天然絮凝劑污水處理效果淺析

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摘要：天然絮凝劑是一種可再生、可降解、環(huán)境友好的污水處理劑。本文以處理的西瓜籽為天然絮凝劑，采用響應(yīng)面分析法研究了pH值和絮凝劑用量對(duì)污水濁度、總懸浮固體（TSS）和化學(xué)需氧量（COD）去除率的影響。發(fā)現(xiàn)絮凝劑用量是影響濁度和COD的顯著因素，絮凝劑用量和pH值是影響TSS的顯著因素。隨著絮凝劑用量和pH值在100~200mg·L-1和4~8之間的變化，濁度、TSS和COD去除率最高為94.15%、98.34%、91.39%。當(dāng)pH值為4.24、絮凝劑用量為120.23mg·L-1時(shí)，污水處理效果最好，預(yù)測(cè)的濁度、TSS和COD去除率分別為67.36%、93.32%和65.49%，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

關(guān)鍵詞：污水處理；天然絮凝劑；西瓜籽；響應(yīng)面

絮凝是一種可靠且簡(jiǎn)便的污水處理技術(shù)，通過(guò)加入絮凝劑使污水中的懸浮微粒聚集變大、形成絮團(tuán)，通過(guò)固液分離去除污染物，效果受絮凝劑類型、用量、污水pH值、攪拌速度、攪拌時(shí)間以及廢水特性的影響，廣泛用于處理生活、商業(yè)和工業(yè)污水[1-4]。絮凝劑類型眾多，有天然、有機(jī)、無(wú)機(jī)和聚合物絮凝劑，大多數(shù)污水處理廠仍廣泛使用無(wú)機(jī)絮凝劑，如硫酸鋁（明礬）、聚合硫酸鋁等[5-7]。這類無(wú)機(jī)絮凝劑雖然效率高、成本低，但長(zhǎng)期使用會(huì)對(duì)人類健康和環(huán)境造成嚴(yán)重影響[5]。天然絮凝劑富含羧基、羥基和氨基等官能團(tuán)，對(duì)污水中的各種污染物具有良好的親和力，具有絮凝效率高、可再生、可降解等優(yōu)點(diǎn)，受到研究者的廣泛關(guān)注[8-11]。本文以西瓜籽為天然絮凝劑，采用響應(yīng)面法分析了pH值和絮凝劑用量對(duì)污水濁度、總懸浮固體。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑與儀器K2Cr2O7、正己烷、石油醚、HCl、NaOH等均為分析純?cè)噭袊?guó)國(guó)藥集團(tuán)。ZR4-6型混凝實(shí)驗(yàn)攪拌器（深圳中潤(rùn)水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司）；PHS3C型酸度計(jì)（上海雷磁儀器廠）；2100Q濁度儀（美國(guó)哈希公司）。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

選取當(dāng)?shù)胤N植西瓜，收集其中的西瓜籽，用蒸餾水洗滌數(shù)次以去除附著的果肉，在100℃烘箱中干燥。將干燥好的西瓜籽去殼、研磨，得到粉末，利用正己烷為溶劑在索氏提取器中提取油脂24h。隨后用石油醚去除種子粉末中的正己烷，再用蒸餾水洗滌，最后在真空烘箱中50℃下干燥至恒重，得到天然絮凝劑，配制成1%的水溶液使用。污水取自當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S（pH值、濁度、TSS和COD分別為7.51、257、526和687mg·L-1），將污水倒入混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)中，在特定pH值下加入一定量的絮凝劑溶液，在200r·min-1下攪拌5min，然后在50r·min-1下攪拌30min，吸取上清液，采用便攜式濁度計(jì)分析污水濁度，采用《水質(zhì)懸浮物的測(cè)定重量法》（GB11901-1989）分析TSS，采用《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測(cè)定重鉻酸鹽法》（HJ828-2017）分析COD。

1.3響應(yīng)面分析

本文采用響應(yīng)面分析法研究了pH值和天然絮凝劑用量對(duì)污水濁度、TSS和COD去除率的影響，每個(gè)因素取3個(gè)水平，采用minitab19對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

2結(jié)果與討論

2.1實(shí)驗(yàn)因素對(duì)污水濁度去除率的影響圖1為pH值和絮凝劑用量對(duì)污水濁度去除率的影響。由圖1可以看到，與pH值相比，天然絮凝劑用量對(duì)污水濁度去除率影響更顯著，隨著絮凝劑用量從100增加到200mg·L-1，濁度去除率從最高的94.15%降低到40%以下，這可能是由于隨著絮凝劑用量的增加，絮凝劑主要發(fā)生了自身聚并，導(dǎo)致污水濁度去除率下降，同時(shí)也說(shuō)明在較小的天然絮凝劑用量下就能很好降低污水濁度。

2.2實(shí)驗(yàn)因素對(duì)污水TSS去除率的影響

圖2為pH值和絮凝劑用量對(duì)污水TSS去除率的影響。由圖2可以看到，隨著pH值從8降低到4、絮凝劑用量從200降低到100mg·L-1，污水TSS去除率最高可以達(dá)到98.34%。這是由于天然絮凝劑中含有大量的羥基、羰基、酰胺基團(tuán)和游離氨基酸，可以中和懸浮固體的電荷，在固體顆粒間產(chǎn)生架橋作用，有利于降低污水TSS。

2.3實(shí)驗(yàn)因素對(duì)污水COD去除率的影響

圖3為pH值和絮凝劑用量對(duì)污水COD去除率的影響。由圖3可以看到，隨著絮凝劑用量的增加，污水COD去除率逐漸提高，最高可以達(dá)到91.39%，當(dāng)絮凝劑用量大于160mg·L-1后，低pH值有利于提高污水COD去除率。

2.4實(shí)驗(yàn)因素的方差分析

表2為天然絮凝劑處理污水的方差分析結(jié)果。由表2可以看到，pH值和絮凝劑用量對(duì)污水濁度、TSS和COD去除率的響應(yīng)面模型T值均大于1，而且P值均小于0.05，說(shuō)明分析可靠，置信概率95%，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對(duì)污水濁度去除率來(lái)說(shuō)，絮凝劑用量的T值大于1、P值小于0.05，是顯著影響因素，而pH值和pH值與絮凝劑用量二階交互效應(yīng)影響不顯著。同理，對(duì)于TSS和COD去除率來(lái)說(shuō)，顯著影響因素分別是絮凝劑用量、pH值和絮凝劑用量。2.5污水處理工藝優(yōu)化利用響應(yīng)面法，得到了污水濁度、TSS和COD去除率與pH值、絮凝劑用量以及兩者交互效應(yīng)之間的數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)式1~3。濁度去除率/%=157.0-3.4×pH值-0.635×絮凝劑用量+0.0150×（pH值×絮凝劑用量）（1）TSS去除率/%=141.0-5.47×pH值-0.257×絮凝劑用量+0.0233×（pH值×絮凝劑用量）（2）COD去除率/%=-102.0+12.8×pH值+1.125×絮凝劑用量-0.0871×（pH值×絮凝劑用量）（3）通過(guò)對(duì)3個(gè)去除率指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，得到了污水處理的最優(yōu)條件，見(jiàn)表3。響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合，當(dāng)pH值為4.24、絮凝劑用量為120.23mg·L-1時(shí)，污水濁度、TSS和COD去除率可以達(dá)到67.36%、93.32%和65.49%。

3結(jié)論

本文以處理過(guò)的西瓜籽為天然絮凝劑，采用響應(yīng)面分析法研究了pH值與絮凝劑用量對(duì)污水濁度、TSS和COD去除率的影響。通過(guò)方差分析，發(fā)現(xiàn)模型分析可靠，置信概率95%。對(duì)污水濁度、TSS和COD去除率來(lái)說(shuō)，絮凝劑用量是顯著的影響因素。對(duì)于TSS去除率來(lái)說(shuō)，絮凝劑用量和pH值是顯著影響因素；絮凝劑用量是影響COD去除率的顯著因素。當(dāng)pH值為4.24、絮凝劑用量為120.23mg·L-1時(shí)，污水處理效果最好，預(yù)測(cè)的濁度、TSS和COD去除率分別為67.36%、93.32%和65.49%，而且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

作者:李寶豐 于鵬飛 趙宗祺 李團(tuán)結(jié) 王超 單位:青島潤(rùn)水市政工程設(shè)計(jì)有限公司 青島市政務(wù)服務(wù)和公共資源交易中心 青島市海泊河污水處理廠 青島市團(tuán)島污水處理廠青島市排水運(yùn)營(yíng)服務(wù)中心