工业水处理, 2019, 39(6): 52-56 doi: 10.11894/iwt.2018-1140

• 试验研究 •

硅藻土强化混凝处理城市河道水的试验研究

王赛赛,1, 张振亚1,2, 温小栋,1,2

Experimental study on diatomite enhanced coagulation for the treatment of urban river water

Wang Saisai,1, Zhang Zhenya1,2, Wen Xiaodong,1,2

通讯作者: 温小栋, E-mail:wenxiaodong@nbut.edu.cn

收稿日期: 2019-03-20  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目.  51569035
浙江省自然科学基金资助项目.  Y16E080033
浙江省公益事业项目.  2014C31042

Received: 2019-03-20  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目.  51569035
浙江省自然科学基金资助项目.  Y16E080033
浙江省公益事业项目.  2014C31042

作者简介 About authors

王赛赛(1978-),讲师E-mail:wangsaisai@nbut.edu.cn , E-mail：wangsaisai@nbut.edu.cn

摘要

以聚合氯化铝（PAC）为絮凝剂，研究了硅藻土强化混凝处理城市河道水的效果，考察了硅藻土对PAC混凝去除水中浊度、有机物、磷的影响及对沉降性能的改善作用，并采用响应曲面法优化了水力条件。试验结果表明，硅藻土能强化PAC对水中污染物的混凝效果，浊度、DOC、TP去除率相较于未加硅藻土分别提高了12.8%、15.5%和10.7%。最优水力条件：快搅速度243 r/min，慢搅速度62 r/min。在此条件下，浊度、DOC、TP去除率均值分别为72.4%、66.9%、92.1%，与模型预测结果较为吻合。

关键词： 硅藻土 ; 混凝 ; 城市河道水 ; 有机物

Abstract

Using polymeric aluminum chloride(PAC) as flocculent, the effects of diatomite enhanced coagulation on the treatment of urban river water have been studied systematically, and the influences of diatomite on PAC coagulation for the removal of turbidity, organic matter, and phosphorus from water, as well as the improving function of settling property investigated. The hydraulic condition has been optimized by Box-Behnken response surface method. The experimental results show that diatomite can enhance the coagulation effect of PAC on pollutants in water. Compared with the case without adding diatomite, the removing rates of turbidity, DOC and TP are increased by 12.8%, 15.5% and 10.7%, respectively. The optimal hydraulic conditions are as follows:rapid stirring velocity is 243 r/min, and slow stirring velocity 62 r/min. Under these conditions, the average removing rates of turbidity, DOC and TP from urban river water are 72.4%, 66.9% and 92.1%, respectively, which are comparatively consistent with the predicted results of the model.

Keywords： diatomite ; coagulation ; urban river water ; organic matter

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本文引用格式

王赛赛, 张振亚, 温小栋. 硅藻土强化混凝处理城市河道水的试验研究. 工业水处理[J], 2019, 39(6): 52-56 doi:10.11894/iwt.2018-1140

Wang Saisai. Experimental study on diatomite enhanced coagulation for the treatment of urban river water. Industrial Water Treatment[J], 2019, 39(6): 52-56 doi:10.11894/iwt.2018-1140

近年来，由于经济的发展与人口的增多，城镇河道水受污染程度日益严重。为恢复河道水作为景观水与农业灌溉的用途〔1〕，迫切需要对受污染河道水进行治理。由于河道水处理量大，河岸土地资源有限，研究采用工艺简单、处理效能高的技术治理河道水具有重要意义。混凝是应用最广泛的水处理技术，可去除水体中的悬浮颗粒、胶体及部分有机物，具有适应河道水污染物负荷变化大的优点〔2〕。聚合氯化铝（PAC）作为一种常用的絮凝剂，不仅来源广泛、操作简便，并且对水中的有机物与磷有较好的絮凝效果〔3〕，但其在高pH、低温下的絮凝效果差、沉降较慢，严重制约了PAC在污染水体治理领域的应用。

硅藻土是一种多孔结构的黏土矿物质，廉价易得、比表面积大、吸附能力强〔4〕，将硅藻土作为强化混凝的手段，不仅可吸附水体中的污染物，还可改善絮体的沉降性能〔5〕。目前，关于PAC与硅藻土联合使用处理河道水的研究主要集中在絮凝效果与工艺条件优化上〔6-7〕，对于硅藻土强化去除有机物的作用机制及对体系稳定性的影响研究甚少。为此，本研究采用PAC和硅藻土联合混凝处理城市河道水，考察了硅藻土对PAC处理河道水中浊度、有机物、总磷的强化混凝作用，利用三维荧光光谱解析了强化混凝去除有机物的作用机理；同时从体系分散稳定性角度评价了硅藻土对沉降性能的改善作用，并采用响应曲面法优化了水力条件。该项研究可为PAC和硅藻土在河道水治理中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

仪器：XZ-0101浊度仪，上海海恒机电仪表有限公司；BS224S电子天平，德国赛多利斯公司；F-4500荧光分光光度计，日本日立公司；VIS-723N可见分光光度计，北京北分瑞利分析仪器（集团）有限责任公司；YM50A压力蒸汽灭菌器，上海三申医疗器械有限公司；ZR4-6型混凝试验搅拌机，上海标卓科学仪器有限公司；Turbiscan Lab分析仪，法国Formulaction公司；TOC-V总有机碳分析仪，日本岛津公司。

试剂：过硫酸钾、浓硫酸、抗坏血酸、钼酸铵、酒石酸锑钾、磷酸二氢钾，均为分析纯。聚合氯化铝（纯度28.5%），天津市光复精细化工研究所。硅藻土，嵊州市兴龙硅藻土开发制品有限公司。

1.2 试验水质与分析方法

试验水样取自某城市河道水，其水质：pH 6.83~7.61，浊度5.91~13.2 NTU，DOC 8.06~14.23 mg/L，TP 0.92~1.66 mg/L。

浊度采用浊度仪测定；DOC采用TOC-V总有机碳分析仪测定；TP采用钼锑抗分光光度法测定。

三维荧光光谱采用F-4500荧光分光光度计测定，狭光电倍增管电压700 V，扫描速度12 000 nm/min，激发光波长200~450 nm，发射光波长200~550 nm，激发光波长与发射光波长的狭缝宽度均为5 nm。

分散稳定性参数采用Turbiscan Lab分析仪测定，利用脉冲式近红外光扫描样品，通过检测透射光与背散射光强度随时间的变化，获得水样澄清层、混合层及沉淀层的变化规律，分析得到分散稳定性参数。

1.3 试验方法

1.3.1 混凝试验

在1 L河道水中投加PAC和硅藻土，PAC、硅藻土投加量均为30 mg/L。首先在250 r/min下快速搅拌2 min，再在60 r/min下慢速搅拌15 min。立即取样测定分散稳定性参数；其余水样静置20 min后，取上清液测定浊度、TP；将上清液经0.45 μm滤膜过滤后，测定DOC及三维荧光光谱。

1.3.2 水力条件响应面优化试验

在PAC、硅藻土投加量均为30 mg/L，快搅2 min，慢搅15 min，静置20 min的条件下，采用Design-Expert的Box-Behnken设计，以快搅速度、慢搅速度为影响因素，以浊度去除率、DOC去除率、TP去除率为响应值，进行2因素3水平水力条件优化试验，试验设计如表1所示。

表1   Box-Behnken实验设计

水平影响因素
X1快搅速度/(r·min-1)X2慢搅速度/(r·min-1)
-115040
025060
135080

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2 结果与讨论

2.1 硅藻土对PAC混凝去除污染物的影响

考察了PAC、硅藻土+PAC混凝去除河道水中浊度、有机物、磷的效果。结果表明，单纯投加PAC混凝，河道水中浊度、DOC、TP的去除率分别为73.0%、33.3%和85.4%，虽然有絮体生成，但是沉降性能较差。将PAC与硅藻土按质量比1:1复配后混凝处理河道水，浊度、DOC、TP的去除率分别提高了12.8%、15.5%和10.7%，沉降性能明显改善，说明PAC与硅藻土在混凝处理河道水的过程中产生了协同效应。PAC水解产生的Al（OH）3胶体及多核聚集体，可吸附架桥河道水中的污染物，将污染物联结成粒径更大的絮体并沉淀，从而达到净化水体的目的〔8〕。硅藻土对混凝过程有助凝作用，一方面通过镶嵌在絮体的中间与表面，增加絮体的密度，改善絮体结构；另一方面，硅藻土巨大的比表面积不仅可吸附部分污染物，将其投加河道水中还可增大颗粒物浓度，增大颗粒物之间的碰撞几率，从而提高混凝效率。

2.2 有机物三维荧光光谱特征

为考察混凝对河道水中有机物不同组分的去除效果，进行了混凝前后有机物三维荧光光谱特征解析，结果如图1所示。

图1

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图1   混凝处理河道水中有机物的三维荧光光谱图


三维荧光图谱包括4个区域：芳香族蛋白类（A）、紫外区富里酸类（B）、可见腐殖酸类（C）及溶解性微生物代谢物（D）〔9-10〕。由图1可知，河道水的主要发光区为芳香族蛋白类（A），荧光峰的位置为230/341（激发波长/发射波长），峰值响应强度很强，导致其他区域受到掩蔽，峰形显现不完整；峰值较高，说明河道水可能受到了人类相关活动的污染〔11〕。经PAC混凝后，河道水在可见腐殖酸类（C）的峰有所消减，原因是难降解的可见腐殖酸类有机物转化为易降解的有机物；同时，芳香族蛋白类（A）和溶解性微生物代谢物（D）的荧光峰也有所减弱，说明PAC混凝能去除河道水中的蛋白类有机物。PAC与硅藻土复配投加后，河道水在芳香族蛋白类（A）和溶解性微生物代谢物（D）的荧光峰减弱更加明显，说明硅藻土能有效强化PAC对河道水有机物的混凝效果。

2.3 硅藻土对混凝沉降速度的影响

Turbiscan Lab分析仪主要利用光散射原理，通过检测水体在混凝沉降过程中透射光的强度变化，判断水样中颗粒物的上浮与沉淀情况。分散稳定性参数为透射光变化率的均值，可评价体系的稳定性程度及凝聚、沉降性能〔12〕。一般而言，分散稳定性参数越小，体系越稳定，沉降性能越差。图2为混凝前后河道水的分散稳定性参数。

图2

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图2   混凝处理河道水的分散稳定性参数


由图2可知，当沉降时间为20 min时，天然河道水的分散稳定性参数只有17.8，具有很强的稳定性，自然沉降较为困难；投加PAC混凝后，河道水的分散稳定性参数增加至23.2，河道水体系通过反离子的扩散与异电荷的相互吸引，使微粒间的排斥力减小，PAC的投加使其容易脱稳再凝聚；投加PAC与硅藻土混凝后，河道水的分散稳定性参数增加至35.2，絮体的沉降速度明显加快，硅藻土有效促进了河道水脱稳，对PAC有明显的助凝作用。

2.4 水力条件的响应面优化

2.4.1 响应面试验结果

水力条件对混凝效果的影响非常显著，关系到絮凝剂的水解与絮体的生长，其中搅拌强度是水力条件的关键。响应面试验结果如表2所示。

表2   响应面试验结果

试验号素水平试验结果
X1X2浊度去除率/%DOC去除率/%TP去除率/%
10072.868.492.6
20072.768.592.5
1-1175.246.275.1
40171.142.972.9
51-150.442.467.4
61071.157.177.9
70171.242.772.8
80072.968.592.5
9-1070.955.785.5
100072.868.492.4
111176.546.669.2
12-1-151.240.469.4
110072.768.592.6
140-156.652.178.1
150-156.752.278.4
161071.257.477.8
17-1070.755.685.4

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通过ANONA进行回归模型的建立及数据分析，结果如表3和表4所示。

表3   回归模型的方差分析

响应变量模型方程F值P值平方和均方
浊度Y=-26.852 96+0.041 329X1+2.639 47X2+5.125 00E-004X1X2-1.456 58E-004X12-0.018 829X2282.44< 0.000 11 084.85216.97
DOCY=-137.899 67+0.418 66X1+5.099 57X2-2.000 00E-004X1X2-7.988 16E-004X12-0.042 533X2219.55< 0.000 11 574.41314.88
TPY=-87.590 79+0.412 55X1+4.388 03X2-4.875 00E-004X1X2-8.243 42E-004X12-0.035 734X2234.42< 0.000 11 280.57256.11

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表4   回归模型的显著性

响应变量F值P值
浊度DOCTP浊度DOCTP
X10.0170.268.960.898 30.61950.0122
X2313.910.590.21< 0.000 10.459 50.658 9
X1X21.600.0400.510.232 50.845 60.489 6
X123.4016.7338.560.092 10.001 8< 0.000 1
X2291.0075.89115.92< 0.000 1< 0.000 1< 0.000 1

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结果表明，浊度、DOC、TP去除率模型的F值分别为82.44、19.55、34.42，P值均小于0.000 1，表明模型极显著〔13〕。X2、X22对浊度去除率影响极显著，X22对DOC去除率影响极显著，X12、X22对TP去除率影响极显著。浊度、DOC、TP去除率模型的失拟项分别为28.89、177.09、81.81（＞0.05），表明模型的失拟项不显著；浊度、DOC、TP去除率模型的变异系数分别为2.37%、7.31%、3.38%（＜10%），表明模型的准确度较好〔14〕。综上，拟合的回归模型可以较好地分析与预测水力条件对浊度、DOC、TP去除效果的影响。

2.4.2 响应面优化分析

水力条件对浊度、DOC、TP去除率的影响分别见图3、图4和图5。

图3

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图3   水力条件对浊度去除率的影响


图4

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图4   水力条件对DOC去除率的影响


图5

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图5   水力条件对TP去除率的影响


混凝主要包括凝聚与絮凝两个过程，凝聚过程是PAC絮凝剂在快速搅拌下水解，通过压缩双电层使河道水中的胶体脱稳，形成微小絮体；絮凝过程是在慢速搅拌下，微小絮体相互碰撞，絮体逐渐长大。由图3~图5可知，本实验条件下，快搅速度对浊度影响很小，慢搅速度对浊度影响较大，并且随着慢搅速度的增加，浊度去除率逐渐增大。这是因为慢搅速度越大，颗粒物间的碰撞几率也越大，因此促进了絮体的生长。随着快搅速度与慢搅速度的逐渐增大，DOC去除率和TP去除率均先增大后减小。搅拌速度过大，会将生成的絮体打散，影响混凝效果。F值可用来描述因素对响应结果的影响程度，F值越大，说明对响应结果的影响越大〔15〕。结合F值可判断，快搅速度对TP去除率的影响程度最大，慢搅速度对浊度去除率、DOC去除率的影响程度最大。

2.4.3 优化模型的验证

根据回归方程拟合得到最佳水力条件：快搅速度243 r/min、慢搅速度62 r/min。在此条件下，浊度、DOC、TP去除率的模型预测值分别为73.7%、66.2%、91.3%；经3次平行实验验证得到浊度、DOC、TP去除率均值分别为72.4%、66.9%、92.1%，与模型的预测结果较为吻合。

3 结论

（1）硅藻土强化了PAC对河道水的混凝效能，与未投加硅藻土相比，浊度、DOC、TP去除率分别提高了12.8%、15.5%和10.7%；PAC与硅藻土联合投加对水中蛋白类和腐殖酸类有机物有去除作用；硅藻土可促进粒子间的脱稳过程，加速絮体的沉降速度，有效改善河道水的沉降性能。

（2）采用响应面法建立了水力条件的回归模型，其中快搅速度对TP去除率的影响程度最大，慢搅速度对浊度去除率、DOC去除率的影响程度最大。优化得到的最佳水力条件：快搅速度243 r/min、慢搅速度62 r/min。在该条件下，浊度、DOC、TP去除率均值分别为72.4%、66.9%、92.1%，与模型的预测结果较为吻合。

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