强化混凝应用于黑臭水体预处理的研究

曹志刚++魏祥甲

摘要：采用强化混凝方法处理河道黑臭水体，并对其处理效果进行了考察，对强化混凝实验的各项参数如初始pH值、混凝剂投加量、助凝剂投加量等进行了优化，结果显示，最优实验条件如下：反应初始pH值为8.03，最佳混凝剂为聚合硫酸氯化铝且其最佳投加浓度为500 mg/L，最佳助凝剂为Poten1369且其最佳投加量为2.0 mg/L，混凝后出水的化学需氧量（CODCr）、浊度、总有机碳（TOC）和色度分别降为43.7 mg/L、1.47 NTU、12.72 mg/L和16倍，其相应的去除率分别达到81.05%、98.05% 、71.52%和98.00%。由实验结果可知，强化混凝对河道黑臭水体的预处理具有良好效果。

关键词：黑臭水体；强化混凝；絮凝剂；复配药剂；环境工程

中图分类号：X703

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）12007504

1引言

随着经济的发展，城市水系生态环境出现了诸多问题。由于某些地区的工业企业乱排乱放现象十分严重，当地河道水域水质日益恶化，形成了大面积的黑臭水体，对环境也造成严重的不良影响。随着“水十条”的公布，国家政策的重视以及公民环保意识的提高，对黑臭水体的治理已迫在眉睫。

国内外研究表明，目前对黑臭水体治理的物理方法主要有人工曝气、底泥疏浚、物理化学法或生物法处理，其中在人工曝气技术的研究中采用了微气泡或低强度曝气法[1～3]，底泥疏浚的技术主要是将河道底泥挖出进行固定化处理[4，5]；物理化学法主要采用化学强化混凝[6～8]、Fenton试剂氧化[9]等，生物法主要包括生物膜法[10，11]、微生物强化技术[12，13]和曝气生物滤池[14，15]。

本文通过采用强化混凝的方法对某黑臭水体进行预处理，通过优化混凝反应的各项参数，使黑臭水体的CODCr、TOC、浊度及色度等指标值也得到有效降低。

2实验部分

2.1主要仪器和试剂

实验所用仪器主要有：上海雷磁PHS-3C精密pH计、承德华通CTL-12A CODCr速测仪、德国耶拿multi-N/C测试仪、美国哈希1900C便携式浊度仪、德国耶拿SPECORD 200/PLUS光谱扫描仪、金坛瑞华SHZ-82A恒温振荡器。

实验所用的药剂氢氧化钠、硫酸为分析纯，聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铁（PFS）、聚合硫酸氯化鋁（PASC）、聚合氯化铝铁（PAFC）、聚合硅酸铝铁（PAFS）为工业级，博天环境研发的专有阴离子PAM助凝药剂Poten1366、Poten1367、Poten1368、Poten1369、Poten1370 （其分子量分别为1200万、1400万、1600万、1800万和2000万）。

2.2分析方法

CODCr采用《水质 化学需氧量的测定 重铬酸钾法》（GB 11914-89）测定；色度采用《水质 色度的测定 稀释倍数法》（GB 11903-89）测定； pH值采用《水质 pH值的测定 玻璃电极法》（GB 6920-86）测定；TOC采用《水质 总有机碳（TOC）的测定 非色散红外线吸收法》（GB 13193-91）测定 ；色度采用《水质 色度的测定》（GB 11903-89）中的稀释倍数法测定；浊度采用1900C便携式浊度仪测定。

2.3废水水质

实验所需废水于某市黑臭河道内采取，现取现用，初始水质指标如表1所示。

表1某黑臭水体废水水质指标

指标CODCr/（mg/L）pH值SS/（mg/L）浊度/NTU色度/倍

数值230.78.03137575.3800

2.4实验方法

设置恒温水浴振荡器温度为20℃，取水样100 mL分别置于于150 mL锥形瓶中，调节废水pH值并分别加入混凝药剂，将锥形瓶至于振荡器中，在转速200～250 r/min下快速振荡30 s，然后再在转速60～80 r/min转速下震荡30 min，将反应后水样倒入量筒中静置30 min，取液面下2～3 cm处上清液测定CODCr、浊度、TOC等水质指标，评价水质分析结果。

3实验结果与分析

3.1混凝剂种类对污水混凝处理效果的影响

固定废水初始pH值为8.03，分别采用PAC、PFS、PAFC、PASC和PAFS作为混凝剂，各混凝剂的投加浓度为500 mg/L，按照前文中的实验方法反应后，检测出水CODCr、浊度、TOC等指标并计算其去除率，评价得出具有最佳处理效果的混凝剂，实验结果如图1所示。

当单独采用PAC、PAFC和PASC分别用于混凝反应时，废水的CODCr去除率分别为70.03%、69.08%和71.12%，浊度去除率分别为96.51%、96.51%和97.60%；采用PFS和PSAF时，CODCr去除率分别为54.68%和51.69%，浊度去除率分别为72.11%和78.35%，均较低。当采用PASC 作为混凝剂时，废水的TOC去除率达到47.63%，明显高于采用其他几种混凝剂的处理效果。通过数据分析还可以看出，铝盐高分子混凝剂的处理效果明显优于铁盐高分子絮凝剂。因此选择PASC作为最佳混凝剂，并在后续的实验条件考察中使用。

3.2初始pH值对污水混凝处理效果的影响

采用PASC作为混凝剂，固定其投加浓度为500 mg/L，调节污水初始pH值分别为6.03、6.52、7.05、7.55、8.03、8.48，按照文中的实验方法反应后，检测出水CODCr、浊度、TOC等指标并计算其去除率，评价得出具有最佳混凝效果的初始pH值，实验结果如图2所示。

由图2可知，随初始pH值的改变，污水混凝处理效果也发生改变。从处理效果来看，随pH值升高，污水的浊度去除率升高，当pH值在6.5以上时，污水浊度去除率达到91.47%以上，且升高的趋势变缓，当pH值达到8.5时，浊度去除率有下降的趋势。污水的CODCr去除率随pH值变化不明显，在66%～69%范围内波动，污水的TOC去除率随pH值升高有逐渐上升的趋势，并在pH值为8.03左右达到最大值54.69%。

pH值是混凝反应的重要参数之一，决定着水体酸碱性及其中固体颗粒物表面的酸碱特性，从而影响混凝剂的形态分布与转化[16]。由图2中曲线趋势可得，在本实验体系中酸度、碱度太大均会改变体系中胶体或微粒的表面电位，从而使其分散不易凝聚，造成出水水质浊度上升，因此选择进行混凝反应的最佳初始pH值为8.03。

3.3PASC投加浓度对污水混凝处理效果的影响

固定污水的pH值为8.03，采用PASC作为混凝剂，改变PASC的投加浓度分别为200、300、400、500、600和700 mg/L，按照文中的实验方法进行反应，检测出水CODCr、浊度、TOC等指标，评价得出具有最佳混凝效果的PASC投加浓度，实验结果如图3所示。

由图3可知，随PASC投加浓度的增加，污水的浊度和CODCr去除率均有上升趋势。当PASC投加浓度大于300 mg/L时，污水的浊度去除率达到93.98%以上，同时上升趋势变缓。当PASC投加浓度达到500 mg/L时，污水的CODCr去除率为71.12%，继续提高投加浓度，CODCr的去除率变化不明显。污水的TOC去除率随PASC投加濃度的增加逐渐上升，当PASC投加浓度达到400 mg/L时，TOC去除率为53.92%，继续提高PASC投加浓度，TOC去除率变化不明显。这是由于混凝剂在反应过程中起到电性中和和压缩双电层的作用，PASC投加后，胶体或微粒表面的双电层被压缩，电位降低，胶体之间的斥力减小，其相互碰撞的几率增加，有利于废水中污染物胶体或微粒的凝聚絮凝，当投加絮凝剂过量时，由于废水中的胶体颗粒物的减少，水质污染物去除率提高不明显。

综合考虑各分析指标去除率的变化和经济效益，选择污水进行混凝反应时的PASC最佳投加浓度为500 mg/L。

3.4助凝剂种类对污水强化混凝处理效果的影响

固定污水初始pH值为8.03，PASC的投加浓度为500 mg/L，分别采用分子量为1200万、1400万、1600万、1800万和2000万的阴离子PAM对其进行强化混凝反应。在PASC投加完成快速振荡30 s后，分别加入不同分子量的助凝剂0.5 mg/L，然后按照文中的实验方法进行反应，检测出水CODCr、浊度、TOC等指标，考察不同分子量的助凝剂与PASC复配后对污水的强化混凝处理效果，评价得出具有最佳强化混凝效果的助凝剂，实验结果如图4所示。

由图4可知，随助凝剂分子量增加，污水的浊度去除率未有太大变化，而CODCr去除率随助凝剂分子量增加，略有上升。当选择助凝剂为Poten1369，分子量为1800万时，CODCr和TOC的去除率最高，分别为75.11%和55.00%。当助凝剂分子量达到2000万时，废水CODCr、TOC和浊度去除率指标均下降。这是因为随着助凝剂分子量的增大，助凝剂分子链节上的有效官能团增多，对悬浮微粒的凝聚率也增加，对废水中有机、无机分子的吸附效果也相应提高。但当助凝剂分子量达到一定水平时，其在溶液中往往不易伸展，反而降低了有效官能团与溶液中胶体微粒的接触几率，从而降低了废水出水污染物的去除率。

所以综合各指标去除率分析，采用Poten1369作为最佳混凝助凝剂，并用于后续实验因素的考察。

3.5助凝剂Potenflo1369投加量对污水混凝预处理效果的影响

固定污水初始pH值为8.03，PASC的投加浓度为500 mg/L，在投加PASC并快速振荡30 s后，投加助凝剂Poten1369，投加浓度分别为0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mg/L，按照文中的实验方法进行反应，检测出水CODCr、浊度、TOC等指标，考察与PASC复配后，助凝剂Poten1369投加浓度对污水的强化混凝处理效果的影响，实验结果如图5所示。

由图5可知，随Poten1369投加浓度的增加，浊度去除率缓慢增加；CODCr去除率呈先增加后降低趋势，并在Poten1369投加浓度为2.0 mg/L时，取得最大值81.05%；TOC去除率呈增加趋势，当Poten1369投加浓度达到2.0 mg/L时，TOC去除率达到71.52%，且增加趋势变缓。这是因为当废水中助凝剂浓度升高时，助凝剂携带的有效官能团使废水中悬浮微粒的凝聚效果增加，混凝过程中吸附架桥和网捕沉淀的作用增强，但当助凝剂分子投加过量时会导致废水黏度增加，不利于混凝反应进行，且游离的助凝剂分子还会增加废水的CODCr和TOC值。

综合各指标去除率考虑，助凝剂Poten1369的最佳投加浓度为2.0 mg/L。

3.6河道黑臭水体处理前后的水质对比

采用强化混凝处理技术，单因素实验考查得出的最佳条件如下：初始pH值为8.03，PASC的投加浓度为500 mg/L，助凝剂Poten1369的投加浓度为2.0 mg/L。在此条件下，目标河道黑臭污水强化混凝处理前后的水质指标对比如表2所示。

如表2可知，经过强化混凝处理后的河道黑臭废水，CODCr达到43.7 mg/L，TOC为12.74 mg/L，浊度为1.83 NTU，总氮为57.44 mg/L，总磷为2.26 mg/L，色度为16倍。由上述实验结果可知，强化混凝对河道黑臭污水具有良好的预处理效果。

2017年6月绿色科技第12期

4实验结论

通过考察强化混凝预处理河道黑臭水体的试验研究，得出以下结论。

（1） 强化混凝处理技术对河道黑臭水体的处理具有良好的预处理效果；强化混凝经优化实验参数后处理的河道黑臭废水，CODCr达到43.7 mg/L，TOC为12.74 mg/L，浊度为1.47 NTU，色度为16倍。

（2） 采用单一混凝剂处理河道黑臭污水时，铝盐类处理效果强于铁盐类，最佳混凝剂为PASC，反应pH值为8.03，且随PASC投加浓度增加，处理效果有所提高。

（3） 采用有机高分子助凝剂和混凝剂PASC复配时，随助凝剂分子量提升，助凝效果提高，分子量过高会导致助凝效果下降。

（4）该方法具有工艺简洁、处理效率高、耐冲击负荷等优点。

总体来说，强化混凝是一种经济有效、适用性好的河道黑臭水体预处理方法。

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