复合型生物絮凝剂处理低温低浊水影响因素

Posted 2023-01-11 絮凝

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为探讨复合型生物絮凝剂(CBF)在处理低温低浊水源水过程中的影响因素，采用实验室静态试验方法，考察投加量、pH、阳离子絮凝剂等因素对絮凝效果的影响.结果表明：在单独使用CBF时，当投药量范围在5～17.5mg/L以内，CBF可有效地去除水中浊度与高锰酸盐指数(CODMn)，最佳投加量为7.5mg/L.CBF在弱碱性条件下絮凝率较高，最佳pH为8.0.在混凝过程中投加阳离子絮凝剂可有效提高CBF对低温低浊水的处理效果并减少投药量.在与聚合氯化铝铁(PAFC)复配使用时，最佳投药量分别为4mg/L和10mg/L，此时浊度去除率为73.0%，CODMn去除率为60.7%.
文献标识码：A
文章编号：0367-6234(2009)08-0042-04
我国北方城市水源70%以上为地表水，而在北方地区每年长达5～6个月的冰封期当中，水质长时间处于低温低浊状态.由于低浊水中粒子的浓度很低，在整个混凝过程中粒子碰撞的几率很有限，而且低温导致混凝反应水解不彻底，给饮用水处理带来了很大的困难，常规处理工艺无法满足饮用水安全供应的需要.一些如膜过滤或离心法之类的工艺，虽然有效，但由于建设投资及制水成本的增加，并且操作复杂，影响了其推广和应用.目前，混凝沉淀技术在低温低浊水的处理当中较为普遍，而且铝盐作为传统的常规絮凝剂广泛应用.但是，近年来发现自然水体和水处理过程中所引入的铝可以引发老年痴呆症等疾病，铝盐应用所引发的问题得到广泛重视[3-6].近年来，生物絮凝剂作为一种绿色絮凝剂，由于其安全有效的絮凝效果和易于生物降解等优点而引起广泛关注.2003年，马放教授率先提出了复合型生物絮凝剂(CBF)的概念，CBF由F2和F6两株从土壤中筛选分离出的高效絮凝剂产生菌混合发酵产生，其主要成分为多聚糖(90.6%)和蛋白质(9.3%).F2和F6经鉴定分别为放射根瘤菌(Rhizobiumradiobacter)和球形芽孢杆菌(Bacillussphaeicus).本文探讨CBF在处理低温低浊水过程中的影响因素，考察CBF对原水中浊度和有机物的去除效果，确定最佳混凝条件，为实际应用提供试验基础.
1 试验
1.1 试验用水
试验所用水源水取自黑龙江省大庆市某水源，原水经取水泵进入建立在水厂实验室的中试装置中，为典型的低温低浊水，水质指标见表1.

1.2 混凝剂的制备
高效絮凝剂产生菌由城市水资源与水环境国家重点试验室提供.发酵条件为：摇床140r/min，30℃，发酵时间24h.发酵培养基为：葡萄糖10g/m，lK2HPO45g/L，MgSO4.7H2O0.2g/L，尿素0.5g/L，H2PO42g/L，NaCl0.1g/L，酵母膏0.5g/L，pH为7.5.扩大培养所用的菌液为之前按所需发酵液量10%制备的种子培养液.聚合氯化铝铁絮凝剂(PAFC)的制备由固体聚合氯化铝铁(工业级，山东)配制2.5%聚合氯化铝铁溶液，其他浓度药剂均由稀释此浓度药剂获得.
1.3 试验方法
应用TA6程控六联混凝试验搅拌仪，将源水转移至1000mL的混凝杯中，投加混凝剂，快速(200r/min)搅拌30s，再慢速(60r/min)搅拌2min，静置20min后抽取距离液面2cm处上清液.
2 结果与分析
2.1 投加量的影响
按照标准静态混凝试验的方法，向原水中投加不同量的CBF，考察浊度与CODMn的去除效果，试验结果见图1.

从图1可以看出，CBF对浊度和CODMn具有很好的去除效果.在投加量为7.5mg/L时，浊度由3.56NTU下降到1.46NTU，去除率达到60.0%.CODMn的最佳处理效果出现在投加量为10mg/L时，CODMn下降为1.93mg/L，去除率60.9%.在投加量高于10mg/L时，浊度与CODMn值同时出现上升趋势，说明在投加过量CBF的情况下，絮凝剂的利用率降低，导致混凝效果下降.试验中也可以观察到，在投加过量絮凝剂时所产生的矾花比较松散，沉降性差，经过静沉之后仍有部分悬浮在水中，另外，由于CBF的有效成分为多聚糖和蛋白质，过量的药剂随矾花残留在水中，也导致了CODMn值的增加.综上，在CBF处理低温低浊水源水的静态试验中，最佳投加量为7.5mg/L.
2.2 pH的影响
混凝体系的pH直接影响絮凝剂本身和水体中悬浮物的电荷性质，所以，pH是影响絮凝活性高低的一个重要因素.设计实验，调节原水的pH为5.0～9.0，考察絮凝效果，试验结果见图2.

由图2可以看出，pH在5.0～8.0时，絮凝率随pH的升高而升高，在pH为8.0时，去除率最高为59.3%，pH大于8.0时絮凝率略有下降.当pH在7.0～9.0时絮凝率均保持在50%以上，适合原水pH8.2～8.4的变化范围.现有报道的影响生物絮凝剂絮凝活性的pH范围很宽，从3.0～8.0不等[9，10]，而CBF在微碱性环境下具有较好的絮凝效果，最佳去除浊度的pH为8.0.原因是在碱性条件下，CBF表面负电荷增加，絮凝剂基团间的静电斥力增强，使分子链更加伸展，改变空间结构，更易使絮凝剂和水中悬浮颗粒实现架桥絮凝.
2.3 阳离子絮凝剂的影响
阳离子絮凝剂广泛应用于饮用水混凝处理工艺中，本实验所在水厂采用PAFC作为混凝药剂，在冬季低温低浊期只有提高药量来应对混凝率的下降，最大投药量超过30mg/L，造成了极大的浪费以及混凝后污泥的二次污染等问题.在混凝过程中，无机盐与聚合电解质复配使用可以起到助凝剂的作用.文献[11，12]在应用CBF处理松花江水、造纸废水、煤气废水等试验中添加阳离子絮凝剂，得到了很好的效果.在本试验中，为了强化混凝效果，采用在混凝过程中添加PAFC的方法对低浊水源水进行混凝处理.为确定两种混凝剂的最佳投药量，将CBF与PAFC按不同投加量进行复配，考察出水浊度与CODMn的去除率.参考以往水厂的实践生产经验，投药量定为5至25mg/L.试验结果见图3、4.
从图3、4可以看出，在应用CBF的混凝试验中添加PAFC，对浊度的去除率有显著提高，并且在达到相同处理效果时，CBF与PAFC的投药量均明显减少.在CBF与PAFC的投药量分别为8mg/L和20mg/L时，浊度为0.74NTU，去除率达到79.2%.CODMn的去除效果在复配使用两种药剂的试验中也得到明显加强，并且在超量投加絮凝剂的情况下，CODMn去除率的下降小于单独使用CBF.在CBF与PAFC的投药量分别为6mg/L和20mg/L时，CODMn仅为1.60mg/L.综合考虑处理效果与经济因素，确定最佳复配比为m(CBF)∶m(PAFC)=4∶10，混凝后出水浊度0.96NTU，去除率73.0%，CODMn为1.89mg/L，去除率60.7%.
很明显PAFC与CBF的复配使用强化了絮凝效果.生物絮凝剂表面Zeta电位受pH变化影响，当水中pH为6至8时，生物絮凝剂表面呈负电性.在这种条件下，混凝作用机理主要为架桥.PAFC在水中所提供的阳离子同时减小了生物高聚物和悬浮颗粒表面的负电荷，促进了生物高聚物对水中悬浮颗粒的初始吸附能力[13，14]，并且压制稳定功能团的负电性，强化了电中和作用，从而在粒子间形成桥架结构.同时，PAFC以及其水解产物能够作为晶核来支撑生物聚合物吸附到它的表面，从而通过桥联作用形成更密实的絮体.

3 结论
1)单独使用CBF对低温低浊水源水进行混凝处理，当投药量范围在5～17.5mg/L以内时，CBF可有效去除水中浊度与CODMn，超量投加会导致絮凝效率下降，影响出水水质，最佳投加量为7.5mg/L.
2)CBF在偏碱性环境下絮凝效率较高，pH为7.0～9.0时浊度去除率保持在50%以上，完全适用于原水pH8.2～8.4的变化范围.
3)阳离子絮凝剂的投加可有效提高CBF对低温低浊水的处理效果.由于阳离子絮凝剂增强了CBF的电中和和吸附架桥的联合作用，并且为絮体的形成提供了晶核，所形成的矾花密实，沉降性增强.
4)CBF与PAFC同时使用，投药量远远小于两种药剂单独使用时的投药量，达到最佳混凝效果时，CBF投药量下降了46.7%，PAFC投药量下降了66.7%.综合各方面因素，推荐最佳投药量分别为4mg/L和10mg/L，浊度去除率73.0%，CODMn去除率为60.7%.