混凝条件对再生水处理效果的影响试验研究

混凝条件对再生水处理效果的影响试验研究陈颉（河北工程大学城市建设学院，河北邯郸056038）摘要：为研究混凝沉淀试验的最佳工艺条件和各种因素对再生水处理效果的影响，采用混凝剂FeCl3、Al2(SO4)3和PAC与絮凝剂聚丙烯酰胺PAM复配，对污水处理厂二级出水进行静态正交试验和动态混凝沉淀试验。研究结果表明混凝剂投加量是再生水水质最主要的影响因素，聚丙烯酰胺PAM投加量是再生水水质的第二影响因素。FeCl3除磷效果最好，随着混凝剂投加量的增加而TP残余量继续降低。但是3组药剂对CODCr的去除差别不大并随投加量的继续增加而趋于稳定。PAC除浊最好，3组药剂对浊度的去除均存在最佳投量点，过量投加混凝剂反而降低处理效果。最佳处理效果时动态试验混凝剂投加量高于静态试验混凝剂投加量。关键词：正交混凝；静态、动态试验；FeCl3；Al2(SO4)3；PACTheResearchofInfluencesofCoagulationFactorsonReclaimedWaterTreatmentCHENJie(CollegeofUrbanConstruction,HebeiEngineeringUniversity,Handan056038)Abstract：Astaticorthogonaltestandadynamictestweremadeoncombinedcoagulantsandflocculant,namelyFeCl3、Al2(SO4)3andpolyaluminumchloride(PAC)+polymer,toinvestigatethedifferentinfluencesofoptimalprocessandvariousfactorsonreclaimedwatertreatment.Theresultsshowedthatcoagulantdosagewasthemainfactor,PAMdosagewasthesecondfactor.TheeffectofTPremovalofFeCl3wasbest;theremainderofTPcouldbereducedcontinuallywiththeincreasingofcoagulantsdosage.ButtheremovalsofCODCrwerenotobviouslydifferentbetweenthe3coagulantsandreachedtostabilitywiththeincreasingofcoagulantsdosage.PACwasthebestoneofthe3coagulantsatturbidremoval,theoptimumdosagesofthe3combinedcoagulantswereexist.Excessivecoagulantscouldlowertheeffectoftreatment.Theoptimalcoagulantdosageofdynamictestwashigherthanthatofstaticorthogonaltest.Keyword:orthogonalcoagulation；staticanddynamictest；FeCl3；Al2(SO4)3；PAC水是人类生存的基本需求，是社会与经济与发展的重要资源。由于我国水资源分布不均，人口分布不均和社会发展不平衡等原因，造成部分地区水资源严重紧缺，再生水回用不失为一种最为直接、现实而有效的节水手段。混凝沉淀是再生水处理工艺中最基本也是极为重要的处理过程。本文以污水处理厂二级出水为原水，采用混凝剂FeCl3、Al2(SO4)3和PAC与絮凝剂聚丙烯酰胺PAM复配，对污水处理厂二级出水进行静态正交试验和动态混凝沉淀试验，以TP、浊度及CODCr的去除效果为评价指标以获得最佳混凝剂及投药量，为再生水处理提供指导。1试验材料及方法1．1试验材料及仪器试验用水取自邯郸东郊污水处理厂二级出水。静态试验原水水质CODcr=22.8mg.L-1，TP=1.034mg.L-1，浊度=2.10NTU。混凝剂采用分析纯FeCl3、Al2(SO4)3；聚合氯化铝PAC采用工业品级，Al2O3含量≥28％；使用时均配制成2％水溶液。絮凝剂PAM采用分析纯，使用时配制成0.1％水溶液。梅宇MY3000-6智能型混凝试验搅拌仪，重铬酸钾法回流装置，UNICO2100Spectrophotometer，HACH2100P浊度仪，民用压力锅，上海森信DK-S16型电热恒温水浴锅。1．2试验方法首先通过静态正交试验确定静态混凝沉淀的最佳工艺条件，分析各因素对处理效果的影响。操作步骤：取1000mL原水于混凝试验搅拌仪上的烧杯中。先预搅拌0.5min（n=300r/min），使水样混匀后投入混凝剂，再快速搅拌2min（n=300r/min）：至1min时投入PAM，继续快速搅拌至2min。然后在正交表设定的时间内慢速搅拌（n=50r/min），静置30min后取上清液分析TP、浊度及CODCr。由于动态试验的斜板沉淀池的沉淀时间按30min设计，因此静置时间为30min。动态试验采取连续运行方式，进水流量为460L/hr。分析砂滤柱出水的TP、浊度及CODmn。动态试验装置见图1。电磁阀电磁阀电磁阀增压泵中间水箱出水电磁阀颗粒活性炭柱精滤柱精滤柱产水池压力表加药瓶调节阀进水进水箱增压泵石英砂承托层反冲洗水压力表纳滤膜排泥污泥回流调节阀加药瓶转子流量计浓水排放斜板沉淀池蠕动泵增压泵投加次氯酸钠转子流量计转子流量计UV消毒灯管图1动态试验装置1．3正交试验（1）因素的选取：混凝剂的投加量、絮凝剂的投加量、反应时间对混凝的效果影响比较大，因此选为正交试验的因素。原水中的重碳酸盐碱度（以CaO计，mg/L）经测定为116mg/L，计算所得原水碱度为负值，可以满足混凝剂水解对碱度的要求，不需另投加碱。【1见给排水设计手册p522】（2）水平的选取：根据单因素试验，当混凝剂单独投加量为10mg·L-1时烧杯中均未见矾花生成。当10mg·L-1混凝剂与0.5mg·L-1絮凝剂复配投加时，烧杯中均有细小矾花生成，因此混凝剂与絮凝剂的最小投加量确定为10mg·L-1与0.5mg·L-1。应尽量使水平覆盖要考察的范围。（3）因素水平表：这里进行了[FeCl3、Al2(SO4)3、PAC]＋PAM的3组3因素4水平正交试验，选用L16(45)正交表，因素水平见表1。（4）试验评价指标：静态正交试验采用TP、浊度及CODCr的绝对残余量为评价指标，进行综合分析。动态混凝沉淀试验采用TP、浊度及CODmn的去除率为评价指标，进行综合分析。表1正交试验因素及其水平表水平因素FeCl3投量/(mg·L-1)PAC投量/(mg·L-1)Al2(SO4)3投量/(mg·L-1)PAM投量/(mg·L-1)反应时间/min11010100.5122303030115360606021841201201204212静态实验结果与讨论2．1CODcr去除效果的影响因素分析3组药剂组合对COD指标的直观分析结果见表2表23组药剂组合对CODCr指标的直观分析结果药剂组合因素影响CODCr指标的因素主次顺序混凝剂投量（净重）/(mg.L-1)PAM投量/(mg.L-1)反应时间/minFeCl3＋PAM较好水平100.515相对极差2.41.62.5PAC＋PAM较好水平10415相对极差14.72.75.13Al2(SO4)3＋PAM较好水平120115相对极差4.574.001.42由表2的极差分析可见，3组药剂组合中有2组混凝剂投加量排在第一因素。FeCl3＋PAM复配时，虽然FeCl3投加量排在第二因素，但它的相对极差与反应时间的相对极差很接近，仍为影响试验结果的主要因素。因此混凝剂投加量仍然是影响CODCr去除效果的主要因素。PAC＋PAM的相对极差相对其他两组较大，说明PAC＋PAM的投加量对试验结果的影响较大。3组药剂组合正交试验去除CODCr的试验值见图2。由图2可见随着投药量的增加，3组药剂对CODCr的去除相差不大并且对CODCr的去除效果不好。这时由于原水的CODCr值较小，水体中有机物主要是分子质量较小、溶解度较大的有机物，具有良好的亲水性而不易被混凝剂的水解产物——金属氢氧化物所吸附[4梁好盛选军刘传盛.饮用水安全保障技术.北京：化学工业出版社,2007.P75]，并且混凝剂PAC与絮凝剂PAM本身均为有机物，反而因此使出水CODCr值有所增加【2杜显云等.生活污水正交混凝沉淀实验研究[J].能源环境保护，2006，20（2）：38】。图2正交实验的CODCr去除效果2．2TP去除效果的影响因素分析3组药剂组合对TP指标的直观分析结果见表3。由表3中极差值可知，3组混凝剂投加量的相对极差均位第一，是影响TP出水指标的主要因素，增加混凝剂投加量意味着可以明显提高TP的去除效果。在3组药剂组合中PAM投量的相对极差有两组位于第三，这表明PAM投量对于TP的去除影响最小。对于PAC和Al2(SO4)3组合，反应时间是影响TP出水指标的第二因素，这是因为絮体需要时间成长得更大，将水中溶解态的PO43－吸附在絮体上沉淀去除[3MahmutOzacar.Enhancingphosphateremovalfromwastewaterbyusingpolyelectrolytesandclayinjection[J].JournalofHazardousMaterials,2003,100(1-3):131-146]。由图3可见，3组药剂组合对TP指标的去除都随着混凝剂的投加量增加而持续降低。其中FeCl3＋PAM的除磷效果较好。表33组药剂组合对TP指标的直观分析结果影响TP指标的因素主次顺序05101520253035404512345678910111213141516实验序号残余CODcr/(mg.L-1)FeCl3正交实验的CODcr去除结果PAC正交实验的CODcr去除结果Al2(SO4)3正交实验的CODcr去除结果药剂组合因素FeCl3投量（净重）/(mg.L-1)PAM投量/(mg.L-1)反应时间/minFeCl3＋PAM较好水平120221相对极差0.61270.1630.085PAC＋PAM较好水平120221相对极差0.6620.1520.167Al2(SO4)3＋PAM较好水平120218相对极差0.8590.1000.10200.20.40.60.811.212345678910111213141516实验序号残余TP/(mg.L-1)FeCl3正交实验的除磷效果PAC正交实验的除磷效果Al2(SO4)3正交实验的除磷效果图3正交实验的TP去除效果2．3浊度去除效果的影响因素分析3组药剂组合对浊度指标的直观分析结果见表4。由表4中极差值可知，3组混凝剂投加量的相对极差均位第一，是影响浊度出水指标的主要因素，增加混凝剂投加量意味着可以明显提高浊度的去除效果。对于PAC和Al2(SO4)3组合，PAM投加量是影响浊度的第二因素，投加PAM有助于提高絮凝效果。对于FeCl3组合，反应时间是影响浊度的第二因素，增加反应时间有利于絮体成长，形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实，沉淀性好。由图4可见3组药剂对浊度的去除存在最佳投量点。超过最佳投量点，将产生“胶体保护”作用[5严煦世、范瑾初.给水工程（第四版），中国建筑工业出版社，P260]。这是由混凝剂对水中胶体粒子的4种混凝机理——压缩双电层、电性中和、吸附架桥和卷扫决定的。对铝盐混凝剂而言，铁盐类似，当投药量增加时，会使水中的多核聚合羟基络离子与污物胶体发生电中和、吸附、卷扫作用。但当增至一定程度后，这些多核聚合羟基络离子表面活性中心将被占满，反而影响其电中和作用，同时这些多核聚合羟基络离子过量后会使污物颗粒形成带正电荷胶体而重新分散在水中，从而降低絮凝效果[7沈澄英等.用正交试验法研究聚合氯化铝铁和聚丙烯酰胺对印染废水混凝