混凝法削減城市雨水徑流污染物的效果

樂 俐

(天津水泥工業(yè)設計研究院有限公司,天津 300400)

0 引言

城市降雨徑流污染是降雨過程中形成的雨水徑流流經(jīng)城市地面排水系統(tǒng)直接排放到水體中且匯聚大量的污染物而形成的典型面源污染[1],是城市水生態(tài)環(huán)境污染的重要因素,為第二大面源污染,并已成為江河湖泊的第三大污染源[2-3]。目前,美國暴雨最佳管理措施(如生物滯留池[4-6]、植草溝[7-8]、人工濕地[9-10]等)得到了廣泛的應用,可控制城市降雨徑流面源污染。我國相關(guān)處理設施較少,且上述方法占地面積大,后期維護管理難度高,投入較大[11]。混凝法是水處理方法中最常用、最經(jīng)濟、最重要的方法之一。混凝是污水處理工藝的核心,關(guān)于混凝法對城市雨水徑流污染物削減的報道較少。張丹丹等[12]對聚合氯化鋁投加量與不同雨水徑流水質(zhì)的不同污染物指標削減之間的影響作用進行了研究。任依麗等[13]探索了聚合氯化鋁對不同下墊面的雨水徑流濁度、COD、TP的去除效果,但這些研究沒有考察不同混凝劑類型對城市雨水徑流主要污染物(如濁度、COD、TN、TP)的削減效率。本研究采用混凝燒杯試驗,分析混凝法對城市降雨地表徑流污染物(濁度、CODcr、TN、TP)削減作用的有效性及可行性,探討混凝劑投加量、徑流污染物濃度、混凝劑類型對污染凈化效果的影響,為進一步研究混凝法去除降雨地表徑流污染物的機理、提升污染削減效率及其推廣應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要試劑與儀器

聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鋁(PAS)、聚合氯化鐵(PFC)、聚合硫酸鐵(PFS)及聚合氯化鋁鐵(PAFC)均為工業(yè)級(鞏義市漢邦凈水材料廠生產(chǎn))。氫氧化鈉、鹽酸(優(yōu)級純,天津市天城化工有限公司生產(chǎn))用超純水配成0.10 mol/L溶液,用于調(diào)節(jié)pH。COD快速分析試劑(優(yōu)級純,Merck),過硫酸鉀(優(yōu)級純,Fluka),鉬酸銨(優(yōu)級純,天津市化學試劑四廠生產(chǎn))。

ZR4-6混凝實驗攪拌器(深圳市中潤水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司生產(chǎn)),PhotoLab S12光度計(德國WTW公司生產(chǎn)),CR2200加熱消解器(德國WTW公司生產(chǎn)),HI93414高精度濁度分析儀(北京哈納沃德儀器有限公司生產(chǎn)),752N紫外可見分光光度計(上海精密科學儀器有限公司生產(chǎn)),電子分析天平(北京賽多利斯儀器有限公司生產(chǎn)),PB-10臺式pH計(北京賽多利斯儀器有限公司生產(chǎn))。

1.2 混凝實驗

實驗用水人工調(diào)配,水質(zhì)穩(wěn)定,控制方便。稱取牛肉膏1.26 g、蛋白胨1.58 g、磷酸氫鈉2.50 g、尿素3.15 g、硫酸銨7.50 g、白砂糖7.88 g、淀粉15.75 g、碳酸氫鈉31.50 g、無水碳酸鈉50.50 g,溶于1 L蒸餾水中制成原水。根據(jù)天津城市雨水徑流污染水平[1,14],即低、中、高3種污染物濃度,分別由原水按照1∶200、1∶800、1∶2000的比例稀釋而成,如表1所示。各取1 L稀釋水調(diào)節(jié)pH為7.00,分別加入90.92 mg、397.38 mg、883.33 mg高嶺土,使3種污染物濃度水樣的濁度分別為64、181、588 NTU。各取低、中、高3種污染物濃度水樣1 L,加入一定量的混凝劑,在350 r/min攪拌速度下攪拌1 min,在60 r/min攪拌速度下攪拌15 min,靜沉30 min后在液面下2 cm處取上層清液進行指標測定。

表1 人工調(diào)配城市降雨地表徑流污染物濃度及分析方法

1.3 分析方法

天津城市河流水質(zhì)主要污染因子,即濁度、CODcr、TN、TP被選作雨水徑流污染物分析指標,由HI93414高精度濁度分析儀測定濁度,其余指標均采用文獻方法進行分析,具體見表1。

2 結(jié)果與討論

混凝法對低、中、高3種污染物濃度水平的雨水徑流污染物削減作用如下:濁度的平均削減率分別是77.48%、77.82%、58.38%,CODcr的平均去除率分別為77.92%、65.30%、32.46%,TN的削減率分別是52.23%、23.39%、38.35%,TP的削減率分別是60.91%、59.64%、66.02%。

2.1 混凝劑類型對雨水徑流污染物削減率的影響

采用PAC、PAS、PFC、PFS、PAFC等5種常用混凝劑進行混凝法削減城市降雨地表徑流污染物實驗,去除效果如表2所示。由表2可知,對于低污染物濃度,PFC與PAFC對濁度的平均削減率要高于其他3種混凝劑,分別達到90.23%、90.88%。5種混凝劑對CODcr的平均削減率均大于70%,其中PFC對CODcr的平均去除率最高,為83.01%。對于TN的平均削減率,PAFC>PAS>PFS>PAC>PFC,PAFC為76.08%,而PFC只有24.62%,相差51.46%,t檢驗兩者差異顯著。PFC對TP的平均削減率要優(yōu)于其余4種混凝劑,可達到78.54%。對于中污染物濃度,PFC與PAFC對濁度的平均削減率要高于其他3種混凝劑,分別達到89.28%、92.17%。5種混凝劑對CODcr的平均削減率排序為PAS>PFC>PAFC>PFS>PAC,其中PAS對CODcr的平均去除率可達到76.87%,PFC>PAFC>PAS>PAC。PFC與PFS對TP的平均削減率要優(yōu)于其余3種混凝劑,分別是70.36%、76.89%。對于高污染物濃度,PFC對濁度的平均去除率明顯高于其他混凝劑,可達到89.28%。5種混凝劑對CODcr的平均削減率排序為PFC>PAC>PAFC>PFS>PAS,其中PFC對CODcr的最低去除率達到了72.71%,而PAS只有12.30%,相差60.41%,t檢驗兩者差異顯著。對于TN的平均削減率,PAS>PFS>PAC>PAFC>PFC。PAC、PFC及PFS對TP的平均去除率均超過了70%,分別為74.53%、70.36%、74.96%。

表2 不同混凝劑類型污染物平均削減率

對低、中、高污染物濃度水平,PFC對濁度、CODcr及TP的綜合平均削減率均高于另外4種混凝劑。對于低濃度TN的去除率,PAFC要明顯優(yōu)于其它混凝劑,而PFS受污染物TN濃度的影響較小,削減率穩(wěn)定,抗負荷沖擊能力強。

2.2 混凝劑投加量對雨水徑流污染物削減率的影響

混凝法削減雨水徑流污染物實驗研究選取13、17、26、35、44 mg/L等5種混凝劑投加量,在不同混凝劑投加量條件下,雨水徑流污染物去除效果如圖1、圖2、圖3所示。由圖1、圖2、圖3可知,對低、中、高污染物濃度水平,隨著混凝劑投加量的增加,5種混凝劑對濁度的削減率也隨之增加,投加量為44 mg/L時達到最大,分別為95.09%、86.38%、94.45%、90.39%、 92.77%,93.37%、93.59%、97.01%、82.10%、97.97%,64.29%、44.39%、97.01%、51.70%、89.13%。對于低污染物濃度,PAS、PFC及PFS對CODcr的削減率隨著投加量的增加呈現(xiàn)逐步提高的趨勢,當投加量是44 mg/L時,分別達到81.25%、96.09%、82.66%,而PAC與PAFC對CODcr的削減率隨著投加量的增加變化不顯著,隨著投加量的增加,PAC對于TN的削減率先減小后增大,當投加量為26 mg/L時,僅有31.95%,PAS則隨著投加量的增多而增高。當PFS投加量為13 mg/L時,對TN的去除率最大,達到60.96%,之后隨著投加量增大逐漸較小。隨著投加量的增加,PAC對于TP的削減率先增大后減小,當投加量為26 mg/L時,達到88.82%,其余4種混凝劑對TP的去除率總體趨勢隨著投加量的增加而增大。對于中污染物濃度,PAS與PFC對CODcr的削減率隨著投加量增大呈現(xiàn)逐步增加的趨勢。當投加量為13 mg/L時,PAC與PFS對CODcr的去除率最大,分別為65.22%、81.88%,其后變化不明顯,當投加量為13 mg/L時,PAC與PAFC對于TN的削減率最低,分別只有10.85%、12.31%,對于TP的去除率,5種混凝劑的總體趨勢是隨著投加量的增加而增大。對于高污染物濃度,PAC與PAFC對CODcr的削減率隨著投加量的增大而增加。PAS在投加量為26 mg/L時,CODcr的去除率最低僅為3.27%,當投加量為13 mg/L時,PFC對TN的削減率只有6.84%,而其余4種混凝劑隨投加量變化幅度較小。對于TP的去除率,PAC、PAS、PFC、PFS隨著投加量的增加呈現(xiàn)逐步增大的趨勢。

圖1 不同混凝劑類型對低濃度污染物的削減率隨投加量的變化規(guī)律Fig.1 Change rule of the reduction rate for low concentration pollutants of different coagulant types with the dosage

圖2 不同混凝劑類型對中濃度污染物的削減率隨投加量的變化規(guī)律Fig.2 Change rule of the reduction rate for medium concentration pollutants of different coagulant types with the dosage

圖3 不同混凝劑類型對高濃度污染物的削減率隨投加量的變化規(guī)律Fig.3 Change rule of the reduction rate for high concentration pollutants of different coagulant types with the dosage

2.3 污染物濃度對雨水徑流污染物削減率的影響

由表2和圖1、圖2、圖3可得,對于濁度的平均削減率,PAC與PFS隨著污染物濃度的升高而減小。污染水平為中濃度時,PAS與PAFC對濁度的平均去除率最高,分別是73.16%、92.17%。PAC、PFS及PAFC對CODcr的平均削減率隨著污染物濃度的增加而降低。污染水平為中濃度時,PAS對CODcr的去除率最高為76.87%。對于TN的平均削減率,當污染物水平為中濃度時,PAC、PAS、PFS、PAFC最小,分別為14.63%、16.37%、41.36%、21.06%。污染水平為中濃度時,PAC與PAS對TP的去除率最低,而PFS與PAFC最高。在低污染物濃度情況下,PFC對4種污染物的削減率均為最大,而中濃度與高濃度下的去除率完全相同。

混凝法處理進水低污染濃度的雨水徑流,其出水CODcr、TN、TP平均濃度均高于地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838-2002)中IV類地表水標準,分別為14.13 mg/L、1.29 mg/L、0.07 mg/L,且CODcr與TP分別達到了I類、II類地表水標準,相較城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)中一級A標準更優(yōu)。

3 結(jié)論

對于低、中、高污染濃度水平的雨水徑流污染物,混凝法具有良好的削減效率,濁度、CODcr、TN、TP的綜合平均削減率分別為71.23%、58.56%、37.99%、62.19%。處理進水低污染濃度的雨水徑流,其出水CODcr、TN、TP平均濃度均高于地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838-2002)中IV類地表水標準,分別為14.13 mg/L、1.29 mg/L、0.07 mg/L,且CODcr與TP分別達到了I類與II類地表水標準,相較城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)中一級A標準更優(yōu)。

對于低、中、高污染物濃度水平,PFC對濁度、CODcr、TP的綜合平均削減率均高于另外4種混凝劑。對于低濃度TN的去除率,PAFC要明顯優(yōu)于其他混凝劑,而PFS受污染物TN濃度的影響較小,削減率穩(wěn)定,抗負荷沖擊能力強。

隨著混凝劑投加量的增加,5種混凝劑對濁度的削減率也隨之增大,投加量為44 mg/L時達到最大,分別為95.09%、86.38%、94.45%、90.39%、92.77%,93.37%、 93.59%、97.01%、82.10%、97.97%,64.29%、44.39%、97.01%、51.70%、89.13%。不同混凝劑類型對CODcr、TN、TP的去除率隨投加量的變化差異顯著。