PAC與PDMDAAC復(fù)合混凝劑去除高濁度水中有機(jī)氯

賀建棟,劉鵬宇,常 青,張翠玲

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PAC與PDMDAAC復(fù)合混凝劑去除高濁度水中有機(jī)氯

賀建棟,劉鵬宇,常 青*,張翠玲

(蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

以聚合氯化鋁(PAC)和聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDMDAAC)為原料制備復(fù)合混凝劑,采用強(qiáng)化混凝的處理方法,對(duì)高濁度水體中有機(jī)氯(OCPs)以及濁度去除效果進(jìn)行研究.考察了PAC-PDMDAAC復(fù)合比例、復(fù)合混凝劑投加量、水樣初始濁度、慢速攪拌時(shí)間、pH值等因素對(duì)濁度和OCPs去除效果的影響,結(jié)合絮體分形維數(shù)和Zeta電位對(duì)去除效果進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明,復(fù)合比例對(duì)處理高濁水體中的OCPs以及濁度效果影響較大,PAC與PDMDAAC復(fù)合比例為5:1,投藥量為1mL/L,慢速攪拌時(shí)間為15min時(shí),OCPs和濁度去除率達(dá)到最佳;隨著初始濁度的升高,水體中OCPs的去除率也隨之增加,表明PAC-PDMDAAC復(fù)合混凝劑更適用于高濁度水中OCPs和濁度的去除;復(fù)合混凝劑與其他混凝劑相比,其最佳pH值范圍較廣,當(dāng)pH值為4時(shí),OCPs和濁度去除率達(dá)到最佳.利用絮體分形維數(shù)和Zeta電位兩種表征手段對(duì)混凝效果進(jìn)行進(jìn)一步探討,說明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性.

高濁水體；OCPs；強(qiáng)化混凝；PAC-PDMDAAC

有機(jī)氯農(nóng)藥(OCPs)作為一種特殊的化學(xué)合成品,由于具有“三致效應(yīng)”,成為全球需要優(yōu)先控制與削減的12類污染物之一[1-2].目前,對(duì)水中OCPs的處理方法主要集中在物理吸附法、化學(xué)氧化與還原法、生物降解法以及輻射處理法上[3].吸附法是將OCPs吸附在吸附劑表面實(shí)現(xiàn)去除,吸附材料有硅藻土、活性炭和硅膠等[4-7],但此方法技術(shù)成本高,吸附劑再生困難,且不能從根本上消除OCPs;化學(xué)氧化與還原法是在水樣中加入化學(xué)物質(zhì),使其與水中的OCPs發(fā)生氧化還原反應(yīng),達(dá)到去除的目的[8-9],但化學(xué)氧化與還原法運(yùn)行費(fèi)用較高,對(duì)反應(yīng)條件要求嚴(yán)格,同時(shí),易產(chǎn)生二次污染;生物降解法是利用微生物降解代謝有機(jī)物為無機(jī)物來對(duì)水體中的OCPs進(jìn)行處理.此方法所需工藝占地面積較大,對(duì)OCPs的處理能力較弱且存在著出水運(yùn)行不穩(wěn)定的缺點(diǎn),無法大規(guī)模對(duì)微污染水體中的OCPs進(jìn)行去除[10].輻射技術(shù)降解有機(jī)污染物利用電離輻射產(chǎn)生的多種自由基粒子,這些粒子與水中的OCPs發(fā)生反應(yīng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)去除的目的[11],其雖然可將OCPs徹底氧化消除且無有毒有害的副產(chǎn)物,但是目前就電子束的防護(hù)技術(shù)還不夠成熟,導(dǎo)致其潛在危害較大,經(jīng)濟(jì)成本較高,在實(shí)際中很少被采用[12-13].同時(shí),基于高濁度水體中泥沙濃度較高、水中泥沙比表面積大和吸附能力強(qiáng)的特性,若采用一般微污染水體的凈化工藝流程,均會(huì)有諸多不利因素的限制,如:由于大量泥沙落淤,造成生物生態(tài)的破壞或凈化效率的降低[14].針對(duì)以上方法在給水工藝中對(duì)OCPs處理的局限性,本課題組采用強(qiáng)化混凝,在不改變現(xiàn)有給水工藝的基礎(chǔ)上,對(duì)水體中的OCPs進(jìn)行去除[3].

目前,聚合氯化鋁(PAC)和聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDMDAAC)是國內(nèi)外給水系統(tǒng)中常用的混凝劑.PAC的優(yōu)點(diǎn)是它比傳統(tǒng)的鋁鹽混凝劑混凝效果好,且比有機(jī)高分子混凝劑的價(jià)格低廉.但是,在形態(tài)、聚合度及相應(yīng)的凝聚-混凝效果方面,PAC仍處于傳統(tǒng)鋁鹽混凝劑與有機(jī)高分子混凝劑之間,它對(duì)膠體物質(zhì)的吸附架橋能力比有機(jī)高分子混凝劑差很多,而且還存在對(duì)進(jìn)一步水解反應(yīng)的不穩(wěn)定性問題.另外,PAC在實(shí)際應(yīng)用中,存在著較有機(jī)高分子混凝劑投藥量高、產(chǎn)生的污泥量大等缺點(diǎn)[15].PDMDAAC混凝劑具有分子量大、產(chǎn)品穩(wěn)定性好、對(duì)膠體物質(zhì)的吸附架橋能力強(qiáng)、適用范圍廣、產(chǎn)生的污泥量少的優(yōu)點(diǎn),且PDMDAAC為陽離子型混凝劑,正電荷較強(qiáng),更有利于電中和作用,較無機(jī)混凝劑而言, PDMDAAC混凝效果更佳,但其缺點(diǎn)是價(jià)格高、最佳投藥范圍窄、水處理成本高等[16].為了更好的去除高濁度水體中的有機(jī)污染物,研究者將目光投向于混凝劑的復(fù)合,復(fù)合混凝劑具有無機(jī)混凝劑和有機(jī)混凝劑的優(yōu)點(diǎn),可以有效提高對(duì)水體中污染物的去除率[17-18].目前許多學(xué)者利用復(fù)合混凝劑處理濁度較低的水體,例如黃曼君等[19]利用PFS-PDMDAAC復(fù)合混凝劑對(duì)15.6~ 18.0NTU低濁度水體中藻類的去除進(jìn)行了研究,王萌萌等[20]利用PFS-PDMDAAC和PAC- PDMDAAC復(fù)合混凝劑處理的水樣濁度也僅為4.76~6.19NTU,而用復(fù)合混凝劑去除高濁度水體中有機(jī)物的研究較少.

本研究模擬黃河蘭州段高濁水體的特性,將蘭州威立雅水務(wù)公司在混凝工藝中常用的無機(jī)混凝劑PAC和有機(jī)高分子混凝劑PDMDAAC按照一定方法進(jìn)行復(fù)合,制得PAC-PDMDAAC復(fù)合混凝劑.對(duì)模擬水樣采用強(qiáng)化混凝的方法,完成對(duì)高濁水樣中的OCPs的去除,探討了影響混凝效果的各個(gè)因素以及確定最佳混凝條件,并結(jié)合絮體的分形維數(shù)和水樣Zeta電位對(duì)OCPs的去除效果進(jìn)行驗(yàn)證.

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

主要儀器:Varian CP-3800型氣相色譜儀(美國瓦里安公司),HACH2100P型便攜式濁度儀(美國哈希公司),Orion 828型pH測試儀(美國奧立龍中國公司),JB-2型恒溫磁力攪拌器(上海雷磁新經(jīng)有限公司),JJ-4A六聯(lián)同步自動(dòng)升降攪拌機(jī)(武漢恒嶺科技有限公司),Nano-ZS90型Zeta電位儀(英國馬爾文公司),CFX-1001型“咖啡象”數(shù)碼顯微影像分析儀(福州泉通電子有限公司).

主要材料:有機(jī)氯農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品(含-HCH、-HCH、-HCH、-HCH、’-DDT、’-DDT、’-DDE、’-DDD,國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心),聚合氯化鋁工業(yè)級(jí)(PAC),聚二甲基二烯丙基氯化銨工業(yè)級(jí)(PDMDAAC),甲醇GR級(jí),正己烷GR級(jí),二氯甲烷GR級(jí),高嶺土CP級(jí),超純水(用哇哈哈純凈水代替).

1.2 水樣的制備

用量筒量取1L的自來水置于燒杯中,加入適量配制的5%高嶺土濁液,利用便攜式濁度儀測得其濁度并使其保持穩(wěn)定,然后加入1mL濃度為200ng/mL的農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品,靜止12h,使OCPs在水相和顆粒物之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡分布,即配制為OCPs為200ng/L一定濁度的待處理水樣.

1.3 PAC-PDMDAAC復(fù)合混凝劑的制備

用量筒精確量取100mL超純水移至三口瓶內(nèi),將三口瓶置于恒溫磁力攪拌器上,溫度保持20℃恒定,在中速攪拌狀態(tài)下加入一定量PAC攪拌5min;稱取一定量的PDMDAAC,同時(shí)量取100mL超純水,在50mL的小燒杯中,分3次使PDMDAAC完全溶解,并洗滌燒杯內(nèi)壁.恒溫磁力攪拌器保持高速攪拌的狀態(tài),將溶解的PDMDAAC溶液緩慢移入三口瓶內(nèi),將三口瓶密封以防止溶液接觸空氣,使溶液在高速攪拌狀態(tài)下攪拌3h,然后靜置24h,制備成PAC- PDMDAAC固含量為0.8mg/mL的復(fù)合混凝劑備用.

1.4 混凝實(shí)驗(yàn)

將制備好的待處理水樣置于六聯(lián)攪拌機(jī)上,設(shè)定程序1為160r/min,攪拌時(shí)間為2min,程序2為160r/min,攪拌時(shí)間為2min,程序3為40r/min,攪拌時(shí)間為15min,復(fù)合混凝劑投加點(diǎn)為程序2開始0.5min時(shí).當(dāng)攪拌完成后,將水樣靜置10min后,測定其上清液濁度,然后將上清液經(jīng)過固相萃取裝置萃取,用5mL二氯甲烷和10mL正己烷分2次進(jìn)行洗脫并收集于25mL的試管中,將其用氮?dú)獯得摑饪s至1mL,并轉(zhuǎn)移至氣相色譜GC-3800進(jìn)樣小瓶中,測其OCPs濃度.

1.5 OCPs氣相色譜測定分析

OCPs含量測定分析采用Varian CP-3800型氣相色譜儀分析測定,具體測定條件為:升溫程序設(shè)定初始溫度為100℃,保持1min,以20℃/min升溫至180℃,保持2min,以5℃/min升溫至250℃,保持10min;進(jìn)樣口溫度250℃,載氣為高純氮?dú)?純度99.999%),采用恒流模式,壓力為68.95kPa,總流量7mL/min,柱流量為0.677mL/min,吹掃流量為3mL/min;檢測器采用ECD檢測器,溫度設(shè)定為300℃,采用分流進(jìn)樣(分流比30:1),進(jìn)樣量為1μL,同時(shí)設(shè)定尾吹流量30mL/min.

1.6 絮體分形維數(shù)測定

將混凝實(shí)驗(yàn)所得絮體轉(zhuǎn)移至玻璃表面皿中,用顯微鏡數(shù)碼相機(jī)對(duì)拍攝區(qū)域的絮體進(jìn)行連續(xù)拍照(放大或縮小0.25倍),然后運(yùn)用顯微圖像分析軟件分析拍攝的絮體圖像,測定絮體周長和絮體面積,按照ln=Dln+ln對(duì)絮體的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,式中l(wèi)n和ln呈線性關(guān)系,直線的斜率即為分形維數(shù),為一恒定常數(shù)[21].

1.7 Zeta電位測定

Zeta電位采用Nano–ZS90 型Zeta 電位儀(英國馬爾文公司),取少量混凝實(shí)驗(yàn)所得上清液轉(zhuǎn)移至Zeta電位儀專用U型管中,測得水樣的Zeta電位,以上步驟重復(fù)3遍,取其平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 PAC與PDMDAAC復(fù)合比例對(duì)濁度去除的影響

本課題的前期研究表明,混凝過程中,OCPs隨高嶺土形成絮體發(fā)生吸附共沉降作用被去除,即OCPs的去除率與濁度的去除率呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性[22-23],因此濁度的去除率可以間接地反應(yīng)OCPs的去除效果.稱取不同質(zhì)量的PAC與PDMDAAC,分別配制PAC與PDMDAAC凈含量比例為2:1、3:1、5:1、7:1的復(fù)合混凝劑,在投藥量為1mL/L時(shí),對(duì)不同初始濁度的水樣進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn),得PAC-PDMDAAC復(fù)合比例與濁度去除率之間的關(guān)系如圖1.

由圖1可知,初始濁度由200NTU升至400NTU時(shí),不同復(fù)合比例的 PAC-PDMDAAC復(fù)合混凝劑對(duì)濁度的去除效果相差不大;但當(dāng)初始濁度為500NTU和600NTU時(shí),復(fù)合比例為5:1的PAC-PDMDAAC復(fù)合混凝劑的除濁效果明顯高于其他.其原因在于復(fù)合混凝劑中的有機(jī)組分PDMDAAC具有較高的正電荷密度,其含量越高,復(fù)合混凝劑的電中和能力越強(qiáng),當(dāng)PAC- PDMDAAC的復(fù)合比例為2:1和3:1時(shí),在混凝過程中,會(huì)使得已經(jīng)脫穩(wěn)的膠體顆粒帶上較多的正電荷而再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[24],表現(xiàn)為濁度去除率沒有達(dá)到最佳.當(dāng)PAC-PDMDAAC復(fù)合比例為5:1時(shí),少量的PDMDAAC恰好完全附著于PAC上,此時(shí),復(fù)合混凝劑也有較強(qiáng)的電中和能力,同時(shí),混凝體系沒有出現(xiàn)反渾現(xiàn)象,說明吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃發(fā)揮重要作用[25],再加上適當(dāng)?shù)碾娭泻妥饔?使PAC-PDMDAAC復(fù)合比例為5:1時(shí)的復(fù)合混凝劑除濁效果達(dá)到最佳.隨著PAC- PDMDAAC復(fù)合比例的繼續(xù)增大,復(fù)合混凝劑的電中和能力下降,造成濁度去除率的下降.

2.2 PAC-PDMDAAC復(fù)合混凝劑投加量對(duì)OCPs去除的影響

實(shí)驗(yàn)采用PAC-PDMDAAC復(fù)合比例為5:1的復(fù)合混凝劑,取制備好的初始濁度為600NTU的水樣1L于燒杯中,分別投加不同劑量的復(fù)合混凝劑,得到復(fù)合混凝劑投加量對(duì)濁度以及OCPs的去除率關(guān)系如圖2所示.

由圖2可知,當(dāng)處理對(duì)象為600NTU的高濁度的水樣時(shí),隨著PAC-PDMDAAC復(fù)合混凝劑投加量的增加,OCPs和濁度的去除率也相應(yīng)地得到了提高.當(dāng)投藥量為1mL/L時(shí),OCPs的去除率和濁度去除率達(dá)到最佳,分別可以達(dá)到83.0%~94.0%和97.9%.繼續(xù)增加復(fù)合混凝劑的投藥量,OCPs和濁度的去除率呈下降的趨勢,當(dāng)復(fù)合混凝劑的投藥量為3mL/L時(shí),OCPs的去除為67.6%~90.0%,除濁率也僅為94%.因此, PAC- PDMDAAC復(fù)合混凝劑的最佳投藥量為1mL/L,低于或高于最佳投藥量對(duì)OCPs和濁度的去除均不利. PAC-PDMDAAC復(fù)合混凝劑對(duì)OCPs去除率較高的原因是PDMDAAC分子量較大,可以使PAC附著在PDMDAAC長鏈結(jié)構(gòu)上,增強(qiáng)了復(fù)合混凝劑的電中和、吸附架橋和網(wǎng)捕-卷掃作用[26],利于絮體的形成,OCPs隨著絮體形成的過程發(fā)生吸附共沉降作用而被去除.當(dāng)投藥量改變時(shí),OCPs以及濁度的去除率也隨之發(fā)生變化,是因?yàn)閺?fù)合混凝劑對(duì)OCPs的去除能力與其有機(jī)組分PDMDAAC有關(guān),PDMDAAC表面帶有較高的正電荷密度,與PAC表面的正電荷相互疊加,增強(qiáng)了復(fù)合混凝劑對(duì)OCPs的電中和能力[27-28].隨著投藥量逐漸增加到最佳投藥量時(shí),電中和作用發(fā)揮到最大,濁度去除率達(dá)到最高,同時(shí),由于絮體的吸附共沉降作用,使得OCPs去除率也達(dá)到最佳.繼續(xù)增大投藥量,會(huì)使水中原來帶負(fù)電荷的膠體變成帶正電荷的膠體,導(dǎo)致膠核表面吸附了過多的正離子,使膠體重新穩(wěn)定,從而降低了對(duì)OCPs和濁度的去除效果[3].

2.3 原水濁度對(duì)OCPs去除的影響

分別配制OCPs初始濃度為200ng/L且初始濁度梯度為200,300,400,500,600,700NTU的水樣各1L于燒杯中,復(fù)合混凝劑的投藥量取最佳投藥量1mL/L,進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn),得到OCPs和濁度的去除率如圖3.由圖3可知,OCPs和濁度去除率均隨初始濁度的升高而增大.當(dāng)初始濁度從200NTU升高到600NTU時(shí),二者的去除率均有明顯的提高,OCPs的去除率從71.3%~84.3%升高到83.0%~94.0%,濁度去除率率從79.2%升高到98%.這是因?yàn)?當(dāng)初始濁度升高時(shí),高嶺土顆粒作為水中膠體顆粒和懸浮物質(zhì),對(duì)OCPs的吸附效果也隨之增大,即活性吸附點(diǎn)的數(shù)量增加,導(dǎo)致對(duì)OCPs的吸附去除率增大;另一方面,隨著濁度的升高,復(fù)合混凝劑的共沉淀、吸附架橋和網(wǎng)捕作用明顯加強(qiáng),同時(shí)使膠體顆粒與復(fù)合混凝劑水解產(chǎn)物相互接觸、碰撞的幾率增大,繼而使產(chǎn)生的絮體量增多,導(dǎo)致對(duì)濁度和OCPs的去除率增大[20].

2.4 慢速攪拌時(shí)間對(duì)OCPs去除的影響

取初始濁度為600NTU、OCPs初始濃度為200ng/L的水樣作為待處理水樣,慢速攪拌速度為40r/min,慢速攪拌時(shí)間依次為5,10,15,20,25, 30min,復(fù)合混凝劑投藥量取最佳投藥量1mL/L,進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn),得到OCPs和濁度的去除率如圖4.由圖4可知,隨著攪拌時(shí)間的延長,濁度和OCPs的去除率呈現(xiàn)先升高后降低,最后趨于平緩的趨勢,當(dāng)慢速攪拌時(shí)間為15min時(shí),對(duì)二者的去除率達(dá)到最大.這是因?yàn)?慢攪時(shí)間過短,復(fù)合混凝劑與高嶺土形成的絮體細(xì)小松散,對(duì)OCPs的吸附或網(wǎng)捕卷掃作用有限,沉降性能差,故去除率較低.隨著慢攪時(shí)間增加,絮體顆粒物逐漸長大,其巨大的比表面積發(fā)揮了吸附和網(wǎng)布卷掃作用,有利OCPs共沉淀去除.繼續(xù)增加慢攪時(shí)間對(duì)OCPs和濁度的去除均產(chǎn)生不利影響,這主要是因?yàn)?慢攪時(shí)間過長,形成的大絮體顆粒物被打碎不利于沉降,所以濁度和OCPs去除率降低,而且延長了停留時(shí)間,能耗增加[29].通過以上分析,綜合考慮選擇PAC-PDMDAAC復(fù)合混凝劑混凝最佳慢速攪拌時(shí)間為15min.

2.5 pH值對(duì)OCPs去除的影響

取制備好的初始濁度為600NTU的水樣1L于燒杯中,用1mol/L的氫氧化鈉溶液和10%的鹽酸溶液分別調(diào)節(jié)pH值為4、5、6、7、8、9,復(fù)合混凝劑的投藥量為最佳投藥量1mL/L,得到OCPs和濁度的去除率如圖5.

由圖5可知,隨著pH值升高,PAC- PDMDAAC復(fù)合混凝劑對(duì)OCPs和濁度的去除率整體呈下降的趨勢.當(dāng)pH值為4時(shí),二者的去除率達(dá)到最大,其中,OCPs的去除率達(dá)到85.5%~ 95.9%,濁度去除率達(dá)到99.2%.這是因?yàn)楦邘X土對(duì)OCPs的吸附能力隨著pH值的改變而發(fā)生較大程度的變化.一方面,當(dāng)pH值較低時(shí),復(fù)合混凝劑的水解產(chǎn)物正電荷密度較高,電中和能力較強(qiáng)[30],而水樣整體呈現(xiàn)負(fù)電荷,較強(qiáng)的電中和更有利于OCPs以及濁度的去除.另一方面,當(dāng)pH值為4~5時(shí),Al13(OH)347+是鋁鹽水解的最主要的形式[31],該多核羥基絡(luò)合物附著在PDMDAAC長鏈上,易于和高嶺土發(fā)生電中和、吸附架橋作用而形成絮體,依靠絮體的比表面吸附或網(wǎng)捕卷掃作用使OCPs的去除率也得以提高;當(dāng)pH值進(jìn)一步增大時(shí),附著在PDMDAAC長鏈上的PAC水解產(chǎn)物中高電荷多核絡(luò)合物質(zhì)所帶電荷減少,對(duì)有機(jī)物及膠體顆粒的電中和作用減弱[32],從而導(dǎo)致絮體的減少,表現(xiàn)為OCPs和濁度的去除率降低.綜上所述,當(dāng)pH=4時(shí), OCPs和濁度去除率達(dá)到最佳.

2.6 絮體分形維數(shù)

向水樣中添加混凝劑后,微粒間發(fā)生相互碰撞時(shí),首先會(huì)形成較小的絮體顆粒,繼而這些顆粒會(huì)集聚形成更大的絮體從而沉降下來.這一過程中,絮體的形成是隨機(jī)碰撞發(fā)生的,是一種非線性的過程,其符合分形理論[33].絮體的分形特征能夠反應(yīng)絮體微觀結(jié)構(gòu)的改變以及絮體生長的動(dòng)態(tài)變化[34],即分形維數(shù)可用來描述顆粒與小絮體在不規(guī)則絮體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的填充程度,能很好地描述和分析絮體結(jié)構(gòu)的形成和生長.理論上,絮體的分形維數(shù)越大,其結(jié)構(gòu)越密實(shí),沉降速度越快,混凝沉淀效果越好[35-37].取OCPs初始濃度為200ng/L,初始濁度為600NTU的水樣,分別投加0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0mL/L PAC-PDMDAAC復(fù)合混凝劑進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn),將獲得的絮體采用“咖啡象”顯微鏡數(shù)碼新視窗進(jìn)行拍照以及分析處理.根據(jù)圖6、圖7,并結(jié)合表1分析可知,當(dāng)復(fù)合混凝劑的投藥量為1.0mL/L時(shí),絮體顆粒密實(shí)且體積較大,其分形維數(shù)為0.8417,達(dá)到最大,即混凝效果最好,對(duì)濁度和OCPs的去除率最大.

結(jié)合以上分析和相關(guān)理論[38],可以得到當(dāng)絮體分形維數(shù)達(dá)到最大時(shí),絮體結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度達(dá)到最佳,絮體的孔隙率最小,粒度分布最集中,沉降速度最快,易發(fā)生吸附、架橋網(wǎng)捕作用;而當(dāng)分形維數(shù)較小時(shí),絮體不規(guī)則程度降低,不易發(fā)生吸附和架橋作用.投藥量為1mL/L時(shí),絮體的分形維數(shù)達(dá)到最大,說明此時(shí)的吸附、架橋和網(wǎng)捕作用達(dá)到最大,表現(xiàn)為對(duì)OCPs和濁度的去除效果最佳.

2.7 Zeta電位

Zeta電位可以反映膠體和懸浮物的穩(wěn)定性[39-40],也可作為判斷混凝效果的重要依據(jù)[41]. Henderson等研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)Zeta電位降低到-8mV至2mV之間時(shí),有機(jī)物的去除率較為理想,且其絕對(duì)值越接近零說明混凝效果越好.

由表1可見,隨著PAC-PDMDAAC復(fù)合混凝劑投加量的增加,混凝后水樣的Zeta電位由-6.02mV升高至17mV.投藥量為0.5,1.0mL/L時(shí),混凝后的水樣Zeta電位分別為-6.02,-3mV,位于-8 ~2mV之間,繼續(xù)增大投藥量,Zeta電位會(huì)超出此區(qū)間,OCPs的去除率也隨之降低.當(dāng)復(fù)合混凝劑投藥量為1.0mL/L時(shí),Zeta電位的絕對(duì)值接近于零,說明最佳投藥量為1.0mL/L.這與之前實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,進(jìn)一步證明了實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果的正確性.

表1 分形維數(shù)與Zeta電位Table 1 Fractal dimension and Zeta potentials

3 結(jié)論

3.1 模擬黃河蘭州段水體高濁度的特征,將PAC和PDMDAAC混凝劑進(jìn)行復(fù)合,制得PAC-PDMDAAC復(fù)合混凝劑,復(fù)合比例為5:1時(shí)的PAC-PDMDAAC復(fù)合混凝劑更有利于去除高濁度水體中的OCPs和濁度.

3.2 當(dāng)水樣初始濁度較高時(shí),PAC -PDMDAAC復(fù)合混凝劑的最佳投加量為1mL/L,OCPs的去除率達(dá)到83.0%~94.0%,濁度去除率為98.0%,同時(shí)利用絮體分形維數(shù)和Zeta電位輔助分析表明, OCPs和濁度的去除率最高時(shí)絮體分形維數(shù)也最大,進(jìn)一步證明OCPs和濁度的去除有正相關(guān)性.

3.3 PAC-PDMDAAC復(fù)合混凝劑更有利于去除高濁度水體中的OCPs.OCPs和濁度的去除率均隨初始濁度的增大提高而后趨于平緩.當(dāng)初始濁度從200NTU增加到600NTU時(shí),OCPs的去除率由71.3%~84.3%增加到83.0%~94.0%,濁度的去除率由79.2%增大到98%.

3.4 慢速攪拌時(shí)間過長或過短都不利于PAC- PDMDAAC復(fù)合混凝劑對(duì)OCPs和濁度的去除,最佳慢速攪拌時(shí)間為15min.

3.5 pH值為4的酸性水環(huán)境下,更有利于PAC-PDMDAAC對(duì)OCPs及濁度的去除,OCPs的去除率達(dá)到85.5%~95.9%,濁度的去除率為99.2%.

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* 責(zé)任作者, 教授, changq47@163.com

Efficiency of the PAC-PDMDAAC composite coagulant for eliminating the organochlorines in high-turbidity water

HE Jian-dong, LIU Peng-yu, CHANG Qing*, ZHANG Cui-ling

(School of Environmental and Municipal, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)., 2016,36(6)：1738~1745

The elimination of turbidity and organochlorine (OCPs) in high-turbidity water by enhanced coagulation was studied. A composite coagulant was prepared by Poly Aluminium Chloride (PAC) and Poly Dimethyl Diallyl Propy Ammoniuml Chloride (PDMDAAC). The effect of PAC-PDMDAAC composite ratio, dosage of the composite coagulant, initial turbidity, the time for slow stirring and pH on the elimination efficiencies of turbidity and OCPs were tested and characterized by fractal dimension of flocs and Zeta potentials to verify the result. The results show that PAC-PDMDAAC ratio has great influence on the removal effect of OCPs and turbidity. The removal rates of turbidity and OCPs reach the highest values when the PAC-PDMDAAC composite ratio is 5:1, the dosage of PAC-PDMDAAC is 1ml/L, and the time for slow stirring is 15min. With the increase of initial turbidity, the removal rate of OCPs in the water is also increased which shows that the PAC-PDMDAAC apply to high turbidity water. Compared with other coagulants, The PAC-PDMDAAC composite coagulant has wide pH range suitable for use, the removal rates of turbidity and OCPs reach the best when the pH is 4. The coagulation effects are well verified and explained by measuring the fractal dimension of flocs and Zeta potential of particles.

high turbidity water；OCPs；enhanced coagulation；PAC-PDMDAAC；composite coagulant

X703.5

A

1000-6923(2016)06--08

賀建棟(1991-),男,甘肅定西人,蘭州交通大學(xué)碩士研究生,主要從事水污染控制研究.

2015-11-15

國家自然科學(xué)基金(21277065);教育部長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(IRT0966)