活性炭与混凝剂预处理不同废水的效果对比

李 昆，郭远涛，孙盛进，辛佳期，肖丛亮，卓梦琼，魏源送，2*

(1 南昌大学资源环境与化工学院，鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，江西 南昌 330038；2 中国科学院生态环境研究中心，水污染控制实验室，北京 100085)

随着污水排放标准的日益严格，传统的污水处理工艺面临越来越多的挑战，更无法满足持续增长的污水回用需求[1]。纳滤作为一种极具发展前景的膜技术，近年来引起了人们的广泛关注，然而，膜污染问题仍是阻碍了其在废水深度处理和回用中进一步应用的主要限制性因素之一[2-3]。采用活性炭吸附和混凝对废水进行预处理是缓解膜污染的有效途径之一[4]。活性炭具有比表面积大、吸附能力强的特点，常被用作废水预处理的吸附剂[5]。但由于源于不同材料制备的活性炭种类较多，其在废水预处理中的实际效果与废水的组成成分、活性炭的结构等均密切相关。在混凝预处理方面，已有文献证明铝系和铁系的无机混凝剂在废水预处理方面表现出了良好的处理效果，常见的高效混凝剂有硫酸铝、氯化铁和聚合氯化铝等[6-7]。然而，由于混凝剂的处理效果与处理的废水水质以及混凝过程的操作参数条件均密切相关，在实际运用过程中往往需要根据废水的组成成分、经过对操作条件的筛选和优化，来确定废水预处理中的吸附剂或混凝剂的种类及用量，以达到最佳的预处理效果，有效提高后续膜处理效率，延缓膜污染的发生。

本研究分别选取了4种市售的活性炭材料(A-D型)和4种常见的高效混凝剂(FeCl3、Al2(SO4)3、PACla、和PAClb)，用于对城市污水、制药废水和纺织废水3种典型废水水质的预处理，以期减轻其后续用于膜工艺段处理的膜污染问题。考察了对有机物、色度、浊度和电导率(electrical conductivity，EC)的去除率，从而选择和优化吸附剂和混凝剂的用量，以达到最佳的预处理效率。

1 材料与方法

1.1 废水水质特征

试验用城市污水水源为北京市昌平区某污水处理站的二级生化出水，主要处理工艺为氧化沟工艺；试验用纺织废水水源为天津市某纺织印染企业好氧段出水；试验用制药废水为江苏省无锡市某制药企业好氧段出水，各种废水的水质特征详见表1。

表1 不同废水的水质情况

1.2 活性炭和混凝剂种类

1.2.1 活性炭

在前期研究的基础上[8]，试验选取4种粒径和材质各不相同的活性炭材料，使用前先对活性炭材料进行碱洗、酸洗以去除其孔隙结构中残留的杂质，然后置于超纯水中反复震荡冲洗，并置于去离子水中浸泡12 h以上，再在80 ℃下烘箱中烘干备用。

表2 试验用活性炭种类

1.2.2 混凝剂

本研究选取了4种混凝剂进行试验，包括氯化铁(FeCl3，分析纯)、硫酸铝(Al2(SO4)3，分析纯)、聚合氯化铝(PACla，无锡市安镇太芙净水剂厂；PAClb，北京普林森环保科技有限公司)。两种PACl中3种不同形态Al的组分(单核铝Ala、聚合铝Alb和凝胶铝Alc)比例通过Ferron比色法测定[9]，采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES，Optima 2100 DV，Perkin Elmer，USA)对两种PACl中的几种重要元素含量进行了测定(表3)。结合表3数据计算可以得出，PACla和PAClb中Al元素浓度分别为2.972和2.594 mmol·g-1，3种Al的形态(Ala、Alb和Alc)含量分别为PACla：0.720,1.397和0.855 mmol·g-1，PAClb:0.237,0.470和1.887 mmol·g-1。

表3 PACl混凝剂组成成分

1.3 实验方法

1.3.1 活性炭筛选与参数优化

对不同水质下活性炭预处理工艺进行炭种筛选、工艺参数优化，通过吸附实验筛选出最优炭种，优化工艺参数以取得最佳预处理效果。

活性炭筛选：分别称取1.0 g指定品种的活性炭加入装有100 mL废水的250 mL锥形瓶中。置于25 ℃恒温振荡箱中，在转速150 r·min-1下恒温振荡24 h，然后将经过活性炭吸附的水样用0.45μm滤膜滤后，取样用于测定pH、总有机碳(total organic carbon，TOC)、UV254、浊度、色度、EC等指标。

2.2.1 加快信息化平台建设步伐，完善管理机制当前，科技发展日新月异，作为一所培养国家建设需要的综合性应用型人才的高校，无论在教育教学基础设施还是管理体制上，大理大学都应跟上时代发展的步伐，与时俱进。完善学校信息化平台的建设已经迫在眉睫，包括学生管理网站、门禁系统、多功能校园一卡通（用于就餐、购物、图书借阅、考勤计数等刷卡）等，亟待完善。

活性炭投加量试验：分别称取0.2,0.5,1.0,2.0,3.0和4.0 g活性炭加入装有100 mL废水的250 mL锥形瓶中。置于25 ℃恒温振荡箱中，在转速150 r·min-1下恒温振荡24 h，然后将经过活性炭吸附的水样用0.45 μm滤膜滤后，取样用于测定pH、TOC、UV254、浊度、色度、EC等指标。

1.3.2 混凝操作步骤确定

针对不同处理水质，筛选出合适的混凝剂、投加量以及最佳的操作参数，以取得最佳预处理效果。

混凝搅拌器速度梯度(G)由公式(1)计算得到：

(1)

其中G为速度梯度，s-1；P为搅拌功率，W；V为水样体积，m3；μ为水的动力粘度，Pa·s-1。

搅拌功率由公式(2)计算得到：

(2)

其中ω为桨叶旋转角速度，s-1；d为桨叶直径，m；b为桨叶高度，m；ρ为水样密度，kg·m-3；CD为阻力系数(无实测时建议取0.3～0.5，计算时按0.3)。

桨叶旋转角速度计算公式如下：

ω=2πn

其中n为转速，r·s-1；ω角速度，rad·s-1。

将温度T下的粘度μT校正为20 ℃下粘度μ的公式如下：

μ=μT×e(-0.0239(T-20))

综合运用上述公式，通过试验测定可以得到混凝搅拌器的速度梯度与转速的关系如表4。

表4 速度梯度与转速的关系

结合文献[10]确定适宜的混凝沉淀操作步骤为：将加好混凝剂的水样在180 r·min-1下预搅拌30 s后，再在转速为160 r·min-1下快搅1 min，然后在转速为40 r·min-1下慢搅15 min，再停止搅拌沉淀15 min。沉淀结束后，在液面下3 cm处取样用于后续分析。

1.3.3 混凝剂筛选与参数优化试验

FeCl3、Al2(SO4)3和PACl的投加量按Fe3+或Al3+摩尔计，分别选取0.025,0.05,0.1,0.15,0.25,0.5 mmol·L-1的量投加入1 L水样中。在预先设定好的搅拌策略下进行混凝试验，将水样在180 r·min-1下预搅拌30 s后，在转速为160 r·min-1下快搅1 min后，然后在转速为40 r·min-1下慢搅15 min，再停止搅拌沉淀15 min。沉淀结束后对水样上清液取样，测定pH、TOC、UV254、浊度、色度、EC等指标。

1.4 分析方法

常规的水质指标依据废水监测分析方法测定[13]，化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)依照HACH标准法，采用美国HACH公司的DR2800分光光度计测定，TOC采用TOC-VCPH分析仪(Shimadzu，日本)测定，UV254用紫外可见分光光度计(Spectrum Lab 752sp，冷泉科技，中国)测定，水样EC采用电导率仪(HI4321，Hanna，意大利)测定。污染指数(silt density index，SDI)采用SDI测定仪(ZLFI00001，Millipore，美国)测定，一般SDI<5时满足纳滤膜进水条件[11,12]。

2 结果与讨论

2.1 活性炭的筛选

从图1中可以看到，4种不同的活性炭在3种不同的废水水质中表现出了完全不同的去除效果。在城市污水方面，各种活性炭对主要考察指标均有较好的去除率(EC除外)，其中活性炭B对TOC、UV254、色度以及浊度均有很好的效果。在制药废水方面，活性炭A、B、C对TOC、UV254、色度以及浊度的去除效果均不如活性炭D好，因此应选择活性炭D处理制药废水。在纺织废水方面，活性炭B、C、D对其主要指标均有较好的处理效果，其中活性炭D在TOC、UV254、色度去除效果方面占优，浊度去除率稍差，综合考虑，选择活性炭D处理纺织废水。

2.2 活性炭投加剂量的优化

从图2中可以看到，在城市污水方面，不同剂量的活性炭对主要指标的去除效果有一定差别，当投加量为3.0 g/100 mL时，活性炭对TOC、UV254、浊度、色度的去除率均达到最大值，因此可以认为3.0 g/100 mL为最佳投加量。在制药废水方面，可以看到当投加量为2.0 g/100 mL时，活性炭对TOC、UV254、色度的去除效果最佳，浊度去除效果仅次于投加量为2.0 g/100 mL时，综合考虑选取2.0 g/100 mL作为最佳投加量。在纺织废水方面，当投加量为3.0 g/100 mL和4.0 g/100 mL时，活性炭对TOC、UV254、色度的去除率均十分理想，而4.0 g/100 mL时浊度去除率更高，考虑到实际活性炭投加成本等因素，选取3.0 g/100 mL作为最佳投加量。

2.3 混凝剂的筛选与优化

由图3可以看到，不同剂量的FeCl3和Al2(SO4)3对污水中指标物质去除效果有显著的区别。在城市污水方面，总体来说铝盐和铁盐对指标物质的去除效果均随着投加量的提高而升高，在较低浓度下铝盐对TOC有更好的去除效果，而随着投加量的增大，铁盐对有机物的去除效果优于铝盐，当投加量达到0.5 mmol·L-1时铁盐对有机物的去除效果最佳，但铁盐溶液呈红褐色，其脱色效果较差。制药废水方面，铁盐在各投加量下的处理效果几乎均好于铝盐，但两者对指标物质去除率均不高，当投加量达到0.5 mmol·L-1时铁盐对TOC去除率达到最高(18.9%)。纺织废水方面，铁盐对有机物的去除效果总体好于铝盐，但在最高投加量下两者的效果相似，同时随着投加量的增大，铝盐对污水浊度去除效果急剧下降，推测原因可能是投加量的增大影响了絮体的形成，进而导致了其沉降性变差，铁盐也存在类似的现象，此外铁盐对UV254去除效果随投加量增大而显著降低，可能也与浊度的变化有关。

从图4中可以看到两种PACl对3种废水的处理效果呈现出不同的变化趋势。在城市污水方面，总体来说两种PACl对污水中的主要指标的处理效果均随着投加量的升高而增大，其中PACla在TOC、UV254、浊度、色度去除率方面均优于PAClb，在投加量为0.5 mmol·L-1时，PACla对TOC、UV254和色度去除率达到最大值(38.5%,32.4%和67.4%)。制药废水方面，当投加量较低时PACla对TOC和UV254的去除效果较好，而PAClb对浊度和色度的去除效果占优，当投加量达到0.5 mmol·L-1时，PACla对污水中浊度和色度的去除效果与PAClb相近，而对有机物去除方面占优，因此PACla更适合于制药废水的处理。纺织废水方面，两种混凝剂处理后污水浊度均呈上升趋势，推测可能与污水中有机物成分有关，总体来说PACla对有机物指标去除效果较好而PAClb在色度去除方面效果更明显。两种PACl在同一Al投加量下处理效果的不同，与Al的形态分布，尤其是Alb的含量密切相关[9]。

综合上述两组试验结果可以得出结论，在城市污水方面，投加量为0.5 mmol·L-1时PACla处理效果较好；制药废水方面，投加量为0.5 mmol·L-1时FeCl3处理效果最佳；纺织废水方面，投加量为0.5 mmol·L-1时PACla处理效果最佳。

2.4 活性炭和混凝剂预处理效率比较

如表5所示，在前步实验优化的投加量基础上，比较了优选的活性炭和混凝剂对3种废水的预处理效果。从上述实验结果可以看出，针对城市污水的水质条件，采用活性炭B吸附预处理效果更佳，其处理后的废水SDI指数较PACla处理更低；针对制药废水水质条件，采用FeCl3作为混凝剂预处理效果更佳，对应地也体现在更低的SDI指数上；对于纺织废水水质条件，采用活性炭D吸附预处理效果最好，而混凝剂处理效果不佳，从SDI指数上也可以明显看出。总体来说，活性炭在添加量大的情况下，对有机物和色度的去除率更好，但考虑到活性炭的价格较高，也给预处理带来了更高的成本。将吸收剂和混凝剂的使用相结合，以更合理的成本获得最佳的预处理效果，是一种更为经济实用的方法[5]。

表5 优选条件下活性炭和混凝剂对不同废水的预处理效果

3 结论

试验选取了4种不同材质和粒径的活性炭(A-D)以及4种不同的混凝剂(FeCl3、AlSO4、PACla、PAClb)对城市污水、制药废水和纺织废水生化出水进行了活性炭品种筛选和投加量优化以及混凝剂品种筛选和投加量优化。结果表明，对于城市污水的水质特点，采用活性炭B吸附，在30g·L-1的投加量下其预处理效果更佳；对于制药废水的水质特点，采用以FeCl3为絮凝剂，在投加量为0.5 mmol·L-1时其预处理效果最佳；对于纺织废水的水质特点，采用以PACla为絮凝剂，在投加量为0.5 mmol·L-1时其预处理效果最佳。结合SDI测试分析发现，3种不同水质特点的废水经过上述优化的预处理方法处理后的水质条件均可以满足后段膜处理工艺的进水水质需求，为今后进一步应用和拓展提供了理论依据和技术支持。