活性炭與混凝劑預處理不同廢水的效果對比

李 昆，郭遠濤，孫盛進，辛佳期，肖叢亮，卓夢瓊，魏源送，2*

(1 南昌大學資源環境與化工學院，鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室，江西 南昌 330038；2 中國科學院生態環境研究中心，水污染控制實驗室，北京 100085)

隨著污水排放標準的日益嚴格，傳統的污水處理工藝面臨越來越多的挑戰，更無法滿足持續增長的污水回用需求[1]。納濾作為一種極具發展前景的膜技術，近年來引起了人們的廣泛關注，然而，膜污染問題仍是阻礙了其在廢水深度處理和回用中進一步應用的主要限制性因素之一[2-3]。采用活性炭吸附和混凝對廢水進行預處理是緩解膜污染的有效途徑之一[4]。活性炭具有比表面積大、吸附能力強的特點，常被用作廢水預處理的吸附劑[5]。但由于源于不同材料制備的活性炭種類較多，其在廢水預處理中的實際效果與廢水的組成成分、活性炭的結構等均密切相關。在混凝預處理方面，已有文獻證明鋁系和鐵系的無機混凝劑在廢水預處理方面表現出了良好的處理效果，常見的高效混凝劑有硫酸鋁、氯化鐵和聚合氯化鋁等[6-7]。然而，由于混凝劑的處理效果與處理的廢水水質以及混凝過程的操作參數條件均密切相關，在實際運用過程中往往需要根據廢水的組成成分、經過對操作條件的篩選和優化，來確定廢水預處理中的吸附劑或混凝劑的種類及用量，以達到最佳的預處理效果，有效提高后續膜處理效率，延緩膜污染的發生。

本研究分別選取了4種市售的活性炭材料(A-D型)和4種常見的高效混凝劑(FeCl3、Al2(SO4)3、PACla、和PAClb)，用于對城市污水、制藥廢水和紡織廢水3種典型廢水水質的預處理，以期減輕其后續用于膜工藝段處理的膜污染問題。考察了對有機物、色度、濁度和電導率(electrical conductivity，EC)的去除率，從而選擇和優化吸附劑和混凝劑的用量，以達到最佳的預處理效率。

1 材料與方法

1.1 廢水水質特征

試驗用城市污水水源為北京市昌平區某污水處理站的二級生化出水，主要處理工藝為氧化溝工藝；試驗用紡織廢水水源為天津市某紡織印染企業好氧段出水；試驗用制藥廢水為江蘇省無錫市某制藥企業好氧段出水，各種廢水的水質特征詳見表1。

表1 不同廢水的水質情況

1.2 活性炭和混凝劑種類

1.2.1 活性炭

在前期研究的基礎上[8]，試驗選取4種粒徑和材質各不相同的活性炭材料，使用前先對活性炭材料進行堿洗、酸洗以去除其孔隙結構中殘留的雜質，然后置于超純水中反復震蕩沖洗，并置于去離子水中浸泡12 h以上，再在80 ℃下烘箱中烘干備用。

表2 試驗用活性炭種類

1.2.2 混凝劑

本研究選取了4種混凝劑進行試驗，包括氯化鐵(FeCl3，分析純)、硫酸鋁(Al2(SO4)3，分析純)、聚合氯化鋁(PACla，無錫市安鎮太芙凈水劑廠；PAClb，北京普林森環保科技有限公司)。兩種PACl中3種不同形態Al的組分(單核鋁Ala、聚合鋁Alb和凝膠鋁Alc)比例通過Ferron比色法測定[9]，采用電感耦合等離子體發射光譜(ICP-OES，Optima 2100 DV，Perkin Elmer，USA)對兩種PACl中的幾種重要元素含量進行了測定(表3)。結合表3數據計算可以得出，PACla和PAClb中Al元素濃度分別為2.972和2.594 mmol·g-1，3種Al的形態(Ala、Alb和Alc)含量分別為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混凝劑組成成分

1.3 實驗方法

1.3.1 活性炭篩選與參數優化

對不同水質下活性炭預處理工藝進行炭種篩選、工藝參數優化，通過吸附實驗篩選出最優炭種，優化工藝參數以取得最佳預處理效果。

活性炭篩選：分別稱取1.0 g指定品種的活性炭加入裝有100 mL廢水的250 mL錐形瓶中。置于25 ℃恒溫振蕩箱中，在轉速150 r·min-1下恒溫振蕩24 h，然后將經過活性炭吸附的水樣用0.45μm濾膜濾后，取樣用于測定pH、總有機碳(total organic carbon，TOC)、UV254、濁度、色度、EC等指標。

2.2.1 加快信息化平臺建設步伐，完善管理機制當前，科技發展日新月異，作為一所培養國家建設需要的綜合性應用型人才的高校，無論在教育教學基礎設施還是管理體制上，大理大學都應跟上時代發展的步伐，與時俱進。完善學校信息化平臺的建設已經迫在眉睫，包括學生管理網站、門禁系統、多功能校園一卡通（用于就餐、購物、圖書借閱、考勤計數等刷卡）等，亟待完善。

活性炭投加量試驗：分別稱取0.2,0.5,1.0,2.0,3.0和4.0 g活性炭加入裝有100 mL廢水的250 mL錐形瓶中。置于25 ℃恒溫振蕩箱中，在轉速150 r·min-1下恒溫振蕩24 h，然后將經過活性炭吸附的水樣用0.45 μm濾膜濾后，取樣用于測定pH、TOC、UV254、濁度、色度、EC等指標。

1.3.2 混凝操作步驟確定

針對不同處理水質，篩選出合適的混凝劑、投加量以及最佳的操作參數，以取得最佳預處理效果。

混凝攪拌器速度梯度(G)由公式(1)計算得到：

(1)

其中G為速度梯度，s-1；P為攪拌功率，W；V為水樣體積，m3；μ為水的動力粘度，Pa·s-1。

攪拌功率由公式(2)計算得到：

(2)

其中ω為槳葉旋轉角速度，s-1；d為槳葉直徑，m；b為槳葉高度，m；ρ為水樣密度，kg·m-3；CD為阻力系數(無實測時建議取0.3～0.5，計算時按0.3)。

槳葉旋轉角速度計算公式如下：

ω=2πn

其中n為轉速，r·s-1；ω角速度，rad·s-1。

將溫度T下的粘度μT校正為20 ℃下粘度μ的公式如下：

μ=μT×e(-0.0239(T-20))

綜合運用上述公式，通過試驗測定可以得到混凝攪拌器的速度梯度與轉速的關系如表4。

表4 速度梯度與轉速的關系

結合文獻[10]確定適宜的混凝沉淀操作步驟為：將加好混凝劑的水樣在180 r·min-1下預攪拌30 s后，再在轉速為160 r·min-1下快攪1 min，然后在轉速為40 r·min-1下慢攪15 min，再停止攪拌沉淀15 min。沉淀結束后，在液面下3 cm處取樣用于后續分析。

1.3.3 混凝劑篩選與參數優化試驗

FeCl3、Al2(SO4)3和PACl的投加量按Fe3+或Al3+摩爾計，分別選取0.025,0.05,0.1,0.15,0.25,0.5 mmol·L-1的量投加入1 L水樣中。在預先設定好的攪拌策略下進行混凝試驗，將水樣在180 r·min-1下預攪拌30 s后，在轉速為160 r·min-1下快攪1 min后，然后在轉速為40 r·min-1下慢攪15 min，再停止攪拌沉淀15 min。沉淀結束后對水樣上清液取樣，測定pH、TOC、UV254、濁度、色度、EC等指標。

1.4 分析方法

常規的水質指標依據廢水監測分析方法測定[13]，化學需氧量(chemical oxygen demand，COD)依照HACH標準法，采用美國HACH公司的DR2800分光光度計測定，TOC采用TOC-VCPH分析儀(Shimadzu，日本)測定，UV254用紫外可見分光光度計(Spectrum Lab 752sp，冷泉科技，中國)測定，水樣EC采用電導率儀(HI4321，Hanna，意大利)測定。污染指數(silt density index，SDI)采用SDI測定儀(ZLFI00001，Millipore，美國)測定，一般SDI<5時滿足納濾膜進水條件[11,12]。

2 結果與討論

2.1 活性炭的篩選

從圖1中可以看到，4種不同的活性炭在3種不同的廢水水質中表現出了完全不同的去除效果。在城市污水方面，各種活性炭對主要考察指標均有較好的去除率(EC除外)，其中活性炭B對TOC、UV254、色度以及濁度均有很好的效果。在制藥廢水方面，活性炭A、B、C對TOC、UV254、色度以及濁度的去除效果均不如活性炭D好，因此應選擇活性炭D處理制藥廢水。在紡織廢水方面，活性炭B、C、D對其主要指標均有較好的處理效果，其中活性炭D在TOC、UV254、色度去除效果方面占優，濁度去除率稍差，綜合考慮，選擇活性炭D處理紡織廢水。

2.2 活性炭投加劑量的優化

從圖2中可以看到，在城市污水方面，不同劑量的活性炭對主要指標的去除效果有一定差別，當投加量為3.0 g/100 mL時，活性炭對TOC、UV254、濁度、色度的去除率均達到最大值，因此可以認為3.0 g/100 mL為最佳投加量。在制藥廢水方面，可以看到當投加量為2.0 g/100 mL時，活性炭對TOC、UV254、色度的去除效果最佳，濁度去除效果僅次于投加量為2.0 g/100 mL時，綜合考慮選取2.0 g/100 mL作為最佳投加量。在紡織廢水方面，當投加量為3.0 g/100 mL和4.0 g/100 mL時，活性炭對TOC、UV254、色度的去除率均十分理想，而4.0 g/100 mL時濁度去除率更高，考慮到實際活性炭投加成本等因素，選取3.0 g/100 mL作為最佳投加量。

2.3 混凝劑的篩選與優化

由圖3可以看到，不同劑量的FeCl3和Al2(SO4)3對污水中指標物質去除效果有顯著的區別。在城市污水方面，總體來說鋁鹽和鐵鹽對指標物質的去除效果均隨著投加量的提高而升高，在較低濃度下鋁鹽對TOC有更好的去除效果，而隨著投加量的增大，鐵鹽對有機物的去除效果優于鋁鹽，當投加量達到0.5 mmol·L-1時鐵鹽對有機物的去除效果最佳，但鐵鹽溶液呈紅褐色，其脫色效果較差。制藥廢水方面，鐵鹽在各投加量下的處理效果幾乎均好于鋁鹽，但兩者對指標物質去除率均不高，當投加量達到0.5 mmol·L-1時鐵鹽對TOC去除率達到最高(18.9%)。紡織廢水方面，鐵鹽對有機物的去除效果總體好于鋁鹽，但在最高投加量下兩者的效果相似，同時隨著投加量的增大，鋁鹽對污水濁度去除效果急劇下降，推測原因可能是投加量的增大影響了絮體的形成，進而導致了其沉降性變差，鐵鹽也存在類似的現象，此外鐵鹽對UV254去除效果隨投加量增大而顯著降低，可能也與濁度的變化有關。

從圖4中可以看到兩種PACl對3種廢水的處理效果呈現出不同的變化趨勢。在城市污水方面，總體來說兩種PACl對污水中的主要指標的處理效果均隨著投加量的升高而增大，其中PACla在TOC、UV254、濁度、色度去除率方面均優于PAClb，在投加量為0.5 mmol·L-1時，PACla對TOC、UV254和色度去除率達到最大值(38.5%,32.4%和67.4%)。制藥廢水方面，當投加量較低時PACla對TOC和UV254的去除效果較好，而PAClb對濁度和色度的去除效果占優，當投加量達到0.5 mmol·L-1時，PACla對污水中濁度和色度的去除效果與PAClb相近，而對有機物去除方面占優，因此PACla更適合于制藥廢水的處理。紡織廢水方面，兩種混凝劑處理后污水濁度均呈上升趨勢，推測可能與污水中有機物成分有關，總體來說PACla對有機物指標去除效果較好而PAClb在色度去除方面效果更明顯。兩種PACl在同一Al投加量下處理效果的不同，與Al的形態分布，尤其是Alb的含量密切相關[9]。

綜合上述兩組試驗結果可以得出結論，在城市污水方面，投加量為0.5 mmol·L-1時PACla處理效果較好；制藥廢水方面，投加量為0.5 mmol·L-1時FeCl3處理效果最佳；紡織廢水方面，投加量為0.5 mmol·L-1時PACla處理效果最佳。

2.4 活性炭和混凝劑預處理效率比較

如表5所示，在前步實驗優化的投加量基礎上，比較了優選的活性炭和混凝劑對3種廢水的預處理效果。從上述實驗結果可以看出，針對城市污水的水質條件，采用活性炭B吸附預處理效果更佳，其處理后的廢水SDI指數較PACla處理更低；針對制藥廢水水質條件，采用FeCl3作為混凝劑預處理效果更佳，對應地也體現在更低的SDI指數上；對于紡織廢水水質條件，采用活性炭D吸附預處理效果最好，而混凝劑處理效果不佳，從SDI指數上也可以明顯看出。總體來說，活性炭在添加量大的情況下，對有機物和色度的去除率更好，但考慮到活性炭的價格較高，也給預處理帶來了更高的成本。將吸收劑和混凝劑的使用相結合，以更合理的成本獲得最佳的預處理效果，是一種更為經濟實用的方法[5]。

表5 優選條件下活性炭和混凝劑對不同廢水的預處理效果

3 結論

試驗選取了4種不同材質和粒徑的活性炭(A-D)以及4種不同的混凝劑(FeCl3、AlSO4、PACla、PAClb)對城市污水、制藥廢水和紡織廢水生化出水進行了活性炭品種篩選和投加量優化以及混凝劑品種篩選和投加量優化。結果表明，對于城市污水的水質特點，采用活性炭B吸附，在30g·L-1的投加量下其預處理效果更佳；對于制藥廢水的水質特點，采用以FeCl3為絮凝劑，在投加量為0.5 mmol·L-1時其預處理效果最佳；對于紡織廢水的水質特點，采用以PACla為絮凝劑，在投加量為0.5 mmol·L-1時其預處理效果最佳。結合SDI測試分析發現，3種不同水質特點的廢水經過上述優化的預處理方法處理后的水質條件均可以滿足后段膜處理工藝的進水水質需求，為今后進一步應用和拓展提供了理論依據和技術支持。