强化混凝去除水源水中天然有机物的研究进展

强化混凝去除水源水中天然有机物的研究进展（推荐2篇）

强化混凝去除水源水中天然有机物的研究进展 篇1

强化混凝去除水源水中天然有机物的研究进展

介绍了强化混凝去除水源水中天然有机物的研究现状.水源水的复杂性决定了所选用的强化混凝过程的.复杂性.如何保证强化混凝去除天然有机物的处理效果,是一个系统工程,需要对混凝机理与动力学做出进一步研究,才能更好的对混凝过程进行系统的模拟和优化,从根本上解决强化混凝存在的问题.

作 者：李明 曾光明 张盼月 蒋剑宏 LI Ming ZENG Guang-ming ZHANG Pan-yue JIANG Jian-hong 作者单位：湖南大学环境科学与工程系,长沙,410082刊 名：环境科学与技术 ISTIC PKU英文刊名：ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY年，卷(期)：29(2)分类号：X132关键词：强化混凝 原水 天然有机物

强化混凝去除水源水中天然有机物的研究进展 篇2

强化混凝是去除微污染水源水中溶解性有机物的有效方法[1,2,3],通过降低pH值、增加混凝剂投加量等措施,可以达到在混凝工艺中最大限度地去除水中天然有机物(NOM)[3,4,5]和氯化消毒副产物(DBPs)前质[6,7,8,9]的目的。某水厂采用河水作为饮用水源,由于原水CODMn较高,常规混凝工艺对有机物的去除率较低,对后续的深度处理工艺造成较大压力,水厂出水CODMn指标不能完全满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的要求。特别是冬季水温较低,处理工艺中生物活性炭滤池的生物去除效果降低,如何提高整体工艺对有机物的去除率,使工艺出水CODMn达标是急需解决的问题,因此,考虑采用强化混凝技术提高混凝对有机物的去除率来保证水厂出水CODMn达标。对低温原水进行了强化混凝试验研究,并对有机物的去除机理进行了探讨。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置与方法

混凝搅拌试验采用六联搅拌仪(ZR4-6,深圳市中润水工业技术发展有限公司),搅拌杯容量为1 L。

利用烧杯搅拌混凝试验对不同混凝剂进行去除有机物的研究,探索最适加药量及最适pH值,主要水质指标为CODMn, 试验用水为某水厂取水口处原水。

在快速混和阶段投加定量混凝剂。沉淀结束后,取上清液进行各种水质指标测定。混凝搅拌试验采用搅拌杯容积为1 L,搅拌分为3个时段,搅拌转速与时间依次为:①220 r/min、40 s,②120 r/min、5 min,③80 r/min、10 min。每个条件下的试验重复3次,结果取其平均值。

混凝剂采用市售硫酸铝(Al2O3 含量15%)、聚合氯化铝(Al2O3含量15%)、聚合硫酸铁(全铁含量11.5%)等混凝剂对原水进行混凝试验,以CODMn为去除对象,用分析纯硫酸和氢氧化钠调节pH值。

1.2 分析项目

本试验采用超滤膜过滤切割法[10]测定有机物分子量分布,超滤膜(截留分子量分别为30 k、10 k、4 k、2 k、1 kD)和超滤杯(SCM-300)均为中科院上海原子核研究所产品。UV254采用紫外可见分光光度计(Perkin Elmer:Lambda25 Spectrometer,水样经0.45 μm滤膜过滤),pH采用PHS-3C精密pH计,溶解性有机碳DOC采用TOC测定仪(TOC-VCPH,SHIMADZU;水样经0.45 μm滤膜过滤),CODMn采用酸式高锰酸钾法(GB 11892-89)。有机物类型分类测定参见文献[11]。

2 结果与分析

2.1 强化混凝对CODMn的去除

利用硫酸铝、聚合氯化铝、聚合硫酸铁等混凝剂对原水进行混凝试验,以CODMn为去除对象,以水厂取水口原水作为试验用水,用硫酸调整pH值,试验时水温为10℃,原水CODMn=6.12 mg/L、pH=7。分别将原水pH值调至5、6,混凝剂投加量分别为20、30、40、50、60 mg/L进行混凝试验,取每种混凝剂对CODMn去除效率增加较明显的3组加药量的实验结果,见图1～3。

2.1.1 硫酸铝混凝试验

从图1看出,降低pH值对硫酸铝混凝效果影响大,当pH值降低至6时,混凝效果较好,与pH值为7时的混凝效果相比,对CODMn去除率可提高32%～45%;当pH值降低到5时,混凝效果反而大大降低。因此,硫酸铝强化混凝的最适pH值为6左右、加药量为30～40 mg/L。

有研究表明[12],降低pH值可以提高腐殖质酸性基团的非离子化程度,降低电荷密度,然后通过吸附于金属氢氧化物絮体上被去除。只有在中性的(或交联的)形式下,腐殖质才能被金属氢氧化物絮体吸附,因此,腐殖质被去除的量依赖于腐植酸和富里酸的非离子化能力。有研究者将水中DOC分成3类[13]:①在任何pH值下均能混凝去除的部分,主要是非极性、疏水性的大分子物质,性质不受pH值的影响,是常规混凝可以去除的部分;②调节pH值后能被去除的部分,这一部分腐殖质因酸性基团发生电离而带负电,不能被金属氢氧化物絮体吸附,但降低pH值后,因羧基非离子化而被吸附,是强化混凝才能去除的部分;③在任何pH值下均不能被混凝去除的部分,有机物亲水性极强,即使调低pH值也不能被吸附。

可见,强化混凝去除溶解性NOM的简化过程为:在较低的pH值下,有一部分腐殖质的酸性基团非离子化,然后吸附于混凝剂水解产生的金属氢氧化物絮体上而被除去。强化混凝去除NOM的机理主要包括胶体状NOM的电中和作用、腐植酸和富里酸聚合体的沉淀作用以及吸附于金属氢氧化物表面上的共沉作用,而金属氢氧化物的吸附是主要作用[13,14]。

硫酸铝水解在不同pH值下产生形态不同的反应产物[15]: pH值在6.5～7.5范围,水解产物以氢氧化铝沉淀物为主;随pH值的降低,以离子形式存在的水解产物逐渐增加,当pH值在4～5范围,水解产物以多核羟基配合物为主,如[Al2(OH)2]4+、[Al3(OH)4]5+等;当pH值小于3时,不发生水解,以[Al(H2O)6]3+形态存在。可见,当pH值在5左右时,虽然腐殖质在该pH值下可形成较多的可被金属氢氧化物吸附的非离子化的腐植酸和富里酸(Kastl[10]试验发现,当pH≤5,腐殖质中非离子化的部分不再增加),由于在该pH值下主要生成高价多羟基配合物,生成的金属氢氧化物絮体很少,因此,混凝对CODMn的去除效果较差。在pH=7时,可以生成较多的氢氧化铝沉淀物,但此时非离子化的腐植酸和富里酸较少。因此,对有机物的混凝去除效果仍不好。

从以上的试验结果与分析可以看出,降低pH值的强化混凝要获得较好的混凝效果,必须满足两个条件:①降低pH值形成较多的非离子化的腐殖质;②形成足够多的氢氧化铝沉淀物。这就要通过调节pH值和加药量来找到能同时满足以上两个条件的平衡点,本试验在pH=6时混凝效果好,说明该pH值接近平衡点。

当加药量达到50 mg/L时,去除率增加很小,说明水中能通过混凝去除的有机物是有限度的,可被去除的这一部分有机物随加药量的增加而趋向于被完全去除。因此,即使再增加加药量,对CODMn的去除效率也不会再有大的提高。

2.1.2 聚合铝混凝试验

从图2看出,在加药量相同的条件下,pH值降低提高了对CODMn的去除率,加药量越小,提高幅度越大,当pH值在5～6时,CODMn去除效率基本不随pH值而变化。从经济方面考虑,适宜的pH值在6.0左右、加药量在30 mg/L左右,对CODMn去除率可达46%。

如前所述,混凝效果主要受水中非离子化的腐殖质所占比例和混凝剂投加量的影响。腐殖质酸性基团非离子化的程度随pH值的降低而提高,但在pH值分别为5和6的条件下混凝,对CODMn的去除效果相差不大,说明pH值对聚合铝水解的影响程度比硫酸铝小。与硫酸铝相比,聚合氯化铝在投入水中前的的制备阶段即已发生水解聚合,投入水中后也可能发生新的变化,但聚合物成分基本确定,因此,在pH值为5～6范围内,铝在水中的形态受pH值的影响较小,在相同加药量下,对CODMn去除率基本相同。

2.1.3 聚合铁混凝试验

从图3看出,pH值对聚合铁混凝效果有较大影响, pH值越低,混凝效果越好,在pH值为5、投药量为30 mg/L时对CODMn的去除率达到了50%,再增加投药量对CODMn的去除基本不再增加。

随pH值降低,腐殖质酸性基团非离子化程度增加,同时,铁盐水解产物受pH值的影响较小且溶解度极小,在pH值为5时,铁盐水解形成的氢氧化物絮体仍较多,因此,与铝盐不同,在试验范围内铁盐混凝效果随pH值的降低而增加,pH值越低,对CODMn的去除率越高。但是,试验发现,铁盐混凝剂投加量在20 mg/L以上时,造成出水色度升高。因此,对于该地微污染水源水来说,不宜采用铁盐混凝剂。

试验表明,聚合铝为最佳混凝剂,通过降低pH值和增加混凝剂投加量,对CODMn的去除率可提高到45%左右。在冬季水温较低,生物活性炭的生物作用较弱时,强化混凝是保证出水达标的重要措施。

2.2 强化混凝对UV254的去除

水中的UV254表征了水中腐殖质等含有芳香环及不饱和键的有机物,这一部分有机物是DBPs的前质,因此,可利用UV254指标来作为DBPs前质的代用参数[8],对该指标的去除效果可以反映对DBPs前质的去除效果。试验采用聚合铝为混凝剂,投加量为20～50 mg/L,混凝时水样的pH值为:①原水pH=7.1,②用硫酸将原水pH值调节到6.1。原水水质为UV254=0.157 cm-1、溶解性有机碳(DOC)=6.92 mg/L,水温为8℃,混凝对UV254的去除效果见图4。

从图4看出,对UV254的去除率随加药量而增加,降低pH值可以提高混凝对UV254的去除率。在聚合铝投加量分别为20、30、40mg/L,在pH=6.0和pH=7.1条件下混凝对UV254的去除率分别为30.5%、38%、42.8%和22.4%、30%、32%,去除率提高了约30%。

经计算,原水的SUVA(芳香度,可用来表示相同浓度有机碳中含有不饱和键与芳香环的多少,SUVA=UV254/DOC)为2.26,经强化混凝后下降为1.68,也就是说经混凝去除的DOC主要是含芳香结构的腐殖质。可以看出,强化混凝是去除试验水源水中DBPs前质的有效手段。

2.3 强化混凝对不同分子量有机物的去除

DOC指标比CODMn能更准确地反映水中有机物浓度,为了研究强化混凝对水中有机物的去除特性,利用水中有机物分子量分布的变化来指示混凝对不同分子量的去除效果。利用聚合铝为混凝剂,投加量为30 mg/L,试验水质条件同上(见2.2)。混凝时水样的pH值为:①原水pH=7.1,②用硫酸将原水pH调节到6.1。测定原水及混凝后水样的有机物分子量分布,测定结果见图5。

从图5中看出,常规混凝可以去除分子量大于4 k的有机物,特别是分子量大于10 k的有机物去除效果最好,但对分子量小于4 k的有机物去除效果差。调低pH值后,混凝对有机物的去除率提高,主要是提高了对分子量范围为1～4 k D的有机物的去除率,对分子量小于1k的有机物去除效果差。根据Kastl[10]对DOC的分类,可以认为本试验水源水中部分分子量在1～10 k范围的腐殖酸和富里酸的酸性基团由于pH值降低而非离子化,然后被氢氧化铝絮体吸附而去除。这一部分在DOC中所占比例的大小,决定了强化混凝对DOC的去除效果。而分子量小于1 k D的有机物一般具有较强的极性和亲水性,较难通过强化混凝去除。

2.4 强化混凝对不同类型有机物的去除

根据水中溶解性有机物的可生物降解性和可吸附性可将有机物分成多种类型[11](用DOC作为指标,即:能被生物降解的有机碳DOCD,不能被降解的有机碳DOCND,不能被活性炭吸附的有机碳DOCNA,能被活性炭吸附的有机碳DOCA;既不能被降解也不能被活性炭吸附的有机碳DOCND&NA,不能被降解但能被活性炭吸附的有机碳DOCND&A,能被降解但不能被活性炭吸附的有机碳DOCD&NA,既能被降解也能被活性炭吸附的有机碳DOCD&A),各种类型的有机物量与水质净化工艺选择密切相关,通过对不同类型有机物的去除分析可以为混凝后续工艺的选择提供依据。

聚合铝投加量为30 mg/L,混凝时水样的pH值为:①原水pH=7.0,②用硫酸将原水pH值调节到6.1。混凝前原水DOC=7.93 mg/L,水温=7℃,测定原水及混凝后水样的DOC类型,测定结果见图6(图6横坐标中,ND&NA表示DOCND&NA,ND&A表示DOCND&A,D&NA表示DOCD&NA,D&A表示DOCD&A,D表示DOCD,ND表示DOCND,NA表示DOCNA,A表示能被活性炭吸附的有机碳)。

从图6中看出,在pH=7.0和pH=6.1的混凝条件下,对DOC去除率分别为15%和26%。在pH=6.1的条件下,混凝对各类有机物的去除量比pH=7.0时有所提高。对DOCND、DOCA、DOCNA的去除率分别为17.8%、9%、42.9%和31%、19.4%、56%,对DOCD的去除很少。pH=7.0时,混凝对DOCND、DOCA和DOCNA的去除比较明显,主要去除的是较大分子量(即图5中分子量大于4 k的有机物)的有机物,这一部分有机物可以在不降低pH值的条件下通过加大投药量将其去除;通过降低pH值可以使另一部分腐殖质酸性基团非离子化,因此,pH=6.1的条件下,混凝进一步提高了对DOCND和DOCA的去除量,去除的部分主要是分子量在1～4 k范围(图5)的有机物,可能是分子量大于1 k的腐植酸和富里酸,对DOCND&NA的去除率为76%,剩余的DOCND中DOCND&A占95%。强化混凝对DOCD去除效果很差,这一部分是分子量很小的有机物,应属于在任何pH值下都难被混凝去除的部分。

在pH=7.0和pH=6.1的条件下,混凝后的DOCA/DOC总分别为0.88和0.89,混凝后水中的DOCND仍是DOC总的主要组成部分(DOCND/DOC总分别为0.76和0.73),其中可被活性炭吸附的部分(DOCND&A)占DOCND的95%。可见,对于该水源水来说,要进一步去除水中有机物,必须采用臭氧-生物活性炭或活性炭吸附工艺。

可见,通过调节pH值的强化手段可以提高混凝对溶解性有机物的去除率,主要提高了对可被活性炭吸附和难生物降解的有机物的去除效果,从而减轻后续深度处理反应器的有机负荷。在冬季水温较低的条件下,生物活性炭对可生物降解有机物的去除效果降低,但由于强化混凝提高了对难降解有机物的去除效率,从而保证了整体工艺对有机物的有效去除。

3 结 语

(1)通过降低pH值的强化混凝可明显提高对CODMn的去除效率。铝盐混凝剂的最适pH值为6左右,硫酸铝加药量为40 mg/L时,去除率达到45.1%,聚合铝加药量为30 mg/L以上时,去除率达到45%;当pH值继续降低至5,硫酸铝混凝效果显著降低。铁盐的最适pH值为5,在30 mg/L的加药量下,对CODMn的去除率为50%,但铁盐易造成水的色度增加。

(2)强化混凝可提高对UV254的去除效果,即可有效去除水中DBPs前质。聚合铝投加量分别为20、30、40 mg/L,在pH=6.0和pH=7.1条件下混凝对UV254的去除率分别为30.5%、38%、42.8%和22.4%、30%、32%,去除率提高了约30%。

(3)调低pH值的强化混凝主要提高了对分子量在1～4k范围的有机物的去除率,提高了对可被活性炭吸附有机物和难生物降解有机物的去除效果。强化混凝是低温条件下去除水中有机物和消毒副产物(DBPs)前质的有效手段。

摘要：研究不同pH值条件下低温强化混凝对某水源水中有机物的去除效果和去除机理,为微污染水源水饮用处理工艺在低温条件下达标提供方法和参数。采用烧杯混凝试验,测定混凝对高锰酸盐指数(CODMn)、紫外吸光度(UV254)的去除率,分析强化混凝去除有机物的分子量范围和有机物类型。通过降低pH值,强化混凝可明显提高对CODMn和UV254的去除效率,特别提高了对分子量在14 k范围的溶解性有机物的去除率;被强化混凝去除的有机物主要是可被活性炭吸附和难生物降解的部分;由此得出强化混凝是低温条件下去除水中有机物和消毒副产物(DBPs)前质的有效手段。