微污染窖水處理中混凝劑篩選的實驗研究

郭譯文 武福平 張國珍

摘要：采用正交試驗，對微污染窖水混凝預(yù)處理中的藥劑及水力條件進行了研究，考察了聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鋁（PAS）、聚合硫酸鐵（PFS）和聚合氯化鋁鐵（PAFC）四種混凝劑對微污染窖水中濁度去除率的影響，并比選出最優(yōu)混凝劑，結(jié)合Zeta電位和分形維數(shù)考察指標確定了最佳投加量及水力條件，探究了窖水預(yù)混凝機理。結(jié)果表明：最優(yōu)混凝劑為PAC;當投加量30mg/L，絮凝轉(zhuǎn)速40r/min，絮凝時間30min時，微污染窖水的預(yù)混凝效果最好;實驗中絮體凝聚受網(wǎng)捕卷掃作用影響較大。

關(guān)鍵詞：微污染窖水;正交實驗法;混凝;Zeta電位;分形維數(shù)

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）6-0000-04

1引言

中國西北地處中國內(nèi)陸干旱、半干旱區(qū)域，淡水資源短缺，降雨量稀少 ，供水管道覆蓋困難。隨著甘肅省“雨水集流工程”的實行以及政府的正確引導(dǎo)，集雨水窖在西北村鎮(zhèn)廣泛推廣。但隨之而來的水質(zhì)安全問題牽制著人們的飲水健康和當?shù)毓ぁ⑥r(nóng)業(yè)的發(fā)展。雨水在集流、貯存過程中易受地面泥沙、雜草、枯落葉、糞便等雜質(zhì)的污染，造成窖水中濁度、氨氮、有機物含量超標。當?shù)厮|(zhì)長期不達標嚴重影響了居民的飲用，為此，保證該地區(qū)飲用水水質(zhì)達到要求已迫在眉睫。

在水處理工程中被廣泛應(yīng)用的混凝技術(shù)，對后續(xù)處理工藝有著直接的影響 。為達到高效利用、經(jīng)濟合理的目的，尋找到適用于當下水質(zhì)條件的最優(yōu)混凝劑及其最佳投加量和最佳水力條件是水處理研究中的重要課題。本實驗以西北村鎮(zhèn)微污染窖水為研究對象，運用可解決多因素對比問題的正交實驗法考察聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鋁（PAS）、聚合硫酸鐵（PFS）和聚合氯化鋁鐵（PAFC）四種不同混凝劑下的投加量、絮凝階段的轉(zhuǎn)速與時間，得出每種混凝劑的最佳投量與最佳水力條件，結(jié)合藥劑經(jīng)濟評價比選出最優(yōu)混凝劑并通過Zeta電位和分形維數(shù)確定各因素的最佳水平值，旨在提升此類微污染窖水的處理效果并為其提供參考，以期為混凝預(yù)處理的實際應(yīng)用提供改進思路和技術(shù)支撐。

2材料與方法

2.1實驗材料

2.1.1原水水質(zhì)

實驗期間原水采用甘肅省慶陽環(huán)縣寨柯村某農(nóng)戶典型集雨特征的窖水。西北地區(qū)微污染窖水中含有較多的黃土顆粒和泥沙，濁度較高可達到20～40NTU;Zeta電位：-16～-12 mV。

2.1.2試劑配制

PAC（有效成分Al2O3>29%）、PAS（Al203>29%）、PFS（Fe2O3>19%）、PAFC（Al2O3>29%，F(xiàn)e2O3>4%）分別于110℃恒溫干燥箱中干燥2h，配制成濃度1g/L的使用液。

2.2實驗方法

2.2.1儀器方法

濁度采用便攜式濁度儀HACH2100P（美國哈希公司）測量;Zeta電位采用Zeta電位儀Nano-ZS90（英國馬爾文公司）測量;分形維數(shù)采用顯微圖像法測量。

2.2.2混凝實驗

采用六聯(lián)攪拌器（JJ-4A型國華電器有限公司）進行靜態(tài)燒杯實驗。快速攪拌轉(zhuǎn)速和時間恒定為200r/min和2min，沉淀時間恒定為30min。采樣點位于液面下2cm處并及時測定相關(guān)指標。

2.2.3正交比選實驗

選取混凝劑投加量、絮凝階段的轉(zhuǎn)速以及時間為正交實驗的因素，通過查閱文獻初步選取各因素的水平值，盡量使其覆蓋要考察的范圍。以濁度為考察指標，采用L9（34）型正交實驗.因素與水平的具體確定情況見表1。

2.2.4單因素分析實驗

在正交實驗基礎(chǔ)上進行，以Zeta電位和分形維數(shù)為考察指標對比選出最優(yōu)混凝劑的投加量和水力條件進行驗證和分析，確定出每個因素的最佳水平值。

3結(jié)果與分析

3.1正交實驗結(jié)果與極差分析

通過三次平行實驗數(shù)據(jù)的均值得出四種混凝劑濁度去除率的數(shù)據(jù)，四組正交實驗結(jié)果如表2所示，極差分析結(jié)果如表3所示。

在PAC正交實驗中，各因素對窖水中濁度去除率影響的主次順序為PAC投加量>絮凝轉(zhuǎn)速>絮凝時間;最佳水平選取為：A3B1C3，即PAC投加量30mg/L，絮凝轉(zhuǎn)速20r/min，絮凝時間30min，去除率可達97.89%。

當PAC投加量為2～16mg/L時K值急劇上升，16～30mg/L時K值增長幅度較緩，PAC投加量的較好范圍應(yīng)在16～30 mg/L之間。通過實驗可得，投加量為16mg/L時的最佳去除率96.65%，30mg/L時最佳去除率可達97.89%。表3中絮凝轉(zhuǎn)速由20r/min增至100r/min的過程中K值呈明顯下降趨勢，且絮凝轉(zhuǎn)速為20r/min時PAC對濁度的去除率平均可達90.500%，而絮凝轉(zhuǎn)速為100r/min時其濁度平均去除率下降至83.573%。因此，在20～100r/min范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速越高，PAC對濁度的平均去除率越低。這是由于在混凝過程中，絮凝轉(zhuǎn)速的增加會導(dǎo)致已形成的絮體由于水力梯度過大而發(fā)生破碎或者無法形成大而密實的絮體，造成出水濁度的上升。而當絮凝時間為10～20min時K值增長幅度較緩，20～30 min時K值急劇上升，并結(jié)合PAC對濁度的平均去除率在20min時為84.770%，而在30min時上升至90.907%，可得到在20--30min范圍內(nèi)絮凝時間越長PAC對濁度的平均去除率越高。分析可知，絮凝時間的增長可以使PAC與窖水中的雜質(zhì)充分結(jié)合，更利于形成大而密實的絮體。

PAS正交實驗中，各影響因素主次順序為PAS投加量>絮凝轉(zhuǎn)速>絮凝時間;各因素中的最佳水平：A2B1C2.即PAS投加量16mg/L，絮凝轉(zhuǎn)速20r/min，絮凝時間20min，去除率可達94.53%。

PAS投加量2～16mg/L時K值呈上升趨勢，在16mg/L之后再增加投加量反而會使?jié)岫热コ视忻黠@的下降。由于PAS投加量增加超過一定范圍后，窖水中處于脫穩(wěn)狀態(tài)的雜質(zhì)會產(chǎn)生“膠體保護”，改變其電性，從而使得PAS對濁度的去除率不升反降。絮凝轉(zhuǎn)速從20r/min增至60r/min K值緩慢下降趨于穩(wěn)定，但60r/min增至100r/min的過程中K值呈明顯下降趨勢，即在20～100r/min范圍內(nèi)絮凝轉(zhuǎn)速越高PAS對濁度的平均去除率越低。當絮凝時間處于10～20min時K值增長幅度較大，20～30min時K值有所下降，即在10～20min范圍內(nèi)絮凝時間越長PAS對濁度的平均去除率越高，在20～30min范圍內(nèi)絮凝時間越長PAS對濁度的平均去除率越低。說明對于PAS，絮凝時間的合理增長可使其與窖水中的雜質(zhì)充分結(jié)合，但絮凝時間過長會導(dǎo)致已形成的絮體破碎造成出水濁度的升高。

PFS正交實驗中，各因素影響的主次順序為絮凝時間> PFS投加量>絮凝轉(zhuǎn)速;最佳水平組合為A3B2C3，即PFS濃度30mg/L，絮凝轉(zhuǎn)速60r/min，絮凝時間30min;實驗中濁度去除率都處于90%以下，其中最佳去除率為88.53%。

濁度去除率隨投加量的增加以16mg/L為節(jié)點呈現(xiàn)先降后增的趨勢。當PFS投加量處于2～16mg/L 時，由于脫穩(wěn)雜質(zhì)產(chǎn)生的“膠體保護”，改變了電性，使?jié)岫热コ式档?而投加量16～30mg/L時，PFS又和窖水中的雜質(zhì)形成大量沉淀加強卷掃網(wǎng)捕作用，使去除率再次升高。濁度去除率隨絮凝轉(zhuǎn)速的增加以60r/min為節(jié)點先極速上升后緩慢降低。即在20～60r/min范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速越高PFS對濁度去除率越高。由于混凝過程中，絮凝轉(zhuǎn)速的增加會使PFS與窖水中的雜質(zhì)充分接觸，增加絮體顆粒之間相互碰撞的機會，有利于絮體的形成。濁度去除率隨絮凝時間的增加以20min為節(jié)點先降后增，即在10～20min范圍內(nèi)絮凝時間越長濁度去除率越低，在20～30min范圍內(nèi)絮凝時間越長濁度去除率越高。由于絮凝時間過短會使得PFS無法與窖水中的雜質(zhì)充分接觸發(fā)生反應(yīng)，形成的絮體顆粒較小，造成出水濁度的升高;但絮凝時間的合理增長可使其與雜質(zhì)充分吸引相互結(jié)合，形成大而密實的絮體。

PAFC正交實驗中，各因素影響的主次順序為PAFC投加量>絮凝時間>絮凝轉(zhuǎn)速;最佳水平組合為A3B1C3，即PAFC投加量30mg/L，絮凝轉(zhuǎn)速20r/min，絮凝時間30min時，去除率為97.12%。濁度去除率PAFC投加量呈現(xiàn)增長趨勢，且在16～30mg/L范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定;隨絮凝轉(zhuǎn)速的增加呈下降趨勢，在60～100r/min范圍內(nèi)，由88.753%降至84.370%;隨絮凝時間的增加持續(xù)增長。

3.2最優(yōu)混凝劑及水平值的確定

通過混凝正交試驗分析可得，實驗的四種混凝劑中，PAC和PAFC對濁度的去除效果較好，去除率均可達到97%以上;PFS所需轉(zhuǎn)速較高且處理效果最差，去除率不足90%。對四種混凝劑各進行五家公司的價格調(diào)查，可得PAC均價3200元八，PAS均價3519.6元/t，PFS均價2543.5元/t，PAFC均價3689元/t。結(jié)合實驗結(jié)果與經(jīng)濟分析，選擇PAC作為處理微污染窖水實驗中的最優(yōu)混凝劑開展單因素實驗。為驗證實驗的準確性，按照PAC投加量30 mg/L、絮凝轉(zhuǎn)速20r/min及絮凝時間30min的條件分別進行了6次重復(fù)實驗，實際濁度去除率平均值97.53%與實驗值相近，相對誤差均小于0.5%。

3.2.1投加量的最佳水平值

Zeta電位反應(yīng)顆粒之間相互吸引或排斥的程度，其數(shù)值的絕對值與溶液中膠態(tài)分散體系的穩(wěn)定性密切相關(guān)。數(shù)值越大，說明絮體粒徑越小，體系越穩(wěn)定，絮凝效果越差;反之，數(shù)值越接近0，絮凝效果越好。分形維數(shù)反應(yīng)絮體的密實程度，其數(shù)值與絮體的形態(tài)密切相關(guān)。數(shù)值一般在0～2的范圍內(nèi)，數(shù)值越接近2，說明形成的絮體越密實、越粗大，其沉降性能越好。

如圖1所示，當PAC投加量為30mg/L時，Zeta電位值更接近0，此時靜電斥力小，絮體更容易聚集凝結(jié);分形維數(shù)值更接近2，說明其絮體較為密實。隨著PAC投加量的增加，Zeta電位值趨于0。這是由于PAC水解的高電荷多核絡(luò)合離子壓縮膠粒雙電層可以中和微粒上電位離子所帶電荷，膠粒之間排斥程度減小，使沉淀效果達到最佳，此時絮凝效果最佳。分形維數(shù)隨PAC投加量的增加而增加，在30mg/L后達到穩(wěn)定。PAC投加量的增加使絮體顆粒更密實，沉淀粒子更大，此時絮體凝聚更多的是由網(wǎng)捕卷掃作用產(chǎn)生的。PAC的最佳投加量為30mg/L。

3.2.2水力條件的最佳水平值

PAC預(yù)處理微污染窖水的水力條件單因素實驗結(jié)果如圖2、3所示。當絮凝轉(zhuǎn)速為30～40r/min時，Zeta電位值更接近O，這個階段的靜電斥力較小，絮體更容易凝聚。而分形維數(shù)值變化趨勢顯示轉(zhuǎn)速為40r/min時數(shù)值更接近于2，30r/min時的絮體較細小。所以，PAC的最佳絮凝轉(zhuǎn)速應(yīng)為40r/min。圖3中Zeta電位與分形維數(shù)變化趨勢相同，呈現(xiàn)先增后降，在絮凝時間為30min處達到最大，即此時絮體更易凝聚且密實。

在Zeta電位變化折線圖中，由原水至混凝后出水.Zeta電位數(shù)值始終為負數(shù)，即電性中和并不是微污染窖水于混凝實驗的主要原因。而分形維數(shù)隨絮凝階段轉(zhuǎn)速或時間的增加而先后減。窖水中含有大量黃土和泥沙，其膠體上帶有負電荷，可以吸附PAC中的活性基團，逐漸形成橋連，絮體增大，使PAC與絮體間達到平衡;但絮凝階段轉(zhuǎn)速過高，時間過長，會時絮體破碎且無法形成大而密實的絮體，從而打破之前的平衡，使分形維數(shù)數(shù)值下降。

PAC的最佳水力條件為：絮凝轉(zhuǎn)速40r/min，絮凝時間30min。

4結(jié)論

（1）正交實驗結(jié)果表明，PAC和PAFC對濁度的去除效果最佳，均可達到97%以上;PAS次之;PFS最差。但綜合去除效果、水力條件以及經(jīng)濟分析考慮，選取PAC為實驗的最優(yōu)混凝劑。

（2）當PAC投加量為30mg/L ，絮凝轉(zhuǎn)速為40r/min，絮凝時間為30min時，微污染窖水的預(yù)混凝效果最好。

（3）微污染窖水的預(yù)混凝實驗中絮體凝聚受網(wǎng)捕卷掃作用影響較大，受電性中和影響較小。