度和UV254的去除并没有太大的改善。这一现象的产生是因为助凝剂一般是在低剂量的混凝剂投加量的情况下发挥架桥、卷扫和电中和作用，从而提高混凝处理效果，而在试验中，混凝剂的投加量为最佳值，水体中的悬浮颗粒比较少，所以助凝剂的作用并没有得到充分的发挥，同时大剂量的助凝剂加入水体，反而会导致水中浊度的增加。

2.4 PFS的混凝正交优化试验

通过上述实验分析，作为混凝剂PFS的总体性能要优于硫酸铝，故选取PFS的投加量、水样pH值和助凝剂PAM投加量为正交试验的三个因素，各因素选取三个水平，进行三因素三水平试验，找出影响PFS混凝效果的各因素的主次关系，从而得出PFS混凝试验的最佳操作条件［19－21］。由于试验涉及到评价指标有两个:浊度去除率和UV254的去除率，故采用综合评分法将多指标问题，通过适当的评分方法，转换成单指标问题。试验的因素和水平如表1所示，不考虑三个因素之间的交互作用，并且浊度去除率和UV254的去除率均为越大越好。

表1 正交试验的因素和水平

根据表2可知，PFS投加量的极差最大为0.75，PAM投加量的极差最小为0.56。所以对于影响PFS混凝效果的三个因素的主次关系排列依次为:混凝剂PFS的投加量，pH值，助凝剂PAM投加量。并可得出PFS混凝实验的最佳操作条件为:PFS投加量为60 mg/L，水体的pH值为6.5，助凝剂的投加量为0.10 mg/L。

表2 正交试验结果与分析

3 结 论

(1)对比了PFS和硫酸铝对水体中浊度和UV254的去除效果，在相同条件下投加PFS的混凝处理效果要优于硫酸铝，尤其是对UV254的去除效果最为明显，PFS去除UV254的效果要比硫酸铝高15%－20%左右，这对于水中有机物的去除是相当重要的。

(2)在单因素实验中，对于水体浊度的去除，混凝剂的投加量、水体的pH值和助凝剂PAM的投加量均存在最佳值;但对于UV254的去除率，只存在最佳pH值，并随着混凝剂投加量和助凝剂PAM的投加量的增多而提高。

(3)通过正交试验确定了当混凝剂为PFS时，影响强化混凝处理效果的各因素主次关系排列为:PFS投加量、pH值、PAM投加量，强化混凝的最佳试验条件为PFS投加量为60 mg/L，水体的pH值为6.5，PAM 的投加量为 0.10 mg/L。

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