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水样pH对不同碱度含藻水混凝性能的影响

郑利娟, 张崇淼, 徐慧, 李明霜, 王斌, 童庆, 象豫. 水样pH对不同碱度含藻水混凝性能的影响[J]. 环境工程学报, 2021, 15(1): 104-114. doi: 10.12030/j.cjee.202002033
引用本文: 郑利娟, 张崇淼, 徐慧, 李明霜, 王斌, 童庆, 象豫. 水样pH对不同碱度含藻水混凝性能的影响[J]. 环境工程学报, 2021, 15(1): 104-114. doi: 10.12030/j.cjee.202002033
ZHENG Lijuan, ZHANG Chongmiao, XU Hui, LI Mingshuang, WANG Bin, TONG Qing, XIANG Yu. Effects of pH on the coagulation performance of algae-laden water with different alkalinity[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(1): 104-114. doi: 10.12030/j.cjee.202002033
Citation: ZHENG Lijuan, ZHANG Chongmiao, XU Hui, LI Mingshuang, WANG Bin, TONG Qing, XIANG Yu. Effects of pH on the coagulation performance of algae-laden water with different alkalinity[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(1): 104-114. doi: 10.12030/j.cjee.202002033

水样pH对不同碱度含藻水混凝性能的影响

    作者简介: 郑利娟(1994—),女,硕士研究生。研究方向:水质净化。E-mail:zlj865465942@163.com
    通讯作者: 徐慧(1985—),男,博士,助理研究员。研究方向:饮用水安全等。E-mail:huixu@rcees.ac.cn
  • 基金项目:
    国家水体污染控制与治理科技重大事项(2017ZX07108-002,2017ZX07501-002);国家自然科学基金面上项目(51778604);宁夏回族自治区重大项目(2019BFG02032)
  • 中图分类号: X703

Effects of pH on the coagulation performance of algae-laden water with different alkalinity

    Corresponding author: XU Hui, huixu@rcees.ac.cn
  • 摘要: 为探明碱度对混凝去除藻细胞及其分泌有机物的影响,保证饮用水水质。以铜绿微囊藻为研究对象,选用氯化铝(AlCl3·6H2O)作为混凝剂进行混凝实验,考察了不同碱度的含藻水样在pH为6.0~9.0条件下的混凝性能、絮体特性和出水余铝。结果表明:当水样pH=6.0时,相对于低碱度(95、175和245 mg·L−1)水样,碱度较高(330 mg·L−1和415 mg·L−1)的水样Zeta电位趋近于0,可有效降低颗粒间的排斥力,藻细胞的去除率达到74.45%以上(低碱度水样藻细胞去除率在31.64%以下),出水余铝最低为0.003 6 mg·L−1(低碱度时为0.088 9 mg·L−1);当水样pH≥6.5时,碱度较低的水样依靠吸附架桥和网捕卷扫协同作用,使得藻细胞去除率最高达到94.31%,出水余铝可降低至0.035 3 mg·L−1;随着碱度的增加,铝盐水解生成的Al(OH)3胶状沉淀逐渐转变为Al(OH)4,使得网捕卷扫作用减弱,藻细胞去除率有所下降;当水样pH=7.5时,随着碱度增加,平衡时絮体粒径从811.02 μm降低至540.62 μm,絮体强度因子从35.97%降低至24.79%,恢复因子从35.31%增加至47.88%,分形维数从1.586减小到1.372。通过调节水样pH,可有效缓解碱度对含藻水混凝过程的影响,提高藻细胞的去除率。
  • 城市污水管道通过一般检查孔与外界环境进行气体交换,故通风效果有限,难以及时补充污水中被微生物消耗的溶解氧(dissolved oxygen ,DO),极易形成厌氧环境[1],从而导致厌氧气体积累,甚至可能发生爆炸事故。控制污水管道爆炸性气体的方式有:通过鼓风充气以抑制厌氧生物膜的活性,减少 H2S 和 CH4 的产生[2];通过投加化学药剂(包括氢氧化钠、硝酸盐、金属盐等)来抑制厌氧气体产生的措施[3-6]。上述措施一般需持续性的操作,药剂投加和特殊的操作条件均使得城市管网的管理成本增加[7]

    目前,国内城市建筑密度大、污水管道长,有必要建立一种消除 CH4 爆炸性隐患的可持续方法。张二飞等[8]探究了建筑排水立管未经化粪池直接接入污水管网的气流规律,发现立管带入气体有94%用于改善污水管道顶部的气相环境。该方法能改善污水管网通风状态的长度为5~32 m,对于密集的城市污水管网而言,其改善长度有限。高如月等[9]使用脉冲通气方法在水流速度为 0.2 m·s−1时,可实现对有害气体的最佳控制效果,但该方法同样面临改善区域有限的问题。卢金锁等[10]从整个污水集输管道系统角度出发,探讨了化粪池对气流组织的隔断效应,发现利用排水立管连通大气可降低污水管道中有害气体的浓度。而污水管道内外气体的温度、湿度差异会影响自然通风效果[11],故自然通气控制方法的影响范围有限。硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria,SRB)受高温影响在夏季管道中会产生更多CH4[12],夏季高温情况下,CH4与干空气密度差减小,建筑立管直接与污水管道相连的通风效果会受到一定限制。

    基于上述背景,本课题组提出一种用风机推动建筑物直立管道及污水管道中气相流动,以增强污水管道通风、控制有害气体安全风险的新方法,其风机系统如图1所示。通过在上下游建筑立管顶部分别安装风机,使得上游立管向内鼓入新鲜气体,下游立管向外排出有害气体并设置气体吸附装置。该方法可使建筑立管与污水管道直接相连以改善通风,且不受制与管道内外温度差(如夏季高温)的影响,还可以增加建筑立管在排水时所需补气量,加强建筑立管与污水管道直接相连对下水道通风状态的影响长度。将该方法应用于西安市某建筑的部分污水管道,建立了通风效能的计算流体力学(CFD)模型,并进行现场实验验证,以期为城市污水管道中有害气体的控制提供参考。

    图 1  建筑立管安装风机系统图
    Figure 1.  System diagram of installation of blower in building risers

    西安市某建筑立管不经化粪池直接与污水管道相连,为实验提供了可操作空间,如图2(a)所示。以此建筑为原型,运用CFD 建立与图2比例为 1:1的模型,计算尺寸和边界条件设置情况,如图2(b)所示。

    图 2  西安市某建筑模型及模型边界条件、计算尺寸图
    Figure 2.  A model of a building in Xi’an, model boundary condition and calculation dimension diagram
    注:(a)中1~4号检查井用于观察强化通鼓入气体的溢出情况。

    该建筑中楼层建筑立管高度为22 m,管径为DN100,于建筑立管伸顶通气顶部安装风机。选用4寸口径大小的风机,风量310~330 m·h−1、风速7~8 m·s−1、风压180 Pa、功率40 W,检查井深1.4 m,间隔1 m。 CFD模拟风机运行风速设置7.5 m·s−1,污水管道充满度为 0.5,底部水流流速为 0.6 m·s−1

    采用二维数值模拟的基本方程,包括质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程、标准方程等,具体内容见表1。采用有限体积法进行求解方程,湍流耗散率、湍动能方程使用二阶迎风格式求解。模拟实验为管道中气流流动情况,为尽量贴近实际管道中气流流动,采用多相流VOF模型,模拟管道中气液两相流动情况。其中,建筑立管不排水时污水管道中气液流动相对平缓,湍动能方程和耗散率设置为一阶迎风格式,后续模拟建筑立管排水情况时湍动能方程和耗散率设置改为二阶迎风格式。

    表 1  模拟模型的设置内容
    Table 1.  Simulation model parameter
    设置项目具体内容
    求解器压力基求解器
    多相流方式VOF模型
    湍流模型标准的κ-ε模型
    速度和压力的耦合方式SIMPLE算法
    压力的空间离散方式PRESTO函数
    体积分数方程一阶迎风格式
    动量方程二阶迎风格式
    湍动能方程一阶迎风格式
    湍动能耗散率方程一阶迎风格式
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    现场案例为7层高教学楼,每层高3 m,通风帽伸出楼顶1 m。男卫生间大便器为实验所选取的卫生器具,额定流量为1.2 L·s−1。污水流速约为0.6 m·s−1。污水管道管径为 DN600,坡度为0.3% ,检查井口通风面积均为2 cm2

    实测用到的仪器有:Testo-2风速计,可对随时间变化的瞬时风速及某段时间内的平均风速进行记录,精度为0.01 m·s−1;521-1 气压计,可对瞬时气压变化进行记录,精度为0.1 Pa。

    测量指标:检测8个位置的空气流速,其中包括4个检查井井口处的流速及相应井口下略高于污水管道水面的位置处的流速。检测井口风速时,用空装瓶盖住井口以隔除自然风速影响。当建筑立管排水时,开始记录上述8处的瞬时风速和气压的变化情况;当瞬时风速和气压不再变化时,记录结束。根据某一段时间内瞬时风速、气压的变化,每0.25 s取1个值。根据这些值计算这段时间内瞬时波动的平均值。每次实测时,各层卫生间排水时间均为20 s;要求在最上层楼层排水过程中,其他楼层不得排水,以排除对实验的影响。

    将模拟部分与实测部分进行对照,以实测数据为基准调整CFD模拟参数以确保模拟的准确性,然后模拟不同风机工况下对污水管道气体通风的长度范围影响。通过对不同风机工况、不同楼层排水工况下模拟建筑立管各处压强的变化情况,模拟检查风机运行对与建筑立管相连的各层横支管的水封影响情况。

    风机运行风速设定为7.5 m·s−1。由于建筑立管的顶部与风机距离很近,这两处的风速几乎无变化。实测内容主要考察井口实测结果与CFD模拟结果的匹配度,以验证CFD模拟条件设置的准确性。在建筑立管自然通风的情况下,检查井口及井下略高于污水管道水面位置处监测点风速变化,结果如图3所示。在风机强化通风运行情况下各检查井监测点的风速变化如图4所示。

    图 3  自然通风检查井口及井底风速结果对比
    Figure 3.  Comparisons of natural ventilation results between inspection wellhead and Bottom hole
    图 4  强化通风检查井口及井底风速结果对比
    Figure 4.  Comparison of enhanced ventilation results between inspection wellhead and Bottom hole

    由于本身气流速度偏小,且与风速计精准度相近,在自然通风条件下CFD模拟结果与实测结果最大偏差为22%。在建筑立管风机强化通风运行条件下,CFD模拟结果与实测结果偏差可控制在6.5%以下。该结果表明,本研究设置的CFD模拟条件较为适宜。在风机运行下,鼓入气体主要通过前3位检查井口逸出,从第4位检查井口及其后逸出的气体量很少,则不计入统计。前3位检查井口逸出的气体约为75 m3·h−1,为风机鼓入气体310 m3·h−1的2.4%,其余鼓入气体用于改善污水管道的厌氧环境。

    污水管道中的气体流动是由水流流动对气体产生同向牵引力而产生。而由于管道顶部气体远离污水表面,故其流速与污水表面的气体流速相比较低[13],导致立管中有害气体出现堆积。而建筑立管与污水管网直接相连构成的直连系统能改善污水管网通风状态的长度为5~32 m。对于密集的城市污水管网而言,以上结果中的改善长度很有限。模拟建筑立管安装风机系统对污水管道的影响长度,结果如图5所示。在自然通风条件下,管道内气流的流动依靠水流流动的拖曳,管道顶部气流流速较低,而风机的运行会加速污水管道顶部产生较大的气流,有助于改善管道内有害气体堆积的情况。

    图 5  不同通风状态对污水管道气流影响分布图
    Figure 5.  Distribution diagram of the influence of different ventilation conditions on the airflow at the sewage pipes
    注:Mag表示表示横向风速与纵向风速的合速度,m·s−1

    通过改变建筑立管不同风机运行工况,模拟污水管道影响长度的变化,结果如图6所示。风机风速提升所带来的管道影响长度增量呈递减趋势。对建筑立管的上游管道影响长度为130~210 m,对下游管道的影响长度为380~540 m,对整个污水管道区域长度为510~750 m。因此,风机工况的改变主要影响污水管道气体加速,而不会影响管道中通风长度区域的扩大。

    图 6  风机运行对管道影响长度
    Figure 6.  Influence length of blower operation on pipeline

    建筑立管强化通风可强化进入污水管道气体的更新效率,亦可促使污水管道中气体的排出。2种情况分别为:1)在强化通风向内鼓气情况下,将强化通风鼓入的空气改为鼓入N2,以N2作为标记气体,以500 m管长的污水管道为实验对象,当污水管道内气体被N2充满时可认为污水管道气体已完成1次更新;2)在强化通风向外排气情况下,设置管道内充满N2,当污水管道内N2消失时可认为污水管道气体已完成1次更新。

    建筑立管安装风机强化通风对污水管道气体更新效率如图7所示。在风机鼓风情况下,对管径600 mm、管长500 m的污水管道内气体进行一次完整更新的时长为135 s,管道N2含量约为鼓入量的97.08%。而风机排气对管道气体完成1次更新的时长略长,约为155 s,管道N2含量约剩余3.16%。上下游建筑立管同时强化通风时,排出气体的时长由下游建筑立管风机排出气体速率决定,故强化通风更新气体时长约为155 s。

    图 7  风机对管道内气体更新情况影响
    Figure 7.  Influence of blower on gas renewal in the pipeline
    注:97.08%表示风机鼓气作用下管道气体更新程度;3.16%表示风机排气作用下管道气体更新程度。

    CFD模拟风机运行风压为180 Pa,在风机向内鼓风情况下,水封损耗为90.16 Pa,当存水弯两边高差达到180.32 Pa时与风机风压等同,如图8所示。此时,横支管最低水封高度为399.84 Pa。由于国内规范卫生间水封高度为490~980 Pa,水封的临界破坏值为±245 Pa,因此,风机的运行不会破坏建筑立管中横支管的水封。

    图 8  风机运行水封高差图
    Figure 8.  Elevation difference diagram of the waterseal in blower operation

    建筑各层卫生间不排水时风机的运行不会破坏卫生间水封,而卫生间进行排水时,水进入立管中,立管上端会出现负压[14]。建筑立管安装风机强化通风系统对建筑各层水封的影响对于居民生活质量至关重要。对风机的不同运行工况、不同楼层排水工况进行模拟,观察不同情况下建筑立管内气流流动的压强分布,结果如图9所示。

    图 9  风机不同工况下立管内压强分布图
    Figure 9.  Pressure distribution diagram in the vertical pipe under different working conditions

    由于自然环境中的空气不能及时补充被水流带走的空气,故排水时建筑立管中会形成负压。如图9所示,第6层和第7层横支管在依次排水、同时排水的2种情况下的负压值与7层单独排水相比更大,而负压值出现的区域更靠近下方。这是由排水位置所决定的,而风机运行并不会改变立管内气压最大值的出现位置。风机强化通风可使立管中产生的负压减小,使得建筑立管强化通风时,立管进行排水时的压强会比自然状态下要低,由此保证居民能更为安全地使用卫生间,亦从一定程度上保护了横支管水封情况。

    1) CFD模拟模型与实测结果得到的下水道补气量误差在7.0%以内。对前3个检查井口的补气的溢出量约占系统鼓入气体的2.3%,剩余气体足够用于改善管道内厌氧环境。

    2)建筑立管强化通风可明显改善污水管道顶部气流缓慢的情况。通风强度的改变主要影响污水管道中的气体加速效果,而不会扩大管道内的长度区域。实验所选风机影响的管道区域长度为510~750 m,对管径600 mm、管长500 m的污水管道内的气体完成1次更新所需时长为155 s。

    3)强化通风运行气压为180 Pa时,最上层横支管水封损耗为90.16 Pa,小于国内规定±245 Pa水封破坏临界值。在立管排水情况下,建筑立管安装风机进行强化通风会降低立管内气压值,对横支管水封起到一定程度保护。强化通风强度与立管负压最大值出现的位置无关。

  • 图 1  AlCl3投加量对混凝性能的影响

    Figure 1.  Effects of AlCl3 dosage on coagulation performances

    图 2  碱度对混凝性能的影响

    Figure 2.  Effects of alkalinity on coagulation performances

    图 3  调节水样pH对不同碱度条件下混凝性能的影响

    Figure 3.  Effects of adjusting pH of water sample on coagulation performances under different alkalinity conditions

    图 4  各碱度含藻水样在不同pH下的絮体性质

    Figure 4.  Floc properties of algae-laden water sample with different alkalinity at different pHs

    图 5  各碱度含藻水样在不同pH下絮体的扫描电镜图

    Figure 5.  SEM images of flocs in algae-laden water sample with different alkalinity at different pHs

    图 6  不同碱度下pH对出水余铝含量的影响

    Figure 6.  Effect of pH on residual aluminum content in effluent at different alkalinities

    图 7  混凝出水的pH

    Figure 7.  pH in coagulation effluent

    表 1  各碱度含藻水样在不同pH条件下形成絮体的强度因子和恢复因子

    Table 1.  Strength factors and recovery factors of flocs formed in algae-laden water sample with different alkalinity at different pHs

    pH碱度为175 mg·L−1碱度为245 mg·L−1碱度为330 mg·L−1
    强度因子/%恢复因子/%强度因子/%恢复因子/%强度因子/%恢复因子/%
    6.537.4130.1232.9838.9725.9539.20
    7.535.9735.3132.2944.4224.7947.88
    8.534.1947.6827.3945.8621.1773.99
    pH碱度为175 mg·L−1碱度为245 mg·L−1碱度为330 mg·L−1
    强度因子/%恢复因子/%强度因子/%恢复因子/%强度因子/%恢复因子/%
    6.537.4130.1232.9838.9725.9539.20
    7.535.9735.3132.2944.4224.7947.88
    8.534.1947.6827.3945.8621.1773.99
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    表 2  各碱度含藻水样在不同pH条件下形成絮体的分形维数

    Table 2.  Fractal dimension of flocs formed in algae-laden water sample with different alkalinity at different pHs

    pH碱度为175 mg·L−1碱度为245 mg·L−1碱度为330 mg·L−1
    平衡时破碎后再生长后平衡时破碎后再生长后平衡时破碎后再生长后
    6.51.7441.9161.9081.5911.7561.7341.5841.7481.704
    7.51.5861.7331.7181.5161.6941.631.3721.5541.503
    8.51.5501.7041.6771.4321.6151.5511.251.4341.395
    pH碱度为175 mg·L−1碱度为245 mg·L−1碱度为330 mg·L−1
    平衡时破碎后再生长后平衡时破碎后再生长后平衡时破碎后再生长后
    6.51.7441.9161.9081.5911.7561.7341.5841.7481.704
    7.51.5861.7331.7181.5161.6941.631.3721.5541.503
    8.51.5501.7041.6771.4321.6151.5511.251.4341.395
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-07
  • 录用日期:  2020-04-04
  • 刊出日期:  2021-01-10
郑利娟, 张崇淼, 徐慧, 李明霜, 王斌, 童庆, 象豫. 水样pH对不同碱度含藻水混凝性能的影响[J]. 环境工程学报, 2021, 15(1): 104-114. doi: 10.12030/j.cjee.202002033
引用本文: 郑利娟, 张崇淼, 徐慧, 李明霜, 王斌, 童庆, 象豫. 水样pH对不同碱度含藻水混凝性能的影响[J]. 环境工程学报, 2021, 15(1): 104-114. doi: 10.12030/j.cjee.202002033
ZHENG Lijuan, ZHANG Chongmiao, XU Hui, LI Mingshuang, WANG Bin, TONG Qing, XIANG Yu. Effects of pH on the coagulation performance of algae-laden water with different alkalinity[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(1): 104-114. doi: 10.12030/j.cjee.202002033
Citation: ZHENG Lijuan, ZHANG Chongmiao, XU Hui, LI Mingshuang, WANG Bin, TONG Qing, XIANG Yu. Effects of pH on the coagulation performance of algae-laden water with different alkalinity[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(1): 104-114. doi: 10.12030/j.cjee.202002033

水样pH对不同碱度含藻水混凝性能的影响

    通讯作者: 徐慧(1985—),男,博士,助理研究员。研究方向:饮用水安全等。E-mail:huixu@rcees.ac.cn
    作者简介: 郑利娟(1994—),女,硕士研究生。研究方向:水质净化。E-mail:zlj865465942@163.com
  • 1. 西安建筑科技大学,陕西省环境工程重点实验室,西北水资源与环境生态教育部重点实验室,西安 710055
  • 2. 中国科学院生态环境研究中心,环境水质学国家重点实验室,北京 100085
  • 3. 贵州大学,自然资源部喀斯特环境与地质灾害重点实验室,贵阳 550004
  • 4. 南昌大学资源环境与化工学院,南昌 330031
基金项目:
国家水体污染控制与治理科技重大事项(2017ZX07108-002,2017ZX07501-002);国家自然科学基金面上项目(51778604);宁夏回族自治区重大项目(2019BFG02032)

摘要: 为探明碱度对混凝去除藻细胞及其分泌有机物的影响,保证饮用水水质。以铜绿微囊藻为研究对象,选用氯化铝(AlCl3·6H2O)作为混凝剂进行混凝实验,考察了不同碱度的含藻水样在pH为6.0~9.0条件下的混凝性能、絮体特性和出水余铝。结果表明:当水样pH=6.0时,相对于低碱度(95、175和245 mg·L−1)水样,碱度较高(330 mg·L−1和415 mg·L−1)的水样Zeta电位趋近于0,可有效降低颗粒间的排斥力,藻细胞的去除率达到74.45%以上(低碱度水样藻细胞去除率在31.64%以下),出水余铝最低为0.003 6 mg·L−1(低碱度时为0.088 9 mg·L−1);当水样pH≥6.5时,碱度较低的水样依靠吸附架桥和网捕卷扫协同作用,使得藻细胞去除率最高达到94.31%,出水余铝可降低至0.035 3 mg·L−1;随着碱度的增加,铝盐水解生成的Al(OH)3胶状沉淀逐渐转变为Al(OH)4,使得网捕卷扫作用减弱,藻细胞去除率有所下降;当水样pH=7.5时,随着碱度增加,平衡时絮体粒径从811.02 μm降低至540.62 μm,絮体强度因子从35.97%降低至24.79%,恢复因子从35.31%增加至47.88%,分形维数从1.586减小到1.372。通过调节水样pH,可有效缓解碱度对含藻水混凝过程的影响,提高藻细胞的去除率。

English Abstract

  • 湖泊、水库是我国重要的饮用水源,且不少水体都存在不同程度的富营养化问题。当富营养水体发生“水华”时,造成水质恶化[1]。水源水中有害藻华(HABs)因其对水生态系统安全和人类健康产生了负面影响,引起了全世界的关注[2-3]。作为淡水中最普遍的蓝藻之一,铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)具有生长繁殖的生态优势,在富营养化水体中成为优势藻种影响水质[4]。藻类种群密度在藻华季节的急剧增加严重影响了水处理过程的效率[5]。混凝作为一种常规处理方式,也常用于处理含藻水体工艺中[6]。原水水质是影响混凝效果的最主要因素之一,不同的原水水质,水中污染物含量、成分、pH、碱度等差异将直接影响混凝剂种类的选择和投加量[7-8]。藻华暴发将导致水体pH、碱度等异常升高,水体中的pH甚至可达到9~10,碱度会高于120 mg·L−1。而原水的碱度过高会对混凝过程产生不利影响,尤其是对于铝盐混凝剂,可能会产生出水余铝含量超标的问题[9-10]

    因此,本研究以氯化铝作为混凝剂,以铜绿微囊藻为研究对象,通过投加不同浓度的碳酸氢钠溶液来调节水样的碱度,考察了碱度对混凝去除藻细胞的性能影响,以期为处理富营养化水体和保证饮用水水质提供参考。

  • 氯化铝(AlCl3·6H2O)、碳酸氢钠(NaHCO3)、硝酸钠(NaNO3)、氢氧化钠(NaOH)、盐酸(HCl)均购自国药集团化学试剂有限公司。

  • 铜绿微囊藻(PCC7820),购自中国科学院水生生物研究所,采用BG11培养基进行培养,无菌条件下接种至锥形瓶中,放在人工气候培养箱中培养,培养条件为温度(25±1) ℃、光照强度2 000 lx、光暗比(L∶D)=12 h∶12 h。定期进行细胞计数,绘制生长曲线,待藻种达到稳定期后用于实验。

  • 为了模拟蓝藻暴发时水体中的藻细胞浓度,控制水样藻细胞密度为1×106个·mL−1[11],并加入5. 0 mmol·L−1NaNO3提供离子强度。由于饮用水中只含有碳酸氢根碱度,故在此实验中只考虑调节碳酸氢根碱度[12-14]。配制0. 5 mol·L−1NaHCO3溶液,在500 mL稀释好的藻液中分别加入0、1.0、2.0、2.5、3.5、4.5 mL溶液,制成总碱度(以CaCO3计)分别为50、95、175、245、330、415 mg·L−1的水样,使用盐酸(0. 1 mol·L−1) 和氢氧化钠(0. 1 mol·L−1)溶液调节水样pH。

  • 使用MY3000-6G智能型混凝搅拌仪(武汉梅宇有限公司)进行混凝实验,在200 r·min−1下快搅60 s,加混凝剂后,在200 r·min−1下快搅90 s,再在40 r·min−1下,慢搅10 min,静置沉淀30 min。在液面以下2.0 cm处取上清液,测定藻的吸光度及浊度。

    利用马尔文激光粒度分析仪(Laser Particle Analyzer,Mastersizer2000,Malvern,UK)对混凝实验中絮体的形成过程进行在线监测,以D50代表絮体的平均粒径,并对已经形成的絮体进行破碎实验(5 min,200 r·min−1),随后进行絮体恢复实验(10 min,40 r·min−1),考察絮体的强度因子、恢复因子以及分形维数。

  • 藻细胞密度采用UV-8500紫外/可见分光光度计(上海天美公司)测定;浊度采用浊度仪(2100N,Turbidimeter,HACH,USA)测定;将水样经0.45 μm水相滤头过滤后,采用总有机碳分析仪(Shimadzu,Japan)测定DOC;pH采用pH计(MP220,pH Meter,Mettler-Toledo,Switzerland)测定;出水余铝采用电感耦合等离子-原子发射光谱仪(ICP-OES OPTIMA-2000,PerknELMER,US)测定;于混凝快搅结束后取样,采用Zeta电位仪(zetasizer2000,Malvern,UK)测定Zeta电位;混凝静沉后的底部絮体经高速冷冻离心机(Aantij26XP,Beckman Coulter.Inc.USA)冷冻干燥后采用扫描电子显微镜(HITACHI SU8020 FE-SEM,Japan)测定。

  • 为探究混凝剂投加量对混凝效果的影响,考察了AlCl3(以Al计)投加量为0.5~3.5 mg·L−1、水样pH=7.5条件下藻细胞、浊度和DOC的去除率,结果见图1。由图1可见:当混凝剂投加量为0.5~2.0 mg·L−1时,藻细胞、浊度和DOC的去除率随着混凝剂投加量的增加而增加;当AlCl3投加量为2.5 mg·L−1时,藻细胞、浊度和DOC的去除率分别达到了86.52%、87.95%和14.80%;当投加量增大至3.5 mg·L−1时,藻细胞、浊度和DOC的去除率均有所降低。这主要是因为:当混凝剂投加量为0.5~2.0 mg·L−1时,投加量不足,导致电中和能力受到抑制,因此,藻细胞、浊度和DOC的去除率均不高;当混凝剂投加量过大时,体系中的胶体颗粒由于带有过高的正电荷而出现复稳现象,部分颗粒物难以聚集形成絮体而被去除,导致混凝效果下降。

  • 为探究碱度对混凝性能的影响,考察了各碱度含藻水样在AlCl3投加量为2.5 mg·L−1、pH=7.5条件下的藻细胞、浊度和DOC的去除率,结果见图2。由图2可知,随着碱度的增加,藻细胞、浊度、DOC的去除率以及Zeta电位值均呈下降趋势。藻细胞的去除率由96.65%降低至35.12%,浊度的去除率由96.12%降低至34.55%,有机物的去除率由24.61%降低至15.26%。同时也可以看到,随着碱度的增加,Zeta电位由2.67 mV降低至−14.83 mV。分析其原因在于,当水样pH=7.5、碱度为50~245 mg·L−1时,水样中主要存在Al(OH)3活性溶胶和一些具有较高聚合度的带正电水解产物,其可通过黏附架桥、网捕卷扫等作用达到较好的混凝效果[15],导致藻细胞、浊度和DOC的去除率较高。随着碱度的增加,负离子形态的Al(OH)4占据优势,与带负电荷的铜绿微囊藻细胞之间产生了静电排斥,导致混凝效率下降[16],Zeta电位值也逐渐减小。

  • 碱度和pH共同决定铝盐投加后的水解形态,进而影响混凝性能[17]。因此,可通过调整pH缓解碱度对混凝性能的影响,结果如图3所示。由图3可知:当碱度为95 mg·L−1和175 mg·L−1、pH=6.0时,藻细胞的去除率分别为4.59%和10.27%,在相同碱度条件下,当pH=6.5~8.5时,藻细胞的去除率在88.30%以上;当碱度为245 mg·L−1、pH=7.0~8.0时,藻细胞的去除率达到86.31%,当pH=6.0、9.0时,藻细胞的去除率均在31.64%以下;在碱度为330 mg·L−1和415 mg·L−1时,随着pH的增大,藻细胞的去除率呈下降的趋势,分别由74.45%和84.32%降低至3.56%和2.81%。浊度的去除率和藻细胞的去除效果一致。DOC的去除率虽然不高,在25%以下,但与藻细胞和浊度的去除率趋势一致。

    分析原因在于,当水样的pH=6.0时,随着碱度的增加,Zeta电位绝对值逐渐减小,趋于等电点状态,体系的稳定性逐渐减弱,电荷排斥力逐渐下降,有助于絮体形成,有利于混凝过程进行,因此,导致藻细胞、浊度以及有机物的去除率增加。当水样的pH=6.5、碱度为95、175、245 mg·L−1时,混凝过程主要依靠吸附架桥和网捕卷扫协同作用,形成较大絮体,絮体沉降性好,去除率增加。当水样的pH=7~9、碱度为95 mg·L−1时,Zeta电位值趋近于0,体系趋于失稳状态,颗粒间的排斥力降低,藻细胞和浊度的去除率趋于稳定。而在其他各碱度下,随着pH的增大,铝盐混凝剂发生过度水解反应,生成的 Al(OH)4负离子增多,网捕卷扫作用减弱,且系统脱稳困难,不利于混凝过程的进行[18-20],所以藻细胞、浊度和DOC的去除率逐渐下降。在各碱度下,体系Zeta电位值均随pH的增大而降低,这是因为藻细胞本身的Zeta电位值会随着pH的增大而降低;水样pH对铝盐的水解形态分布也会影响体系的Zeta电位值;在相同pH下,碱度越高,带正电荷的铝盐水解产物越少,从而也会降低体系的Zeta电位值。

    综上所述,通过调节水样的pH,可以达到减缓碱度影响混凝过程的目的。当体系碱度较低时,可将pH调整至中性范围,以提高藻细胞的去除率;当体系碱度过高时,可以调节水样pH,从而使体系Zeta电位的绝对值趋近于0,打破体系稳定状态,进而有利于混凝过程的进行。

  • 由于絮体的大小和强度对于分离过程有重要影响,因此,在大多数水处理过程中,絮体特性被当作是一个重要的操作参数[21],混凝过程絮体粒径变化情况如图4所示。

    图4可以看出,在相同pH条件下,随着碱度的增加,平衡时的絮体粒径逐渐减小。当pH=7.5、碱度为175、245和330 mg·L−1时,平衡时絮体粒径分别为811.02、633.28和540.62 μm。分析原因在于,在水样pH一定的条件下,碱度较低时,混凝过程依靠吸附架桥和网捕卷扫协同作用,形成粒径较大的絮体。随着碱度的增加,铝盐的水解产物Al(OH)3胶体更多转变为Al(OH)4,絮体间排斥能力增强,不利于颗粒聚集生成,故导致平衡时的絮体粒径减小。

    为了更好地了解不同条件下混凝形成絮体的特性,对强度因子(Sf)和恢复因子(Rf) (表1)以及分形维数(Df)[22](表2)进行了计算。

    表1可知,在相同pH条件下,随着碱度的增加,絮体的强度因子逐渐减小,恢复因子逐渐增大。当水样pH=7.5时,随着碱度的增加,絮体强度因子由35.97%降低至24.79%,恢复因子由35.31%增加至47.88%。强度因子逐渐减小的原因为:在相同pH条件下,碱度较低时,网捕卷扫在混凝机理上占主导地位,体系中有足够的Al(OH)3胶状沉淀,会促使形成比较密实的絮状结构[23],相应的强度因子就大;随着碱度的升高,铝盐水解生成的无定型Al(OH)3胶状沉淀逐渐转变为Al(OH)4,Al(OH)3胶状沉淀减少,导致网捕卷扫作用减弱,形成的絮体变得疏松,相应的强度因子就减小。恢复因子逐渐增大的原因在于,当网捕卷扫在混凝机理上占主导地位,破碎的絮体颗粒带正电荷[24],这些破碎的絮体颗粒可以继续吸附水样中的残余颗粒物。在水样pH一定的条件下,碱度较低时,藻细胞和有机物的去除率高,水样中残余颗粒物就少,在一定时间内与破碎的颗粒物碰撞概率小,因此,絮体恢复因子小;而碱度较高时,平衡时絮体粒径小,而且由于藻细胞去除率低,水样中还有大量的颗粒物,这就增大了与破碎絮体的碰撞概率,一定时间内破碎絮体吸附中和这些颗粒物使粒径再次增大,因此恢复因子也增大。

    表2可以看出:在相同pH条件下,随着碱度的增加,平衡时絮体的分形维数逐渐减小;同一碱度下,随着pH的增加,平衡时絮体的分形维数也逐渐减小。当水样pH=7.5时,随着碱度的增加,平衡时絮体的分形维数由1.586减小到1.372;当碱度为245 mg·L−1时,随着pH的增加,平衡时絮体的分形维数由1.591降低至1.432。分析原因在于:当pH和碱度较低时,网捕卷扫占主导地位,形成的絮体结构更为致密,相应的分形维数就较高[25];随着碱度的增加,铝盐水解生成的Al(OH)3胶状沉淀逐渐转变为Al(OH)4,网捕卷扫作用减弱,胶体颗粒间的静电斥力增加,因此,形成的絮体结构变得疏松,相应的分形维数较低[26]

  • 图5可知,水样pH和碱度的不同导致混凝过程的作用机理不同,而不同混凝机理形成的絮体结构是有差异的。当水样pH和碱度较低时,形成的絮体更为致密,而当水样pH和碱度较高时,形成的絮体相对疏松。这主要是因为,在水样pH和碱度不同的情况下,形成的絮体粒径和分形维数不同。水样pH和碱度较低时,混凝过程依靠吸附架桥和网捕卷扫协同作用,形成絮体的分形维数大,絮体结构更为密实,絮体沉降性好,所以混凝效果较好;随着水样pH和碱度的增加,Al(OH)4逐渐增多,致使网捕卷扫作用减弱,絮体间排斥能力增强,因此,分形维数逐渐减小,絮体结构越来越疏松,形成的絮体表面粗糙且多孔,而且絮体粒径小,沉降性差,导致混凝效果减弱。

  • 水样的碱度过高会导致使用铝盐混凝剂的残留铝含量增加,因此,实验对比了各碱度含藻水在不同pH条件下的出水余铝,结果如图6所示。可以看出:当碱度为95 mg·L−1、pH为6.0~8.0时,出水余铝从0.212 0 mg·L−1降低至0.035 3 mg·L−1。这是因为混凝效果逐渐增强,沉后出水中的溶解态铝含量降低,所以出水余铝减少。在其他碱度下,随着pH的增大,出水余铝均有所增加,且在相同pH下,随着碱度的增加,出水余铝也呈升高的趋势,当pH=9.0时,碱度为245、330和415 mg·L−1对应的出水余铝分别为2.030、2.360和2.390 mg·L−1。这是因为随着pH和碱度的升高,铝离子水解形成的 Al(OH)3胶状沉淀会溶解为负离子Al(OH)4,导致出水余铝含量升高。

  • 本研究对不同AlCl3投加量和各碱度含藻水在不同pH条件下混凝出水的pH进行测定,结果如图7所示。如图7(a)所示,当pH=7.5、碱度为245 mg·L−1时,随混凝剂投加量增大,出水pH由7.97降低至7.54。这是因为铝盐水解过程中会产生H+,H+的积聚会使体系的pH有所降低,虽然HCO3能吸收H+,使体系pH波动减小,但是因为体系中HCO3的量是有限的,因此,无法中和过多的H+,所以随着混凝剂投加量的增加,体系出水pH有所降低。如图7(b)所示,在调节后的pH相同条件下,出水pH随着碱度的增大而增大,这是因为在体系中投加的铝离子的量是有限的,铝盐水解产生的H+也就有限,而HCO3浓度是增加的,其水解产生的OH逐渐增多,但是没有足够的H+来中和,因此,反应后的出水pH随着碱度的增大而升高。

  • 1)当水样pH=7.5、氯化铝投加量为2.5 mg·L−1、碱度为50、95 mg·L−1时,对于藻细胞和浊度的去除率均在96.50%左右,随着碱度的升高,对于藻细胞,浊度以及有机物的去除率均呈下降趋势,并且水样的Zeta电位值也逐渐降低。

    2)通过调整水样pH,可有效缓解碱度对混凝过程的影响。当体系碱度较低时,可将pH调整至中性范围,提高藻细胞的去除效率,出水余铝含量也会降低;当体系碱度过高时,可通过调节pH使体系Zeta电位的绝对值趋近于0,打破体系稳定状态,从而有利于混凝过程的进行,出水残留铝含量也会有相应减少。

    3)当水样pH≥6.5,碱度较低时,混凝过程依靠吸附架桥和网捕卷扫协同作用,形成的絮体粒径较大,而且絮体的结构较为致密,分形维数较大;随着pH和碱度的增加,絮体间排斥能力增强,不利于颗粒物的聚集生成,导致形成的絮体粒径较小,而且絮体结构比较疏松,分形维数逐渐减小。

参考文献 (26)

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