复合型生物絮凝剂去除低浊水源水中铝的研究

Posted 2023-01-12 残余

篇首语：常说口里顺，常做手不笨。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了复合型生物絮凝剂去除低浊水源水中铝的研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

针对传统无机铝盐絮凝剂在处理低温低浊水时残余铝过高的问题，采用中试装置，应用复合型生物絮凝剂(CBF)处理北方地区冬季低温低浊水源水，考察了在不同混凝条件下处理后水中残余铝浓度的变化。结果表明：复合型生物絮凝剂对水中残余铝有很好的效果，在与聚合氯化铝铁复配进行强化混凝的试验当中，混凝效果提高36.1%，总投药量降低了15%，并且消除了聚合氯化铝铁(PAFC)导致的残余铝升高的现象，出水残余铝浓度仅为0.016mg/L。综合考虑处理效果与投药量，建议复合型微生物絮凝剂与聚合氯化铝铁的最佳复配比为2mg/L∶15mg/L。
由于低浊水中粒子的浓度很低，在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，混凝沉淀效果差。一些如膜过滤或离心法等工艺，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，低浊水的混凝技术已经日趋成熟，铝盐作为传统的常规絮凝剂被广泛应用。
通常，一部分随混凝药剂进入原水中的铝在处理过程中没有被完全去除，作为残余铝留在了水中。随着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，水中残余铝的问题得到了越来越广泛的重视[3-6]。
近年来，由微生物产生的生物高聚物作为一种新型絮凝剂受到了广泛研究。生物絮凝剂作为一种绿色药剂，其有效成份为醣蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和DNA等等，具有安全有效的絮凝效果，可以生物降解，并且对人和环境无毒无害。复合型生物絮凝剂(CBF)是一种高效、无毒、无二次污染的绿色净水剂，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生产，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)。
本研究目的为了探讨CBF处理低浊水的效能及对残余铝的去除，考察浊度和残余铝浓度，探讨最佳混凝条件，为实际应用提供试验基础。
1 试验材料与方法
1.1 试验用水水质
试验用水取自黑龙江省大庆市附近某水库，由于地处北方寒冷地区，冬季冰冻期长达5个月。原水经取水泵加压进入建立在水厂试验室的中试装置中，原水水质见表1，可以看出原水为典型的低温低浊水，并且原水中铝浓度大大超过国家生活饮用水水质标准的0.2mg/L。

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/mL，K2HPO45g/L，MgSO4.7H2O0.2g/L，尿素0.5g/L，，H2PO42g/L，NaCl0.1g/L，酵母膏0.5g/L，pH值为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的制备由固体聚合氯化铝铁(PAFC)(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 静态试验
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。
1.4 中试试验
中试装置搭建于自来水厂内部试验室，模拟该厂实际生产工艺，试验水量3m3/h，混凝工艺包括静态混合器、竖格式网格反应器和逆向流小间距斜板沉淀池，竖格式网格反应器反应时间为25min，小间距斜板沉淀池斜板水平倾角60°，斜板内上升流速1.2mm/s，沉淀时间40min，所有数据在系统平稳运行4h后采集。
2 结果与分析
2.1 静态试验
通过静态试验可以初步确定混凝剂的效能及投药量的大致范围。PAFC和CBF在静态试验中对浊度的去处效果如图1所示。

在图1中可以看出，PAFC对原水中的浊度有着稳定的去处效果，在投药量大于5.0mg/L之后，浊度随着药量的增加而降低，但在投药量增加至15mg/L之后，继续增加投药量对去除效果没有明显增强，最高去除率出现在投药量为18.75mg/L，浊度去除率达到71.6%。CBF的最佳投加量为7.5mg/L，浊度去除率为59.0%。当投药量超过8.75mg/L时，浊度则出现逐渐升高的趋势。PAFC和CBF对低温低浊原水均有较好的去除效果，PAFC对浊度的去除率高于CBF，但达到最佳处理效果时，PAFC的投药量18.75mg/L大于CBF的最佳投药量7.5mg/L。
两种药剂处理后水中残余铝的浓度如图2所示。在静态试验中，PAFC对原水中铝的去除效果不理想，药量的增加导致了水中残余铝的浓度也随之增加。在投加量为18.75mg/L时，残余铝的浓度达到0.402mg/L。CBF对水中铝的去除效果明显，处理后水中残余铝的变化与图1中浊度的变化趋势相似，随投药量的增加而减小，当投药量为10.0mg/L时，水中铝的浓度由0.460减少为0.176，去除率达61.7%。

水中的铝可分为溶解铝和悬浮颗粒铝两种形态，其中溶解铝包括铝与天然有机物、氟化物、磷酸盐(脂)、硫酸盐(脂)和OH-等形成的络合物，另一种以颗粒的形式夹杂在悬浮颗粒当中。在本试验当中，随浊度的降低，势必有部分以颗粒形式存在的铝同时被去除，但在PAFC处理后水中残余铝的浓度没有下降反而上升，说明由于PAFC的投加，向水中引入了溶解态的铝。CBF未向水中引入任何形式的铝，同时对原水中的铝具有明显的去除效果。
2.2 中试试验
2.2.1 CBF与PAFC单独投加混凝试验
在静态试验的基础上，中试试验PAFC和CBF的最大投药量确定为20mg/L和10mg/L。图3显示了在不同混凝剂投加量下水中浊度的变化规律。
从图3中可以看出，中试试验中PAFC和CBF投加量对浊度去除率的变化规律与静态试验结果相似，但混凝效果均有所提高，说明中试试验的水力条件更利于矾花的形成及沉降。PAFC对浊度的去除率高于CBF，但在达到相同处理效果，投药量远远大于CBF。PAFC在投药量为17.5mg/L时出水浊度为0.83NTU。CBF在投加量为5.0mg/L时出水浊度为1.27NTU，处理效果优于静态试验的同时，投药量减小了33.3%。

图4显示了中试试验中两种混凝剂处理出水的残余铝浓度变化。可以看出，中试试验中PAFC处理出水的残余铝浓度变化趋势与静态试验不同，随着投药量的增加，水中残余铝的浓度先减后加，并在PAFC投量较高的情况下明显升高。说明在静态试验中，药剂的倾倒式投加方式及快速搅拌的水力条件，均不能满足PAFC瞬间与原水混合的水解条件，导致混凝剂利用率低下，并使水中残余铝的浓度上升。在中试试验中，PAFC在较低投加量时，浊度随投药量的增加而降低，混凝剂能够得到有效利用，对水中残余铝显示出一定的去除。当投药量大于12.5mg/L时，混凝剂有效利用率逐渐降低，这时则以混凝剂残留在水中的残余铝增加趋势为主，导致残余铝浓度的升高。PAFC在较大投药量时对浊度的去除率最高，但同时导致了处理后水中残余铝浓度的升高。

中试试验中CBF对水中铝的去处明显优于静态试验。由于复合型生物絮凝剂的主要有效成份为多聚糖和蛋白质，不存在增加水中残余铝浓度的可能性，投药量为7.0mg/L时，出水中残余铝的浓度仅为0.041mg/L，明显优于PAFC对残余铝的去除效果。由于两种絮凝剂在单独使用的情况下，PAFC虽可以有效的去处低浊原水的浊度，但增加了水中残余铝的浓度，CBF在较低投加量下即表现出对浊度的有效去除，但最高去除率低于PAFC。因此，考虑将PAFC与CBF复配进行强化混凝试验。
2.2.2 复合型生物絮凝剂与聚合氯化铝铁复配强化混凝试验
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。马放等人在应用CBF处理高浊高藻水的试验中添加阳离子，得到了很好的效果。在本试验中采用复配CBF和PAFC的方法对低浊水源水进行混凝处理。为了确定两种混凝剂的最佳复配比，将CBF与PAFC按不同投加量进行复配，考察浊度与处理后出水残余铝浓度的变化，试验结果见图5、图6。

从图5、图6可以看出，将两种药剂复配使用，对浊度的去除效果明显提高，并且在达到相同处理效果时，复配使用CBF与PAFC的总投药量，低于两种药剂在单独使用时的投加量。在CBF与PAFC的投药量分别为3mg/L和20mg/L时，浊度为0.364NTU，去除率达到80.2%。残余铝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，由于CBF的存在，遏制了由PAFC引入水中的铝而导致的残余铝浓度升高的现象，在CBF与PAFC的投药量分别为4mg/L和10mg/L时，残余铝的浓度仅为0.016mg/L。综合考虑处理效果与经济因素，确定最佳复配比为CBF：PAFC=2mg/L∶15mg/L，混凝后出水浊度0.43NTU，残余铝浓度0.033mg/L。
很明显CBF与PAFC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值为6至8时，生物絮凝剂表面程负电性。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，促进了生物高聚物在对水中悬浮颗粒的吸附能力[10，11]。其促进混凝的原因为压制并稳定功能团的负电性和在粒子间形成桥架结构。将CBF与PAFC进行复配使用，其水解产物在水中形成了非常高效的空间结构。
3 结束语
CBF有效地去除了低温低浊水源水中的铝，在与PAFC复配使用时，消除了PAFC引入原水中的铝，降低混凝后出水中残余铝的浓度，并降低了总的混凝剂投药量。
中试试验中单独使用CBF，投药量为7.0mgL时，出水浊度为1.20NTU，残余铝浓度为0.041mg/L，去除率达到94.8%。
将CBF与PAFC复配进行强化混凝，混凝效果得到明显提高，出水残余铝浓度仅为0.016mg/L。混凝过程中两种药剂的水解产物形成了高效的空间结构，主要混凝机理为吸附架桥和卷扫网捕。根据试验结果，建议最佳复配投加量为CBF：2mg/L与PAFC：15mg/L。