复合型生物絮凝剂去除低浊水源水中铝
摘要:针对传统无机铝盐絮凝剂在处理低温低浊水时残余铝过高的问题,采用中试装置,应用复 合型生物絮凝剂(CBF)处理北方地区冬季低温低浊水源水,考察了在不同混凝条件下处理后水中 残余铝浓度的变化。结果表明:复合型生物絮凝剂对水中残余铝有很好的效果,在与聚合氯化铝 铁复配进行强化混凝的试验当中,混凝效果提高36. 1%,总投药量降低了15%,并且消除了聚合 氯化铝铁(PAFC)导致的残余铝升高的现象,出水残余铝浓度仅为0. 016 mg/L。综合考虑处理效 果与投药量,建议复合型微生物絮凝剂与聚合氯化铝铁的最佳复配比为2mg/L∶15mg/L。
关键词:复合型生物絮凝剂;聚合氯化铝铁;残余铝;混凝
由于低浊水中粒子的浓度很低,在混凝过程 中粒子碰撞的几率很有限[1],而且低温导致混凝 反应水解不彻底,混凝沉淀效果差。一些如膜过滤或离心法等工艺,虽然有效,但由于建设投资及 制水成本的增加,并且操作复杂,影响了其推广和 应用。目前,低浊水的混凝技术已经日趋成熟,铝 盐作为传统的常规絮凝剂被广泛应用[2]。
通常,一部分随混凝药剂进入原水中的铝在 处理过程中没有被完全去除,作为残余铝留在了 水中。随着近年来发现自然水体和水处理过程中 所引入的铝可以引发老年痴呆症等疾病,水中残 余铝的问题得到了越来越广泛的重视[3-6]。
近年来,由微生物产生的生物高聚物作为一种 新型絮凝剂受到了广泛研究。生物絮凝剂作为一 种绿色药剂,其有效成份为醣蛋白、多糖、蛋白质、 纤维素和DNA等等,具有安全有效的絮凝效果,可 以生物降解,并且对人和环境无毒无害。复合型生 物絮凝剂(CBF)[7]是一种高效、无毒、无二次污染 的绿色净水剂,由F2和F6两株从土壤中筛选分离 出的高效絮凝剂产生菌混合发酵生产,其主要成分 为多聚糖(90.6% )和蛋白质(9. 3% )[8]。F2和F6 经鉴定分别为放射根瘤菌(Rhizobium radiobacter) 和球形芽孢杆菌(Bacillus sphaeicus)。
本研究目的为了探讨CBF处理低浊水的效 能及对残余铝的去除,考察浊度和残余铝浓度,探 讨最佳混凝条件,为实际应用提供试验基础。
1 试验材料与方法
1. 1 试验用水水质
试验用水取自黑龙江省大庆市附近某水库, 由于地处北方寒冷地区,冬季冰冻期长达5个月。 原水经取水泵加压进入建立在水厂试验室的中试 装置中,原水水质见表1,可以看出原水为典型的 低温低浊水,并且原水中铝浓度大大超过国家生 活饮用水水质标准的0. 2 mg/L。
1. 2 混凝剂的制备
高效絮凝剂产生菌由城市水资源与水环境国家重点试验室提供。发酵条件为:摇床140 r/min, 30℃,发酵时间24 h。发酵培养基为:葡萄糖 10 g/mL,K2HPO45 g/L,MgSO4·7H2O 0. 2 g/L,尿素0. 5 g/L,,H2PO42 g/L,NaCl 0. 1 g/L,酵母膏 0.5 g/L, pH值为7.5。扩大培养所用的菌液为之前按所需发酵液量10%制备的种子培养液。聚合氯化铝铁絮凝剂的制备由固体聚合氯化铝铁 (PAFC)(工业级,山东)配制2. 5%聚合氯化铝铁 溶液,其他浓度药剂均由稀释此浓度药剂获得。
1. 3 静态试验
应用TA6程控六联混凝试验搅拌仪,将源水 转移至1 000 mL的混凝杯中,投加混凝剂,快速 (200 r/min)搅拌30 s,再慢速(60 r/min)搅拌 2 min,静置20 min后抽取距离液面2 cm处上清液。
1. 4 中试试验
中试装置搭建于自来水厂内部试验室,模拟 该厂实际生产工艺,试验水量3 m3/h,混凝工艺 包括静态混合器、竖格式网格反应器和逆向流小 间距斜板沉淀池,竖格式网格反应器反应时间为 25 min,小间距斜板沉淀池斜板水平倾角60°,斜 板内上升流速1. 2 mm/s,沉淀时间40 min,所有 数据在系统平稳运行4 h后采集。
2 结果与分析
2. 1 静态试验
通过静态试验可以初步确定混凝剂的效能及 投药量的大致范围。PAFC和CBF在静态试验中 对浊度的去处效果如图1所示。
在图1中可以看出, PAFC对原水中的浊度 有着稳定的去处效果,在投药量大于5. 0mg/L之 后,浊度随着药量的增加而降低,但在投药量增加 至15 mg/L之后,继续增加投药量对去除效果没 有明显增强,最高去除率出现在投药量为 18. 75 mg/L,浊度去除率达到71. 6%。CBF的最 佳投加量为7. 5 mg/L,浊度去除率为59. 0%。当 投药量超过8. 75 mg/L时,浊度则出现逐渐升高 的趋势。PAFC和CBF对低温低浊原水均有较好 的去除效果,PAFC对浊度的去除率高于CBF,但 达到最佳处理效果时, PAFC的投药量 18. 75 mg/L大于CBF的最佳投药量7. 5 mg/L。
两种药剂处理后水中残余铝的浓度如图2所 示。在静态试验中, PAFC对原水中铝的去除效 果不理想,药量的增加导致了水中残余铝的浓度 也随之增加。在投加量为18. 75 mg/L时,残余铝 的浓度达到0. 402 mg/L。CBF对水中铝的去除 效果明显,处理后水中残余铝的变化与图1中浊 度的变化趋势相似,随投药量的增加而减小,当投 药量为10. 0 mg/L时,水中铝的浓度由0. 460减 少为0. 176,去除率达61. 7%。
水中的铝可分为溶解铝和悬浮颗粒铝两种形 态,其中溶解铝包括铝与天然有机物、氟化物、磷 酸盐(脂)、硫酸盐(脂)和OH-等形成的络合物, 另一种以颗粒的形式夹杂在悬浮颗粒当中。在本 试验当中,随浊度的降低,势必有部分以颗粒形式 存在的铝同时被去除,但在PAFC处理后水中残 余铝的浓度没有下降反而上升,说明由于PAFC 的投加,向水中引入了溶解态的铝。CBF未向水 中引入任何形式的铝,同时对原水中的铝具有明 显的去除效果。
2. 2 中试试验
2. 2. 1 CBF与PAFC单独投加混凝试验
在静态试验的基础上,中试试验PAFC和 CBF的最大投药量确定为20 mg/L和10 mg/L。 图3显示了在不同混凝剂投加量下水中浊度的变 化规律。
从图3中可以看出,中试试验中PAFC和 CBF投加量对浊度去除率的变化规律与静态试 验结果相似,但混凝效果均有所提高,说明中试试 验的水力条件更利于矾花的形成及沉降。PAFC 对浊度的去除率高于CBF,但在达到相同处理效 果,投药量远远大于CBF。PAFC在投药量为 17. 5 mg/L时出水浊度为0. 83 NTU。CBF在投加 量为5. 0 mg/L时出水浊度为1. 27 NTU,处理效 果优于静态试验的同时,投药量减小了33. 3%。
图4显示了中试试验中两种混凝剂处理出水 的残余铝浓度变化。可以看出,中试试验中 PAFC处理出水的残余铝浓度变化趋势与静态试 验不同,随着投药量的增加,水中残余铝的浓度先 减后加,并在PAFC投量较高的情况下明显升高。 说明在静态试验中,药剂的倾倒式投加方式及快 速搅拌的水力条件,均不能满足PAFC瞬间与原 水混合的水解条件,导致混凝剂利用率低下,并使 水中残余铝的浓度上升。在中试试验中, PAFC 在较低投加量时,浊度随投药量的增加而降低,混 凝剂能够得到有效利用,对水中残余铝显示出一 定的去除。当投药量大于12. 5mg/L时,混凝剂 有效利用率逐渐降低,这时则以混凝剂残留在水 中的残余铝增加趋势为主,导致残余铝浓度的升高。PAFC在较大投药量时对浊度的去除率最 高,但同时导致了处理后水中残余铝浓度的升高。
中试试验中CBF对水中铝的去处明显优于 静态试验。由于复合型生物絮凝剂的主要有效成 份为多聚糖和蛋白质,不存在增加水中残余铝浓 度的可能性,投药量为7. 0 mg/L时,出水中残余 铝的浓度仅为0. 041 mg/L,明显优于PAFC对残 余铝的去除效果。由于两种絮凝剂在单独使用的 情况下,PAFC虽可以有效的去处低浊原水的浊 度,但增加了水中残余铝的浓度, CBF在较低投 加量下即表现出对浊度的有效去除,但最高去除 率低于PAFC。因此,考虑将PAFC与CBF复配 进行强化混凝试验。
2. 2. 2 复合型生物絮凝剂与聚合氯化铝铁复配 强化混凝试验
在混凝过程中,无机盐与聚合电解质复配使 用可以起到助凝剂的作用。马放等人在应用CBF 处理高浊高藻水的试验中添加阳离子,得到了很 好的效果[9]。在本试验中采用复配CBF和PAFC 的方法对低浊水源水进行混凝处理。为了确定两 种混凝剂的最佳复配比,将CBF与PAFC按不同 投加量进行复配,考察浊度与处理后出水残余铝 浓度的变化,试验结果见图5、图6。
从图5、图6可以看出,将两种药剂复配使 用,对浊度的去除效果明显提高,并且在达到相同 处理效果时,复配使用CBF与PAFC的总投药 量,低于两种药剂在单独使用时的投加量。在 CBF与PAFC的投药量分别为3mg/L和20mg/L 时,浊度为0. 364NTU,去除率达到80. 2%。残余 铝的去除效果在复配使用两种药剂的试验中也得 到明显加强,并且,由于CBF的存在,遏制了由 PAFC引入水中的铝而导致的残余铝浓度升高的 现象,在CBF与PAFC的投药量分别为4mg/L和 10 mg/L时,残余铝的浓度仅为0. 016 mg/L。综 合考虑处理效果与经济因素,确定最佳复配比为 CBF:PAFC=2 mg/L∶15 mg/L,混凝后出水浊度 0. 43 NTU,残余铝浓度0. 033 mg/L。
很明显CBF与PAFC的复配使用强化了絮 凝效果。生物絮凝剂表面Zeta电位受pH变化影 响,当水中pH值为6至8时,生物絮凝剂表面程 负电性。在这种条件下,混凝作用机理主要为架 桥。PAFC在水中所提供的阳离子同时减小了生 物高聚物和悬浮颗粒表面的负电荷,促进了生物 高聚物在对水中悬浮颗粒的吸附能力[10, 11]。其 促进混凝的原因为压制并稳定功能团的负电性和 在粒子间形成桥架结构。将CBF与PAFC进行 复配使用,其水解产物在水中形成了非常高效的 空间结构。
3 结束语
CBF有效地去除了低温低浊水源水中的铝, 在与PAFC复配使用时,消除了PAFC引入原水 中的铝,降低混凝后出水中残余铝的浓度,并降低 了总的混凝剂投药量。
中试试验中单独使用CBF,投药量为7.0 mg L时,出水浊度为1. 20 NTU,残余铝浓度为 0.041mg/L,去除率达到94.8%。
将CBF与PAFC复配进行强化混凝,混凝效果得到明显提高,出水残余铝浓度仅为0.016mg/L。混凝过程中两种药剂的水解产物形成了高效的空间结构,主要混凝机理为吸附架桥和卷扫网捕。根据试验结果,建议最佳复配投加量为CBF: 2mg/L 与PAFC:15mg/L。
参考文献:略
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