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磁混凝沉淀技術(shù)處理微污染水體

  磁混凝沉淀處理技術(shù)是新興的污水處理技術(shù),該技術(shù)在常規(guī)絮凝劑與助凝劑中投加磁粉,利用磁粉密度大的特性,高效快速地沉淀絮凝團(tuán),實(shí)現(xiàn)固液分離,將污染物去除,從而達(dá)到處理污水的目的。磁混凝沉淀整套工藝占地相當(dāng)于污水處理廠(chǎng)普通初沉池,能夠節(jié)約土地資源,減少基建費(fèi)用投入;同時(shí)其水力負(fù)荷高、藥劑投加量少,有效減少污水處理成本,經(jīng)濟(jì)效益顯著。因此,在城市污水處理、中水回用、河道水處理及高磷廢水處理等領(lǐng)域受到廣泛青睞,被認(rèn)為是一種極具發(fā)展前景的污水處理技術(shù)。本研究擬利用磁混凝沉淀技術(shù)對(duì)南京應(yīng)天大街忠字河微污染河水進(jìn)行試驗(yàn)研究,探究磁混凝處理技術(shù)的最佳運(yùn)行條件,確定適宜的工藝參數(shù),并分析磁混凝的除污機(jī)理,為微污染河道水的治理提供技術(shù)參考。

  1、材料與方法

  1.1 試驗(yàn)水質(zhì)

  試驗(yàn)用水取自南京應(yīng)天大街忠字河微污染河道水,原水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

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  1.2 儀器和試劑

  儀器:哈希分光光度計(jì)(DR3900)、哈希消解器(DRB200)、六聯(lián)攪拌機(jī)(JJ-4)。

  試劑:哈希COD、TP配套試劑、聚合氯化鋁(PAC,28%,工業(yè)級(jí))、聚丙烯酰胺(PAM,陽(yáng)離子50%離子度,工業(yè)級(jí))、磁粉(主要成分Fe3O4,黑色粉末,1#~5#磁粉特性見(jiàn)表2)。

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  1.3 試驗(yàn)方法

  采用六聯(lián)攪拌機(jī)進(jìn)行磁混凝靜態(tài)試驗(yàn),取500mL微污染河水置于1L燒杯中,投加不同種類(lèi)、不同劑量藥劑(磁粉、PAC和PAM),取上清液測(cè)定TP、COD和SS指標(biāo)。根據(jù)各指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果,分析磁粉種類(lèi)、磁粉投加量、絮凝劑投加量、藥劑投加順序、沉淀時(shí)間等因素對(duì)磁混凝效果的影響,進(jìn)而探究磁混凝的去除機(jī)理,并確定最佳工藝參數(shù)。

  1.4 分析方法

  TP采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定,COD采用消解法測(cè)定,SS采用重量法測(cè)定。

  2、結(jié)果與討論

  2.1 不同磁粉對(duì)磁混凝效果影響

  在PAC投加量為50mg/L,PAM投加量為1.0mg/L,磁粉投加量為60mg/L的條件下,首先投加不同磁粉快速攪拌(250r/min)2min,再投加PAC快速攪拌(250r/min)2min,最后投加PAM,先快速攪拌(250r/min)1min,再慢速攪拌(80r/min)10min,靜沉5min后取上清液檢測(cè),探究不同磁粉對(duì)污染水中各污染物的去除效果,結(jié)果如圖1所示。

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  由圖1可知,4#磁粉對(duì)TP去除效果最佳,去除率可達(dá)70%,處理后水中TP質(zhì)量濃度為0.37mg/L;同時(shí),還具有較好的SS去除效果,去除率高達(dá)93.3%,處理后水中SS質(zhì)量濃度僅為1mg/L。2#、4#磁粉對(duì)污水COD處理效果顯著,去除率高達(dá)37%。

  由于磁混凝過(guò)程中包含磁粉與污泥的分離階段,因此在選擇磁粉時(shí),需同步考慮磁粉的磁性強(qiáng)弱以便后續(xù)污泥與磁粉分離。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度與矯頑力是磁粉與污泥分離的重要參數(shù)。4#磁粉具有最優(yōu)的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,2#磁粉具有較合理的矯頑力,對(duì)比分析,4#磁粉對(duì)污染物有較好的去除效果,在污泥分離階段也具有較好的綜合性能,因此,選擇4#磁粉作為水處理研究對(duì)象。

  2.2 磁粉投加量對(duì)磁混凝效果影響

  在PAC投加量為50mg/L,磁粉投加量為60~300mg/L(以20mg/L為梯度逐級(jí)提高磁粉投加量),PAM投加量為1mg/L的條件下,采用“磁粉+PAC+PAM”投加順序,靜沉5min取上清液測(cè)定水質(zhì)。攪拌條件同2.1節(jié),結(jié)果如圖2所示。

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  由圖2可知,隨著磁粉投加量增加,SS去除率始終保持在90%左右,處理出水水質(zhì)保持在1~2mg/L范圍內(nèi)。磁粉投加量逐漸增至100mg/L,TP去除率逐漸提升,并達(dá)到最大值82.9%,持續(xù)增加磁粉投加量,TP去除率開(kāi)始下降,至60%左右逐漸趨于平穩(wěn)。COD去除率隨著磁粉投加量的增加整體呈逐步提高的趨勢(shì),當(dāng)磁粉投加量為180mg/L時(shí),去除率達(dá)到最大值為65%,處理出水COD的質(zhì)量濃度約為7mg/L,COD去除率趨于穩(wěn)定。

  磁粉投加量對(duì)SS去除效果的影響較小,而對(duì)COD和TP的去除效果影響顯著。COD去除率隨著磁粉投加量的增加先快速上升后趨于穩(wěn)定,主要是因?yàn)榇欧郾缺砻娣e大,可產(chǎn)生物理吸附作用,將有機(jī)污染物吸附至磁粉表面,形成沉淀污泥去除,隨著磁粉投加量達(dá)到飽和,多余的磁粉開(kāi)始互相吸附團(tuán)聚,快速沉降至底部,失去除COD功能;且參與吸附的磁粉互相團(tuán)聚,導(dǎo)致磁粉有效吸附面積減少,使得COD去除率隨磁粉投加量增加而減緩,最終趨于穩(wěn)定。TP去除率隨磁粉投加量的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì),主要是由于磁粉在溶液中帶正電荷,而TP在水中是以有機(jī)磷與無(wú)機(jī)磷的形態(tài)存在,無(wú)機(jī)磷是以磷酸鹽的結(jié)構(gòu)存在并帶負(fù)電荷,隨著磁粉投加量的增多,吸附效果明顯。當(dāng)磁粉投加過(guò)量時(shí),在PAC、PAM的吸附架橋作用下,磁粉結(jié)合污泥顆粒,形成大量小絮凝團(tuán),在攪拌作用下,進(jìn)一步擴(kuò)大復(fù)合絮凝團(tuán)體積。污水中活性污泥表面帶負(fù)電荷,隨著絮凝團(tuán)體積擴(kuò)大,表面負(fù)電荷逐漸增強(qiáng),對(duì)帶負(fù)電荷的無(wú)機(jī)磷產(chǎn)生排斥作用越大,導(dǎo)致無(wú)機(jī)磷不易附著到絮凝團(tuán)上沉淀去除。因此,出現(xiàn)磁粉投加過(guò)量時(shí)TP去除率下降的現(xiàn)象。最終,綜合考慮投加量的經(jīng)濟(jì)性與處理效果,選用磁粉投加量為100mg/L。

  2.3 PAC投加量對(duì)磁混凝效果的影響

  控制磁粉與PAM的投加量分別為100mg/L和1.0mg/L,以“磁粉+PAC+PAM”的投藥順序進(jìn)行試驗(yàn),靜沉完全后取上清液檢測(cè),并與未投加磁粉常規(guī)混凝處理效果對(duì)比,考察PAC投加量對(duì)污染物去除效果的影響,結(jié)果如圖3所示。

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  由圖3可知,當(dāng)采用常規(guī)混凝時(shí),隨著PAC投加量的增加,SS的去除率一直保持在90%左右,TP去除率緩慢增加,最高去除率可達(dá)80%,COD去除率也隨PAC投加量的增加逐漸提高,最高去除率為35.2%。當(dāng)采用磁混凝處理污水時(shí),SS的去除率穩(wěn)定在92%以上,TP與COD的去除率呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)的趨勢(shì),最高去除率分別為84.9%與40.7%。當(dāng)PAC投加量超過(guò)60mg/L時(shí),由于PAM的投加量固定,未能滿(mǎn)足與PAC的配比絮凝,導(dǎo)致單一超量投加PAC,未能提高出水水質(zhì)

  通過(guò)對(duì)比可知,磁混凝對(duì)污水SS、TP、COD的處理效果分別比常規(guī)混凝提高1%~3%、3%~5%、5%~14%,表明磁混凝工藝未能顯著提高去除SS、TP。這是因?yàn)榇欧劬哂休^大的比表面積與表面活性能,當(dāng)吸附一定量未溶解游離態(tài)的有機(jī)物時(shí),可降低其表面活性能,從而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),在不斷吸附與磁性聚合時(shí)形成團(tuán)狀沉淀,與PAC、PAM在水中絮凝團(tuán)可較好地結(jié)合,形成復(fù)合磁性絮凝團(tuán)。因此,投加磁粉對(duì)COD的去除有顯著提高,而污水中SS、TP去除主要是依靠PAC、PAM的絮凝作用,磁粉起到加速絮凝沉淀作用,其對(duì)提高去除SS、TP效果不明顯。綜合分析,當(dāng)PAC投加量為60mg/L時(shí),經(jīng)濟(jì)效益及出水水質(zhì)均較好。

  2.4 藥劑投加順序?qū)Υ呕炷Ч挠绊?/p>

  以60mg/LPAC、100mg/L4#磁粉、1.0mg/LPAM作為投加試劑,探究投加順序?qū)Υ呕炷Ч挠绊懀贸鲎顑?yōu)的磁混凝投加順序。分別采用4種投加方式,每組均靜沉后取上清液測(cè)定,探究投藥方式對(duì)磁混凝處理效果的影響,結(jié)果如表3所示。

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  由表3可知,第③種投加方式對(duì)磁混凝處理效果最佳,出水COD濃度明顯優(yōu)于其他試驗(yàn)組,TP處理效果略?xún)?yōu)于其他組,出水SS處理效果與②、④試驗(yàn)組相近。其中,第①種方式處理水的各項(xiàng)指標(biāo)皆劣于投加磁粉處理水,且沉淀澄清時(shí)間最長(zhǎng)。

  當(dāng)先投加磁粉時(shí),磁粉具有比表面積大的特性,能在物理作用下吸附部分COD、TP,在一定范圍內(nèi),隨著磁粉投加量的增加,提高了對(duì)COD、TP的去除。再投加PAC,使磁粉聚集絮凝,最后投加PAM,快速、慢速攪拌相結(jié)合,通過(guò)有機(jī)高分子的架橋作用,使磁粉、懸浮物、絮凝劑結(jié)合成粒徑大、密實(shí)的“磁性復(fù)合體”,快速沉降。

  當(dāng)后加入磁粉時(shí),磁粉易于先結(jié)合PAC,從而失去吸附COD、TP的能力。因此,相比于其他投加方式,先投加磁粉可優(yōu)先去除出一部分的COD、TP,再與絮凝劑反應(yīng)去除COD、TP,形成雙級(jí)處理,進(jìn)一步提高出水水質(zhì)效果。而未投加磁粉的水處理中,由于缺少磁粉吸附COD與TP,導(dǎo)致其去除效果不突出;同時(shí),溶液中固體顆粒較少,導(dǎo)致團(tuán)聚凝結(jié)核減少,使膠粒碰撞次數(shù)降低,不易形成較大的絮凝團(tuán),且處理水中殘留部分膠體,最終使得SS去除效果劣于其他試驗(yàn)組,同時(shí)沉淀時(shí)間比投加磁粉處理要長(zhǎng)15min。綜合對(duì)比,應(yīng)優(yōu)先選用③藥劑投加方式作為磁混凝處理方案。

  2.5 沉淀時(shí)間對(duì)出水SS的影響

  絮凝團(tuán)沉淀時(shí)間對(duì)基建投資和出水水質(zhì)有較大影響,以SS為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比探究磁混凝與常規(guī)混凝對(duì)絮凝團(tuán)沉淀時(shí)間的影響。在PAC投加量為60mg/L,磁粉投加量為100mg/L,PAM投加量為1.0mg/L,采用“磁粉+PAC+PAM”投加順序,每靜沉5min取上清液檢測(cè)水質(zhì),共30min。攪拌條件同2.1節(jié),考察沉淀時(shí)間對(duì)SS去除效果的影響,結(jié)果如圖4所示。

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  由圖4可知,磁混凝處理水沉淀5min后,出水SS的質(zhì)量濃度已經(jīng)接近1mg/L,去除率在80%以上,處理效果趨于穩(wěn)定,最終達(dá)0.8mg/L。而常規(guī)混凝出水在靜沉5min后SS的質(zhì)量濃度為3mg/L,當(dāng)沉淀時(shí)間達(dá)20min時(shí),SS去除效果趨于平穩(wěn),質(zhì)量濃度為1.4mg/L,由此表明,磁混凝工藝不僅提高污水處理效果,而且能極大程度地縮短水力停留時(shí)間,可在短時(shí)間內(nèi)分離水體所含懸浮顆粒,遠(yuǎn)超常規(guī)混凝效果。

  這是因?yàn)橥都哟欧叟c常規(guī)混凝劑相結(jié)合形成磁性復(fù)合體,增大絮凝團(tuán)的密度,使絮凝團(tuán)沉降速度加快,從而起到助沉效果。序批式運(yùn)行時(shí)可極大限度地縮短沉淀時(shí)間,連續(xù)式運(yùn)行時(shí)可以大大提高水力負(fù)荷,基建占地減小,節(jié)省土地資源。采用磁混凝處理污水改善了混凝絮體的沉淀性能,可用于對(duì)傳統(tǒng)混凝沉淀設(shè)施進(jìn)行擴(kuò)容升級(jí)改造。同時(shí),磁粉具有微磁性能,使含磁絮凝團(tuán)互相緊密聚集,污泥層體積減少,污泥含水率大大降低,這對(duì)方便污泥處理具有非凡的意義。而排出污泥中所含磁粉可通過(guò)剪切機(jī)、磁分離機(jī)回收重復(fù)利用,降低磁粉損耗使得運(yùn)行成本降低。因此,通過(guò)投加磁粉與絮凝劑進(jìn)行磁混凝反應(yīng),使非磁性污染物附帶磁性得到實(shí)現(xiàn),且操作簡(jiǎn)便、效果穩(wěn)定、運(yùn)行成本低,適用于污水處理工程。

  3、結(jié)論

  (1)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和矯頑力的大小對(duì)磁粉與污泥分離有重要影響。4#磁粉具有最優(yōu)的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,表現(xiàn)出較優(yōu)異的綜合性能。

  (2)磁粉用量、絮凝劑用量與投藥順序?qū)Υ呕炷幚淼某鏊?a href="http://m.aizhuiying.com/" target="_blank" class="keylink">水質(zhì)有影響。最佳處理方案是:采用“磁粉+PAC+PAM”投加順序,當(dāng)磁粉投加量為100mg/L,PAC投加量為60mg/L,PAM投加量為1.0mg/L時(shí),對(duì)SS、TP、COD的去除率分別可達(dá)到94.6%、84.9%和40.7%。

  (3)磁混凝工藝不僅能提高污水處理效果,而且能極大程度地縮短水力停留時(shí)間,將磁混凝技術(shù)與其他污水處理工藝相結(jié)合,改善了混凝絮體的沉淀性能,操作簡(jiǎn)便,效果穩(wěn)定。( >

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