随着研究的深入,越来越多的新型絮凝剂被开发,特别是无机-有机复合絮凝剂的应用,它们不仅展示了自身的优点而且还克服了传统絮凝剂的缺点。无机高分子絮凝剂在絮凝效果方面优于传统的絮凝剂,但与有机高分子絮凝剂相比,在聚合度及絮凝效果方面较差。有机高分子絮凝剂具有用量少,絮凝速度快,受pH值及温度影响小等优点,但是价格昂贵。将两种絮凝剂复配使用,利用无机絮凝剂的高正电荷密度和有机高分子絮凝剂的桥连作用,两者产生协同作用,能够提高絮凝处理能力,既有两者双重的优点,又避免了两者的不足。因此,近年来无机-有机高分子复合絮凝剂的研制开发已成为热点。
聚丙烯酰胺(PAM)是最常用的有机高分子絮凝剂之一,无毒,近年来在水处理中得到了广泛的应用,并且取得了良好的效果,但其价格较贵,成本较高。聚合氯化铝(PAC)是一种新型、高效无机高分子絮凝剂,是一类以金属铝离子为中心体,羟基为配位体,氯离子为平衡离子的单核和多核配位化合物的总称,又称碱式氯化铝、羟基氯化铝,简称聚合铝,是介于AlCl3和Al(OH)3之间的水解产物,其通式为[Al2(OH)nCl6-n]m,由于具有比传统药剂适应性强,无毒,并可成倍提高效能而相对价廉等优点,因而近年得到了迅速发展和广泛使用。
PAC-PAM复合絮凝剂在造纸业废水、工业污水和污泥脱水等水处理净化方面都有相关研究与应用。本实验水取自重庆市某镇污水处理厂,此实验是对刚收集来的原水进行前期处理。因为本实验只是为后续工艺做准备的混凝沉淀,主要是去除悬浮物和胶体中的CODCr、TN、TP。根据水厂水质的特点,采用PAC-PAM复合絮凝剂对小镇污水进行深度处理,以期找到最佳投加条件。
1 材料和方法
1.1 主要试剂
PAC:;PAM:;其它试剂均为AR。
1.2 主要仪器设备
定时恒温磁力搅拌器:JB-3型,上海雷磁仪器厂;电子天平:AB204-E型,上海梅特勒;紫外可见分光光度计:752B型,天津市普瑞斯仪器有限公司;电热鼓风干燥箱:DGF25012型,重庆四达实验仪器有限公司华茂电器厂;标准COD消解器:江苏姜堰市华晨仪器有限公司,HCA-100型。
1.3 CODCr、TN、TP的去除率计算公式
C———硫酸亚铁按标准溶液的浓度(mol/L);
V0———滴定空白时硫酸亚铁按标准溶液用量(mL);
V1———滴定水样时硫酸亚铁按标准溶液用量(mL);
8———氧(1/20)摩尔质量(g/mol)。
m———根据标准曲线计算出的氮量(μg)
V———取样的体积(mL);
1.4 实验部分
本实验采用重庆市某镇生活污水厂为实验场地,池子长、宽、深分别为3.90m、2.95m、1.60m。为了减少误差,投药前把PAC、PAM放在烘箱里烘干2h。CODCr、TN、TP的测定均采用国标法。
2 结果与讨论
2.1 实验结果
根据前期初步实验结果,本实验选取PAC用量、PAM用量、温度、搅拌速率等作为考察因素,确定最佳PAC用量、PAM用量、最适温度和最有利搅拌速率,选择出4个最佳条件后再进行实验以验证。本实验目的之一是要选出PAC用量、PAM用量最佳配比,所以PAC用量、PAM用量这两个因素是必要的,而温度、搅拌速率对絮凝剂影响非常大,所以这两个因素也是必要的。并确定这四个因素的4个水平,如表1所示。
根据L16(45)安排实验,实验结果如表2。针对多指标正交试验不能按照单一指标那样,算出极差,绘出曲线图就可以。参阅一些资料,对于多指标正交试验用综合评分法和综合平衡法较好。综合评分法又分为:排队评分法、公式评分法和
回归评分法3种,这四种方法得出的结果机会没什么差别。本实验采用排队评分法分析各因素对3个指标的综合影响情况,排队评分法是综合考虑各项指标优劣,排序给出评分值,并把它作为单指标进行数据分析。这种方法可先把每项指标的优秀值定为满分(便于计算本实验定为16分为满分),对其它试验号所得的该指标值,视其与该优秀值的差异按比例打分,然而对每号试验的所有指标的分数相加即得综合评分。综合评分最高的试验号,可能是最优方案。这种方法比较简单,适用于各项指标重要程度大致相同的情况,是处理多指标问题的常用方法。
对于CODCr指标,第11号试验为60.75,排在第一名,给16分;第14号试验为30.38,排在最后,给1分。对于TN指标,第10号试验为45.54,排在第一名,给16分;第16号试验为17.02,排在最后,给1分。对于TP指标,第16号试验为62.38,排在第一名,给16分;第1号试验为39.87,排在最后,给1分。对其它号试验各指标值的得分,视其与该指标优秀值的差异按比例打分,然而对每号试验的所有指标的分数相加即得综合评分,如表3所示。依据每号试验的综合评分,极差分析如表4所示,其中Kj1、Kj2、Kj3、Kj4分别为因素1水平、2水平、3水平、4水平的试验之和,kj1、kj2、kj3、kj4分别为因素1水平、2水平、3水平、4水平的试验平均值,Rj为极差。
由表2、表3及表4可知,在16次试验中,第10号试验综合评分最高,即试验条件为A3B2C4D1。根据极差分析表,因素主次顺序为A、D、C、B。较佳工艺方案是A3B3C4D3。即各因素对三指标的影响大小依次为:PAC用量>搅拌速率>温度>PAM用量。同时得到最优工艺条件为:PAC用量80mg/L,PAM用量1.5mg/L,温度为65℃,搅拌速率为300r/min。在这一条件下进行验证实验,测得CODCr、TN、TP去除率分别为72.16%、45.03%、70.95%。除TN去除率比45.54%稍低一些外(相差不大,认为基本一样),CODCr、TP去除率均高于表2中的结果,表明优化结果可信。
2.2 分析与讨论
根据表2直观分析结果,可得到PAC用量、PAM用量、温度、搅拌速率等对CODCr、TN、TP去除率影响趋势分别如图1、图2、图3所示。
由上面3个图反映出,3个指标随着条件的改变出现的震荡比较大,具体如下:随着PAC用量的增加,3个指标去除率先是逐渐上升然后下降到一定程度,PAC用量80mg/L时对CODCr、TN去除率最高;PAC分子在溶液中电离出带正电荷的高离子如Al2(OH)5+、Al13(OH)345+等,同时水解产物通过羟基桥联等反应生成带正电荷的多核羟基络合物如[Al6(OH)14]4+、[Al7(OH)17]4+、[Al13(OH)34]5+。PAC分子发挥絮凝和架桥作用的就是这些带正电荷的高离子。PAM分子产生絮凝作用是基于它的两种特点,即长链状的分子结构和分子中含有大量活性基团如酰胺基-CONH2及羧基-COO-。正交实验结果表明,PAC与PAM复配使用,大大提高了污水处理效果,由此可推断出,PAC-PAM复配使用能提高CODCr、TN、TP去除率是无机絮凝剂的高正电荷密度和有机高分子絮凝剂网捕桥联协同作用的结果。搅拌可以使絮凝剂在水中分散更均匀,便于形成矾花,更易于和水中污染物结合。同时搅拌也加速了分子运动,增加了分子间结合的几率。而温度升高,分子热运动加剧,分子的碰撞概率加大,也大大改善了絮凝剂的效果。
3 结 论
本文研究了PAC-PAM复合絮凝剂对CODCr、TN、TP的去除率,探讨了PAC用量、PAM用量、温度和搅拌速率四个因素对CODCr、TN、TP的去除率的影响,获得各因素对污水处理率的影响次序为:PAM用量>温度>搅拌速率>PAM用量,同时得到此复合絮凝剂在CODCr、TN、TP的去除率中的最优工艺条件:PAC用量80mg/L,PAM用量1.5mg/L,温度为65℃,搅拌速率300r/min。在这一条件下进行实验,CODCr、TN、TP去除率分别为72.16%、45.03%、70.95%。与单独使用PAC和PAM絮凝剂相比,PAC-PAM复合絮凝剂去除率大大提高,效果显著。
