磁絮凝预处理景观湖泊的补水试验研究*

韩国胜　吴春笃，2　蒲欣　张波

（1.江苏大学环境与安全工程学院　江苏镇江212013；　2.扬州职业大学　江苏扬州225009）

磁絮凝预处理景观湖泊的补水试验研究*

韩国胜1吴春笃1，2蒲欣1张波1

（1.江苏大学环境与安全工程学院江苏镇江212013；2.扬州职业大学江苏扬州225009）

为了快速净化景观湖泊的补水，采用磁絮凝法对Ⅴ类甚至劣Ⅴ类河道水体进行预处理，设计正交试验，分析了絮凝剂（PAC）、助凝剂（PAM）以及磁铁粉的投加量对预处理效果的影响 ，并利用正交试验法和多指标综合评分法进一步优化磁絮凝预处理工艺参数，结果表明最佳工艺参数为：磁铁粉加入量100 mg/L，PAC投加量150 mg/L，PAM投加量2 mg/L。在此最佳工艺参数下，进行验证试验，COD去除率达到50.39% ，TP去除率为96.65%，浊度去除率为91.59%，氨氮去除率为6.31%，除氨氮外，其他各指标基本均能达到地表水环境Ⅲ类水体标准 ，达到了预处理目的，为后续深度净化减轻负荷压力。

磁絮凝 景观湖泊补水 正交试验 多指标综合评分

0　引言

随着我国城市化速度不断加快，城市湖泊资源的开发利用日趋加强，尤其景观湖泊的开发建设得到了更多的关注和重视，然而景观湖泊水体的水质水量维持及治理一直是世界性难题。为了达到景观效果，景观湖泊水体经常需要实施水量调度 ，使其能够维持一定的景观水位要求，而补充的水源大多数来自周边河道引水。然而周边河道水体难免存在一定的面源及点源污染，其水质处于地表水环境Ⅴ类甚至劣Ⅴ类水平，达不到景观水体补水水质要求（地表水环境Ⅲ类水体），需要采取预处理措施。本文采用磁絮凝法预处理景观湖泊的补水，研究磁铁粉、絮凝剂聚合氯化铝以及助凝剂聚丙烯酰胺投加量等因素对预处理效果的影响，并利用正交试验方法和综合评分法优化磁絮凝工艺，得到最佳工艺参数，为该方法的实际应用提供一定的指导。

1　材料与方法

1.1试验材料及仪器

试验原水取自某河道水体，其水质情况为：水温为7～15℃，COD为37.58～54.56 mg/L，氨氮为8.25～13.68 mg/L，TP为0.427～1.494 mg/L，pH为6.84～7.62，浊度基本在4.650 NTU以上。

试验药剂主要包括：絮凝剂和助凝剂分别采用分析纯的聚合氯化铝（北京水碧清科技有限公司）以及阴离子聚丙烯酰胺（鸿昌净水材料厂），配置成一定浓度的标准溶液备用；磁性铁粉，粒度325目，其中磁性物含量≥95%，四氧化三铁含量≥85%（湖北七八九化工有限责任公司）。

试验仪器主要包括：JJ-4A六联电动搅拌机；钕铁硼磁铁直径80 mm，厚度20 mm（上海步达磁性材料）；电子天平；水质快速测定仪（上海连华科技有限公司）等。

1.2试验方法

1.2.1单因素试验研究

在不改变原水温度和pH的情况下，取500 mL原水分别加入6组1 000 mL混凝烧杯中，投加一定量的磁铁粉和混凝剂（PAC），快速搅拌（300 r/min）90 s，然后再投加一定量的助凝剂（PAM），慢速搅拌（70 r/min）2 min后，将烧杯置于磁铁上部，静置30 s，取上清液，测定上清液的COD、氨氮、TP及浊度值，并计算各指标去除率。

1.2.2正交试验设计优化工艺条件

在单因素试验的基础上，选择以磁铁粉投加量（A）、聚合氯化铝投加量（B）、聚丙烯酰胺投加量（C）为考察因素，以COD去除率（X/%）、氨氮去除率（Y/%）、TP去除率（Z/%）和浊度去除率（P/%）为评价指标，采用L9（34）正交表安排试验，见表1。

表1　试验因素及水平表　mg/L

2　试验结果与分析

2.1助凝剂PAM的最佳投加量

试验条件：PAC投加量为200 mg/L，磁铁粉投加量为200 mg/L，水温12.3℃，pH=6.8。

由图1可以看出，出水COD、TP、浊度的去除率开始都是随助凝剂PAM的增加而逐渐增加的，当PAM投加量为3 mg/L时，出水各指标的去除率达到最高，此时COD去除率为51.61%，TP去除率为97.42%，浊度去除率达100%。再增加PAM的投加量，出水各指标的去除率都会有不同程度的下降，因为投加量过大，会引起吸附饱和，致使胶粒上形成覆盖层，引发胶粒再稳现象，反而使有机物去除效率降低。其中氨氮去除率基本在5%以下，且随PAM投加量变化影响较小。

综合去除效率及经济效应，初选PAM的最佳投加量为3 mg/L。此时COD去除率为51.61%，出水COD值为22.73 mg/L，TP去除率为97.42%，出水TP值为0.011 mg/L，浊度去除率达100%，氨氮去除率为2.90%，出水氨氮值为9.941 mg/L。

图1　PAM投加量对絮凝效果的影响

2.2絮凝剂PAC最佳投加量

试验条件：PAM投加量为3 mg/L，磁铁粉投加量为200 mg/L，水温为11.3℃，pH=7.23。

从图2可以看出，COD去除率开始随PAC的增加逐渐升高，当PAC量超过150 mg/L时，去除率又逐渐降低。即在PAC的量为150 mg/L时，COD去除率达最高为62.85%。这是因为随着PAC投加量增多，则参与吸附、架桥的有机物也越多，凝聚效果也越好，故对COD的去除率越高。但当混凝剂PAC投加量超过一定量时 ，会引起吸附饱和而使胶粒产生再次稳定 ，同时混凝剂分子的自身缠绕作用也会降低其吸附、架桥能力，从而使COD去除率降低。其中氨氮的去除率随PAC的投加量的变化影响较小，且去除率非常低，基本在7%左右。TP和浊度的去除率都能达到80%以上，且数据的变化幅度不大。

图2　PAC投加量对絮凝效果的影响

综上所述，初选PAC的最佳投加量为1.5 mL，即150 mg/L。此时COD去除率为53.56%，出水COD值为19.70 mg/L，TP去除率为96.92%，出水TP值为0.014 mg/L，浊度去除率达90%，出水浊度值为0.465 NTU，氨氮去除率为5.45%，出水氨氮值为10.58 mg/L。

2.3磁铁粉的最佳投加量

试验条件：PAC投加量为150 mg/L，PAM投加量为3 mg/L，水温为13.6℃，pH=7.24。

由图3可以看出，随着铁粉投加量的增加，COD的去除率呈先升高后降低的趋势，在投加量为100 mg/L时，COD去除率最高达到51.73%，出水COD值为16.67 mg/L，且投加铁粉与未投加铁粉相比，去除率高约20%。磁铁粉的加入，水中悬浮颗粒数量得到了增加，在快速搅拌的情况下，胶粒碰撞机率增大，且磁粉粒子产生的微弱磁场对带电荷的胶粒有较强的吸引力，磁粉与絮凝体能够快速结合成紧密的磁絮复合体，从而使絮体密度增加、体积减小，絮凝效果增强。然而当磁铁粉量投加过多时，多余的磁粉不再与絮凝体结合形成紧密的磁絮复合体，而是分散于水中，不仅影响絮凝剂对污染物的吸附作用，同时也会影响水体的浊度处理。由图3可看出，TP去除率达到95%以上，且各组数据相差不大；而氨氮的去除率很低，差别也不大，总体在4.06%～8.08%，出水氨氮值远远超出地表水环境Ⅲ类标准，还需要后期利用生物处理等技术进一步降解水中氨氮，改善水质。

因此综合考虑各指标的去除率、出水值以及经济效益的情况下，初选最佳铁粉投加量为100 mg/L。此时COD去除率为51.73%，出水COD值为16.67 mg/L，TP去除率为95.13%，出水TP值为0.022 mg/L，浊度去除率达100%，氨氮去除率为0.45%，出水氨氮值为11.01 mg/L。

图3　磁铁粉投加量对絮凝效果的影响

2.4正交试验结果分析

按照L9（34）正交表进行试验，分别测定各条件下的COD去除率（X/%）、氨氮去除率（Y/%）、TP去除率（Z/%）及浊度去除率（P/%）。采用综合加权评分法，结合该工艺的特点和相关文献，权衡各指标对水体净化效果的影响 ，设定指标COD去除率（X/%）、氨氮去除率（Y/%）、TP去除率（Z/%）及浊度去除率（P/%）的权重系数分别为 ：0.4、0.1、0.25、0.25。根据各指标的权重，计算多属性综合评价指标，对正交试验数据进行综合分析。即综合评分：

OD=0.4 Xi/Xmax+0.1 Yi/Ymax+0.25 Zi/Zmax+ 0.25 Pi/Pmax

表2　正交试验直观分析结果

由表2的直观分析可以看出，正交试验中各因素的极差对综合评分OD影响的主次顺序依次为：PAC投加量＞磁粉投加量＞PAM投加量，再通过K1、K2、K3值确定试验最优方案：A1B2C2，即磁粉投加量100 mg/L，PAC投加量150 mg/L，PAM投加量3 mg/L。

表3　方差分析结果

查表可知，F0.90（2，2）=9.0，F0.95（2，2）=19.0，F0.99（2，2）=99.0。通过表3方差分析可知，因子A和B在显著水平0.05下是显著的，因子C不显著。由于因子A和B对综合评分的影响是显著的，因此选择最佳水平组A1B2。因子C对综合评分的影响不显著，故可考虑经济方面，节约成本选择C1。

依上述综合分析结果，得到最终的方案为A1B2C1。即磁铁粉投加量100 mg/L，PAC投加量150 mg/L，PAM投加量2 mg/L。

为了进一步验证该工艺配比方案的稳定性和可行性，依此条件进行3组平行试验 ，试验结果见表4。

表4　正交验证试验

结果表明，出水中COD、氨氮、TP、浊度值分别为：19.14 mg/L、9.538 mg/L、0.012 mg/L、0.620 NTU。去除率分别为50.39%、6.31%、97.18%、91. 59%。其出水水质除氨氮外，其他指标均能达到地表水环境Ⅲ类水体标准，因此还需要后期利用生物处理等技术对水中氨氮降解 ，从而进一步改善水质。

3 结论

（1）本试验采用正交试验法优化磁絮凝技术净化城市景观湖泊补水，结果表明影响因素的主次顺序：PAC投加量＞磁粉投加量＞PAM投加量。且PAC和磁粉投加量对试验效果影响是显著的，PAM投加量影响效果不显著。

（2）利用正交试验方法和多指标综合评价法，得到磁絮凝净化城市景观湖泊补水的最佳工艺为：磁铁粉投加量100 mg/L，PAC投加量150 mg/L，PAM投加量2 mg/L。

（3）利用磁絮凝技术能够快速高效净化景观湖泊补水 ，水中COD、TP、浊度等都能够高效去除，且出水水质可以达到地表水环境Ⅲ类标准，然而氨氮去除率非常低，还需要后期利用生物处理等技术进行进一步水质改善及维护。

Experimental Study on Water Supply of Landscape Lake Pretreated by Magnetic Flocculation

HAN Guosheng1WU Chundu1，2PU Xin1ZHANG Bo1
（1.School of the Environment and Safety Engineering，Jiangsu University Zhenjiang，Jiangsu 212013）

In order to rapidly purify the water supply of landscape lake，the magnetic flocculation method is used to carry out the pretreatment and design orthogonal test.The effects of the dosage of coagulant（PAC），coagulant aid（PAM）and magnetic powder on the pretreatment are analyzed.The parameters are optimized by orthogonal testmethod and multiindex comprehensive score method and the results show thatthe optimum process parameters are as follows：magnetpowder dosage 100 mg/L，PAC dosage 150 mg/L and PAM dosage 2 mg/L.Under the optimum process parameters，the experimentis carried out，in which the removal rate of COD can reach 50.39%and that of TP，turbidity and ammonia nitrogen can reach 96.65%，91.59%and 6.31%respectively，which can achieve the purpose of the pretreatment and reduce the load pressure for the follow-up depth.

magnetic flocculation water supply of landscape lake orthogonal test multi index comprehensive score method

“十二五”国家科技支撑计划项目（2014BAC08B01），镇江市社会发展项目（SH2014014）。

韩国胜 ，男 ，硕士 ，从事水处理技术研究。

（2015-09-20）