活性炭與混凝劑預(yù)處理不同廢水的效果對比

李 昆，郭遠(yuǎn)濤，孫盛進(jìn)，辛佳期，肖叢亮，卓夢瓊，魏源送，2*

(1 南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330038；2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，水污染控制實(shí)驗(yàn)室，北京 100085)

隨著污水排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，傳統(tǒng)的污水處理工藝面臨越來越多的挑戰(zhàn)，更無法滿足持續(xù)增長的污水回用需求[1]。納濾作為一種極具發(fā)展前景的膜技術(shù)，近年來引起了人們的廣泛關(guān)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(jìn)一步應(yīng)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(jìn)行預(yù)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(qiáng)的特點(diǎn)，常被用作廢水預(yù)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(yù)處理中的實(shí)際效果與廢水的組成成分、活性炭的結(jié)構(gòu)等均密切相關(guān)。在混凝預(yù)處理方面，已有文獻(xiàn)證明鋁系和鐵系的無機(jī)混凝劑在廢水預(yù)處理方面表現(xiàn)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(zhì)以及混凝過程的操作參數(shù)條件均密切相關(guān)，在實(shí)際運(yùn)用過程中往往需要根據(jù)廢水的組成成分、經(jīng)過對操作條件的篩選和優(yōu)化，來確定廢水預(yù)處理中的吸附劑或混凝劑的種類及用量，以達(dá)到最佳的預(yù)處理效果，有效提高后續(xù)膜處理效率，延緩膜污染的發(fā)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(zhì)的預(yù)處理，以期減輕其后續(xù)用于膜工藝段處理的膜污染問題。考察了對有機(jī)物、色度、濁度和電導(dǎo)率(electrical conductivity，EC)的去除率，從而選擇和優(yōu)化吸附劑和混凝劑的用量，以達(dá)到最佳的預(yù)處理效率。

1 材料與方法

1.1 廢水水質(zhì)特征

試驗(yàn)用城市污水水源為北京市昌平區(qū)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(yàn)用紡織廢水水源為天津市某紡織印染企業(yè)好氧段出水；試驗(yàn)用制藥廢水為江蘇省無錫市某制藥企業(yè)好氧段出水，各種廢水的水質(zhì)特征詳見表1。

表1 不同廢水的水質(zhì)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(chǔ)上[8]，試驗(yàn)選取4種粒徑和材質(zhì)各不相同的活性炭材料，使用前先對活性炭材料進(jìn)行堿洗、酸洗以去除其孔隙結(jié)構(gòu)中殘留的雜質(zhì)，然后置于超純水中反復(fù)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(yàn)用活性炭種類

1.2.2 混凝劑

本研究選取了4種混凝劑進(jìn)行試驗(yàn)，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(zhèn)太芙凈水劑廠；PAClb，北京普林森環(huán)保科技有限公司)。兩種PACl中3種不同形態(tài)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(fā)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(jìn)行了測定(表3)。結(jié)合表3數(shù)據(jù)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(tài)(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(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 活性炭篩選與參數(shù)優(yōu)化

對不同水質(zhì)下活性炭預(yù)處理工藝進(jìn)行炭種篩選、工藝參數(shù)優(yōu)化，通過吸附實(shí)驗(yàn)篩選出最優(yōu)炭種，優(yōu)化工藝參數(shù)以取得最佳預(yù)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(zhuǎn)速150 r·min-1下恒溫振蕩24 h，然后將經(jīng)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(jī)碳(total organic carbon，TOC)、UV254、濁度、色度、EC等指標(biāo)。

2.2.1 加快信息化平臺建設(shè)步伐，完善管理機(jī)制當(dāng)前，科技發(fā)展日新月異，作為一所培養(yǎng)國家建設(shè)需要的綜合性應(yīng)用型人才的高校，無論在教育教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施還是管理體制上，大理大學(xué)都應(yīng)跟上時代發(fā)展的步伐，與時俱進(jìn)。完善學(xué)校信息化平臺的建設(shè)已經(jīng)迫在眉睫，包括學(xué)生管理網(wǎng)站、門禁系統(tǒng)、多功能校園一卡通（用于就餐、購物、圖書借閱、考勤計數(shù)等刷卡）等，亟待完善。

活性炭投加量試驗(yàn)：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(zhuǎn)速150 r·min-1下恒溫振蕩24 h，然后將經(jīng)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(biāo)。

1.3.2 混凝操作步驟確定

針對不同處理水質(zhì)，篩選出合適的混凝劑、投加量以及最佳的操作參數(shù)，以取得最佳預(yù)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(zhuǎn)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(shù)(無實(shí)測時建議取0.3～0.5，計算時按0.3)。

槳葉旋轉(zhuǎn)角速度計算公式如下：

ω=2πn

其中n為轉(zhuǎn)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(yùn)用上述公式，通過試驗(yàn)測定可以得到混凝攪拌器的速度梯度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如表4。

表4 速度梯度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

結(jié)合文獻(xiàn)[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(yù)攪拌30 s后，再在轉(zhuǎn)速為160 r·min-1下快攪1 min，然后在轉(zhuǎn)速為40 r·min-1下慢攪15 min，再停止攪拌沉淀15 min。沉淀結(jié)束后，在液面下3 cm處取樣用于后續(xù)分析。

1.3.3 混凝劑篩選與參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

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(yù)先設(shè)定好的攪拌策略下進(jìn)行混凝試驗(yàn)，將水樣在180 r·min-1下預(yù)攪拌30 s后，在轉(zhuǎn)速為160 r·min-1下快攪1 min后，然后在轉(zhuǎn)速為40 r·min-1下慢攪15 min，再停止攪拌沉淀15 min。沉淀結(jié)束后對水樣上清液取樣，測定pH、TOC、UV254、濁度、色度、EC等指標(biāo)。

1.4 分析方法

常規(guī)的水質(zhì)指標(biāo)依據(jù)廢水監(jiān)測分析方法測定[13]，化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)依照HACH標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)率儀(HI4321，Hanna，意大利)測定。污染指數(shù)(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(jìn)水條件[11,12]。

2 結(jié)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(zhì)中表現(xiàn)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(biāo)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(yīng)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(biāo)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(yōu)，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(yōu)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(biāo)的去除效果有一定差別，當(dāng)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(dá)到最大值，因此可以認(rèn)為3.0 g/100 mL為最佳投加量。在制藥廢水方面，可以看到當(dāng)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(dāng)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(shí)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(yōu)化

由圖3可以看到，不同劑量的FeCl3和Al2(SO4)3對污水中指標(biāo)物質(zhì)去除效果有顯著的區(qū)別。在城市污水方面，總體來說鋁鹽和鐵鹽對指標(biāo)物質(zhì)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(jī)物的去除效果優(yōu)于鋁鹽，當(dāng)投加量達(dá)到0.5 mmol·L-1時鐵鹽對有機(jī)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(biāo)物質(zhì)去除率均不高，當(dāng)投加量達(dá)到0.5 mmol·L-1時鐵鹽對TOC去除率達(dá)到最高(18.9%)。紡織廢水方面，鐵鹽對有機(jī)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(jìn)而導(dǎo)致了其沉降性變差，鐵鹽也存在類似的現(xiàn)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(guān)。

從圖4中可以看到兩種PACl對3種廢水的處理效果呈現(xiàn)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(biāo)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(yōu)于PAClb，在投加量為0.5 mmol·L-1時，PACla對TOC、UV254和色度去除率達(dá)到最大值(38.5%,32.4%和67.4%)。制藥廢水方面，當(dāng)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(yōu)，當(dāng)投加量達(dá)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(jī)物去除方面占優(yōu)，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(jī)物成分有關(guān)，總體來說PACla對有機(jī)物指標(biāo)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(tài)分布，尤其是Alb的含量密切相關(guān)[9]。

綜合上述兩組試驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)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(yù)處理效率比較

如表5所示，在前步實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的投加量基礎(chǔ)上，比較了優(yōu)選的活性炭和混凝劑對3種廢水的預(yù)處理效果。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，針對城市污水的水質(zhì)條件，采用活性炭B吸附預(yù)處理效果更佳，其處理后的廢水SDI指數(shù)較PACla處理更低；針對制藥廢水水質(zhì)條件，采用FeCl3作為混凝劑預(yù)處理效果更佳，對應(yīng)地也體現(xiàn)在更低的SDI指數(shù)上；對于紡織廢水水質(zhì)條件，采用活性炭D吸附預(yù)處理效果最好，而混凝劑處理效果不佳，從SDI指數(shù)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(jī)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(yù)處理帶來了更高的成本。將吸收劑和混凝劑的使用相結(jié)合，以更合理的成本獲得最佳的預(yù)處理效果，是一種更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法[5]。

表5 優(yōu)選條件下活性炭和混凝劑對不同廢水的預(yù)處理效果

3 結(jié)論

試驗(yàn)選取了4種不同材質(zhì)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(jìn)行了活性炭品種篩選和投加量優(yōu)化以及混凝劑品種篩選和投加量優(yōu)化。結(jié)果表明，對于城市污水的水質(zhì)特點(diǎn)，采用活性炭B吸附，在30g·L-1的投加量下其預(yù)處理效果更佳；對于制藥廢水的水質(zhì)特點(diǎn)，采用以FeCl3為絮凝劑，在投加量為0.5 mmol·L-1時其預(yù)處理效果最佳；對于紡織廢水的水質(zhì)特點(diǎn)，采用以PACla為絮凝劑，在投加量為0.5 mmol·L-1時其預(yù)處理效果最佳。結(jié)合SDI測試分析發(fā)現(xiàn)，3種不同水質(zhì)特點(diǎn)的廢水經(jīng)過上述優(yōu)化的預(yù)處理方法處理后的水質(zhì)條件均可以滿足后段膜處理工藝的進(jìn)水水質(zhì)需求，為今后進(jìn)一步應(yīng)用和拓展提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。