磁絮凝深度處理生活污水

段志輝，李 彥，李光柱，樊林棟，胡培源，李亞男

(1.太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024; 2.中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司，太原 030012)

我國(guó)水資源匱乏，且城市水污染嚴(yán)重[1]，節(jié)能高效地處理生活污水是水處理領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。目前，常規(guī)生活污水工藝主要采用一級(jí)物理處理和二級(jí)生化處理[2]，然而傳統(tǒng)工藝的處理效果較差[3]。污水的深度處理是新興的水處理技術(shù)，也是污水廠提標(biāo)改造的有效途徑[4]。

磁絮凝技術(shù)是一種典型的污水深度處理技術(shù)，因其處理成本低、沉降速度快、回收率高、出水水質(zhì)好而在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用[5]。磁絮凝是指在混凝劑存在的條件下，通過投加磁種與絮凝劑結(jié)合形成磁性絮凝體，利用自重或磁分離技術(shù)去除目標(biāo)污染物的方法[6]。同時(shí)，磁種可回收重復(fù)利用，操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)適用。

本研究利用磁絮凝技術(shù)處理生活污水處理廠二沉池出水，采用單因素和正交實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)CODcr、SS、NH3-N和TP等指標(biāo)的考察，確定了磁絮凝技術(shù)處理生活污水的最佳工藝參數(shù)，探索磁絮凝機(jī)理，以期為該技術(shù)在生活污水處理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原水與試劑

原水采自太原市某污水處理廠二沉池出水，該廠6月份二沉池出水水質(zhì)指標(biāo)為：pH為7.23～7.51；CODcr為20.1～58.4 mg/L；NH3-N為0.65～4.77 mg/L；TP為0.5～2.25 mg/L；SS為4.8～8 mg/L?？梢姡脸爻鏊|(zhì)基本符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

試劑：磁粉Fe3O4(優(yōu)級(jí)純，99%)聚合氯化鋁 PAC(分析純，含量以氯化鋁計(jì)不少于28%)；聚丙烯酰胺PAM(分析純，90%)；氫氧化鈉。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

取二沉池出水1 L，采用六聯(lián)恒溫?cái)嚢铏C(jī)來控制實(shí)驗(yàn)的攪拌溫度、速度和時(shí)間?；炷龑?shí)驗(yàn)由以下三階段組成：第一階段為快速攪拌階段。向原水中分別依次加入PAC、磁粉、PAM后進(jìn)行快速攪拌，溶液中首先加入PAC，此時(shí)分子粒徑小，碰撞絮凝概率低，需要大的轉(zhuǎn)速以加快絮凝。加入磁粉后，此時(shí)溶液中小分子的有機(jī)物已被PAC絮凝起來，粒徑變大，選擇中等轉(zhuǎn)速即可。相對(duì)應(yīng)的，PAM是把小分子的絮凝物凝聚成大顆粒的絮凝物。此時(shí)溶液中均為大粒徑顆粒，選擇較小轉(zhuǎn)速即可。因此設(shè)定PAC、磁粉、PAM對(duì)應(yīng)的攪拌速度為400、350、250 r/min，均攪拌1 min；第二階段為慢速攪拌絮凝階段。攪拌速度和時(shí)間為90 r/min和30 min[7]；第三階段為靜置沉淀階段。靜置沉淀時(shí)間為1 h?；炷龑?shí)驗(yàn)完成后，于液面以下2 cm處取上清液，分別測(cè)定上清液的化學(xué)需氧量(CODCr)、懸浮固體(SS)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、污泥含水率等指標(biāo)。根據(jù)以上工藝參數(shù)，研究磁絮凝的去除效果，即考察藥劑投加量、藥劑投加順序?qū)Τ鏊笜?biāo)去除率的影響及磁粉對(duì)絮體含水率的影響。最后通過正交試驗(yàn)，確定磁絮凝技術(shù)處理生活污水二沉池出水的最佳工藝條件。

1.3 水質(zhì)指標(biāo)及分析方法

本實(shí)驗(yàn)中測(cè)定的水質(zhì)指標(biāo)為：CODcr、SS、TP、NH3-N、pH，分別采用高溫消解-重鉻酸鉀法、重量法、鉬酸銨分光光度法、納氏試劑分光光度法和pH計(jì)法進(jìn)行測(cè)定，具體測(cè)定方法見《水和廢水監(jiān)測(cè)方法》(第四版)[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁粉對(duì)含水率的影響

混凝過程中，絮凝體含水率低時(shí)，更便于回收利用。加入磁粉進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)后，磁粉和懸浮物所形成的絮體可作為磁種回收利用。

經(jīng)測(cè)定，常規(guī)絮凝的絮凝體(混凝劑和懸浮物形成的絮體)和磁絮凝體的含水率分別為99.56%和56.90%?？梢姡判跄暮时瘸Ｒ?guī)絮凝體的至少低43%，磁粉會(huì)大大降低絮凝體的含水率。這是因?yàn)榧尤氪欧酆?，水中懸浮物與磁粉親和[7]，從而產(chǎn)生吸附作用，使得孔隙水降低，形成的磁絮凝體緊密嚴(yán)實(shí)，因此含水率較低。

2.2 藥劑投加量對(duì)磁絮凝的影響

2.1.1 PAM投加量對(duì)磁絮凝效果的影響

為研究PAM投加量對(duì)出水指標(biāo)去除率的影響，采用單因素實(shí)驗(yàn)，在控制pH、溫度、PAC投加量和磁粉投加量的情況下，改變PAM投加量，以確定PAM的最佳投加量及其對(duì)磁絮凝的影響。查閱參考文獻(xiàn)，可知磁絮凝反應(yīng)的最佳pH值為8[9]。反應(yīng)各階段控制pH為8，溫度為20 ℃，PAC加入量為30 mg/L，磁粉投加量為100 mg/L，PAM的投加量分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0 mg/L。

PAM投加量對(duì)COD、SS、TP、NH3-N的去除效果見圖1?？梢?，投加PAM對(duì)COD、SS、TP、NH3-N均有一定程度的去除效果。隨著PAM投加量的增加，COD、TP、SS的去除率先增加后降低，當(dāng)PAM投量為1 mg/L時(shí)，達(dá)到最大。PAM具有長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，可通過吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃作用[10]，使原本細(xì)小松散的磁絮凝體變得密實(shí)。PAM作為助凝劑，與磁粉結(jié)合使用可提高目標(biāo)污染物的沉降性能[11]。但是，當(dāng)PAM投加過量時(shí)，會(huì)因?yàn)槟z體再穩(wěn)而使出水指標(biāo)的去除率降低[12]。因此，PAM最佳投加量可確定為1 mg/L。但是磁絮凝技術(shù)對(duì)于低濃度NH3-N的去除率較低，效果不顯著[13]。

圖1 PAM投加量對(duì)出水指標(biāo)去除率的影響Fig.1 The impact of PAM dosage on removal rate of effluent index

2.1.2 PAC投加量對(duì)磁絮凝效果的影響

為研究PAC投加量對(duì)出水指標(biāo)去除率的影響，采用單因素實(shí)驗(yàn)，在控制pH、溫度、PAM投加量和磁粉投加量的情況下，改變PAC投加量，以確定PAC的最佳投加量及其對(duì)磁絮凝的影響。反應(yīng)各階段控制pH為8，溫度為室溫(20 ℃)。PAM投加量為1.0 mg/L，磁粉投加量為100 mg/L，PAC的投加量分別為10、20、30、40、50 mg/L。

圖2是PAC投加量對(duì)COD、SS、TP、NH3-N的去除效果?？梢?，隨著PAC投加量的增加，COD、TP、NH3-N的去除率逐漸升高后降低，當(dāng)PAC投量達(dá)到40 mg/L時(shí)，去除率達(dá)到最大。加入PAC后，多核羥基離子增多，促進(jìn)了膠粒的吸附架橋作用[14]，使得去除率升高。而PAC投加過量時(shí)，多核羥基離子過多，會(huì)影響電中和效應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生膠體保護(hù)和自身纏繞現(xiàn)象[15]，從而降低了磁絮凝效果。因此，PAC最佳投加量是40 mg/L。PAC投加量的改變對(duì)SS的去除率的影響不顯著，但去除效果很好，基本穩(wěn)定在89%左右。

圖2 PAC投加量對(duì)出水指標(biāo)去除率的影響Fig.2 The impact of PAC dosage on removal rate of effluent index

2.1.3 磁粉投加量對(duì)磁絮凝效果的影響

為研究磁粉投加量對(duì)出水指標(biāo)去除率的影響，采用單因素實(shí)驗(yàn)，在控制pH、溫度、PAC投加量和PAM投加量的情況下，改變磁粉投加量，以確定磁粉的最佳投加量及其對(duì)磁絮凝的影響。反應(yīng)各階段控制pH為8，溫度為室溫(20 ℃)。PAM投加量為1.0 mg/L，PAC投加量為30 mg/L，磁粉的投加量分別為0、50、100、150、200 mg/L。

磁粉投加量對(duì)COD、SS、TP、NH3-N的去除效果見圖3?？梢?，投加磁粉對(duì)二沉池出水中COD和NH3-N的去除效果較好。隨著磁粉投加量的不斷增大，COD、NH3-N的去除率先增加后減小，在100 mg/L時(shí)去除率達(dá)到最大值。這歸因于以下三個(gè)原因：一是磁粉在水中會(huì)產(chǎn)生附加電位，即磁吸引力，從而在混凝過程中充當(dāng)凝結(jié)核心[16]。二是磁性顆?？山档退形廴疚锏呢?fù)電荷，形成沉降速度較快的磁絮凝體[17]。三是磁性顆粒之間有適中的渦旋離心慣性力，有助于凝聚成含水率較低的較大磁絮凝體[18]。這與Lohwacharin[19]的研究結(jié)果一致，即磁粉和污染物的物理和表面電荷的相互作用改善了出水水質(zhì)。然而磁粉投加量超過100 mg/L時(shí)，磁吸引力表現(xiàn)過強(qiáng)，從而會(huì)破壞磁絮凝體的穩(wěn)定，且其沉降速度達(dá)到極限，導(dǎo)致去除率降低[20]。因此，磁粉最佳投加量為100 mg/L。磁粉投加量的改變對(duì)TP、SS去除率的影響均不顯著。

每次磁絮凝結(jié)束后，將磁粉和懸浮物所形成的絮體作為回收的磁種，可使之再次進(jìn)入原系統(tǒng)作為磁種進(jìn)行投加。因此磁粉可以重復(fù)回收使用[10]，環(huán)保且節(jié)約能源資源。

圖3 磁粉投加量對(duì)出水指標(biāo)去除率的影響Fig.3 The impact of magnetic powder dosage on removal rate of effluent index

2.3 藥劑投加順序?qū)Υ判跄Ч挠绊?/h3>

為研究藥劑投加順序?qū)Τ鏊笜?biāo)去除率的影響，在控制pH、溫度、PAC投加量、PAM投加量和磁粉投加量的條件下，改變藥劑的投加順序，以確定最優(yōu)的投加順序及其對(duì)磁絮凝的影響。反應(yīng)各階段控制pH為8，溫度為室溫(20 ℃)，控制PAC(30 mg/L)、磁粉(100 mg/L)、PAM(1 mg/L)為最佳投加量，在混凝實(shí)驗(yàn)的第一階段，改變藥劑投加順序如下：①PAC、磁粉、PAM；②PAC、PAM、磁粉；③磁粉、PAC、PAM；④PAC+磁粉、PAM。實(shí)驗(yàn)確定最優(yōu)藥劑投加順序及其對(duì)磁絮凝的影響。

圖4列出了4種藥劑投加順序?qū)OD、SS、TP、NH3-N的去除效果。由圖4可知，在③的投加順序下各個(gè)指標(biāo)的去除率相對(duì)來說最佳，即為磁粉+PAC+PAM。磁粉加入水中后，會(huì)形成磁吸引力來吸附水中的膠體或懸浮物，形成緊湊密實(shí)的磁絮凝體，從而使得出水指標(biāo)去除率升高[21]。投加順序①②均是后加入磁粉，此時(shí)絮凝體已經(jīng)形成，混凝接近尾聲，磁粉沒有時(shí)間參與反應(yīng)，反而成為污染源影響出水水質(zhì)[14]。投加順序④是同時(shí)加入PAC和磁粉，再加入PAM，其去除率較低的原因可能是PAC和磁粉同時(shí)存在，水中懸浮固體太多，導(dǎo)致粒子間的有效碰撞降低，很難形成磁凝結(jié)核心。

圖4 藥劑投加順序?qū)Τ鏊笜?biāo)去除率的影響Fig.4 The impact of dosing sequence on removal rate of effluent index

2.4 磁絮凝最佳工藝參數(shù)的確定

本實(shí)驗(yàn)通過采用正交實(shí)驗(yàn)來確定磁絮凝的最佳工藝條件，分析正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得出影響磁絮凝的主次因素順序。同時(shí)根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)，見表3。其中，藥劑投加順序?yàn)榇欧?PAC+PAM。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Tab.1 Factor level table of orthogonal experiments

正交實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果見表4。采用綜合加權(quán)平均法來確定正交實(shí)驗(yàn)的最佳方案，設(shè)定各檢測(cè)指標(biāo)COD、NH3-N、SS、TP的權(quán)重分別為0.4、0.1、0.25、0.25，可得綜合評(píng)分OD[12]。對(duì)OD直觀分析可知，最佳實(shí)驗(yàn)方案是A2B3C1D2，即磁絮凝最佳工藝參數(shù)是，磁粉投加量為100 mg/L，PAC投加量為40 mg/L，PAM投加量為0.5 mg/L，pH為8，藥劑投加順序?yàn)榇欧?PAC+PAM。在最佳條件下，COD、SS、TP的去除率分別達(dá)到89%、97%、74%，基本能達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

通過極差分析可得出各因素對(duì)磁絮凝影響程度的順序?yàn)椋捍欧弁都恿? pH值>PAM投加量>PAC投加量。磁粉的投加量是影響磁絮凝的最主要因素，這說明磁粉的加入提高了生活污水的處理效果。次要影響因素是pH值，這是因?yàn)閜H的改變會(huì)影響顆粒間的靜電斥力[16]，pH過低或過高時(shí)，靜電斥力較大，影響了磁絮凝體核心的形成，會(huì)降低絮凝效果。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The results of orthogonal experiments

3 結(jié) 語

本研究采集太原市某污水處理廠二沉池出水作為實(shí)驗(yàn)用水，采用實(shí)驗(yàn)室燒杯實(shí)驗(yàn)，主要得出如下結(jié)論。

(1)磁絮凝技術(shù)的最佳工藝參數(shù)是pH為8，PAM、PAC、磁粉投加量分別為0.5、40、100 mg/L。最優(yōu)藥劑投加順序?yàn)榇欧邸AC、PAM。在最佳條件下，COD、SS、TP的去除率分別達(dá)到89%、97%、74%。影響磁絮凝的主要因素是磁粉投加量，次要因素是pH值。

(2)相比于常規(guī)污水處理，磁絮凝深度處理生活污水投入成本低，磁絮凝體沉降速度快，磁粉重復(fù)回收利用率高，出水效果好。經(jīng)過磁絮凝處理后COD、SS、TP、NH3-N的濃度可實(shí)現(xiàn)由一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)提高到為一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，為該技術(shù)在我國(guó)污水處理廠廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)。

(3)磁絮凝處理生活污水效果好的原因在于磁吸引力的形成、磁性顆粒之間的渦旋離心慣性力和磁粉改變水中污染物表面電荷的能力。