基于松花江水源水絮凝沉淀工艺的微生物絮凝剂净水效能研究

摘要

絮凝沉淀是给水处理工艺中不可缺少的关键环节，而絮凝剂的应用是该技术的核心，其性能直接决定絮凝处理效果、絮凝工艺运行费用和后续工艺处理负荷。絮凝沉淀工艺中存在常规絮凝剂处理效率偏低，絮体沉降性能差等工程问题，特别在处理低温低浊水时问题尤为突出，因此，研制新型高效、环境友好型水处理剂成为絮凝剂发展的新方向。微生物絮凝剂因其安全无毒、无二次污染、絮凝效率高的特性，具有良好的应用前景，但目前很少有研究将微生物絮凝剂应用于给水处理领域。本研究基于对水处理剂开发及应用的实际要求，以微生物絮凝剂(CBF)与聚合氯化铝铁(PAFC)为材料，制备出新型生物复合絮凝剂PAFC-CBF，研究其防腐保质性能及絮凝机理，开展了基于絮凝沉淀工艺的微生物絮凝剂强化絮凝处理水源水效能研究，为微生物絮凝剂大规模应用奠定理论基础及技术支持。
　　CBF对地表水源水浊度及色度均具有良好的去除效果，在最佳条件下，CBF对浊度去除率达到91.99％，色度去除率达到73.33%。通过L16(45)正交实验，研究微生物絮凝剂CBF投加量、助凝剂CaCl2投加量、pH、水力条件和沉降时间5个因素对低温低浊水絮凝效果的影响。结果表明，最佳的絮凝条件为：絮凝剂投加量为20mg/L；助凝剂CaCl2(10%，w/v)的投加量为1.5mL/L；pH值为8.0；水力条件为搅拌速度160r/min，搅拌时间40s；沉降时间30min。
　　以PAFC和CBF为原料，通过机械混合制备出不同复合比的一系列生物复合絮凝剂PAFC-CBF，PAFC-CBF为带天然发酵香味的淡棕色液体，带少量不溶物。通过红外光谱特征峰、XRD衍射峰以及SEM分析对比，表明CBF成功嵌入PAFC，形成新的复合絮凝剂，且具有两者共同的特征结构。在微絮凝剂防腐保质性能实验中，通过对絮凝率、细菌总数和防腐剂市场价格等指标的考察，结果表明当添加0.50g/L山梨酸钾，或添加0.125g/L山梨酸钾+0.063g/L对羟基苯甲酸丙酯钠复合防腐剂时，均能延长PAFC-CBF保质期到12个月，有效解决其保质时间相对较短问题，为PAFC-CBF大规模应用奠定基础。
　　对生物复合絮凝剂PAFC-CBF在不同絮凝条件下处理水源水的絮凝效果及絮凝特性进行研究，包括[Al+Fe]的形态分布、絮体的电荷特性、絮体形貌与尺寸、絮体破碎与恢复特性等。结果显示，PAFC-CBF对水源水中的污染物具有明显的去除效果。基于对生物复合絮凝剂PAFC-CBF絮凝特性分析的基础上，进一步阐明生物复合絮凝剂的絮凝机理。其絮凝作用机理为：首先，PAFC的吸附电中和作用使水中胶体颗粒脱稳凝聚，部分形成微絮体；其次，CBF本身带有多种活性官能团，如-NH2、-COOH、-OH等，能通过氢键、共价键等作用与脱稳的胶体颗粒吸附结合，由于CBF为两性物质，其本身带多种负电荷基团，能通过离子键和范德华力与PAFC结合，絮凝形成较大絮体，但沉降性能较差；最后，由于CBF分子链上带有大量相同电荷基团，之间形成斥力，使大分子物质充分展开，桥联作用得到充分发挥，最终形成粒径较大、沉降性能良好的大絮体。生物复合絮凝剂PAFC-CBF是在几种絮凝机理的作用下充分发挥各自的特点，共同到达协同增效作用。
　　通过对PAFC、CBF复合投加比例及投加方式处理水源水效能的研究。证明PAFC-CBF、PAFC+CBF絮凝性能优于单独投加PAFC、CBF+PAFC，并可以在较低投加量下获得相对较好的絮凝效果。进一步证明了投加适量CBF不会引起有机物增加，并对有机物去除有良好的强化絮凝作用。开发设计出一套絮凝沉淀设备，并基于该絮凝沉淀工艺开展了CBF强化絮凝处理各季节地表水源水效能研究。结果表明，微生物絮凝剂与PAFC复配后在不同季节均对浊度、色度、TOC、UV254有较好去除效果，絮凝过程中CBF能够起到良好的助凝增效作用。最佳复配浓度总体来看出现在CBF的投加量1-2mg/L范围内，综合水质、经济及技术因素等因素考虑：冬季低温期时，最佳复配浓度为CBF1mg/L与PAFC15mg/L，浊度去除率达到70.37%，色度去除率为47.37%，TOC去除率38.56%，UV254去除率37.44%；夏季高温期时，确定最佳CBF与PAFC的投药量为2mg/L和15mg/L，浊度去除率达到95.20%，色度去除率为83.33%，TOC去除率56.32%，UV254去除率48.61%；春秋转换期时，最佳复配浓度为CBF1mg/L与PAFC15-20mg/L，浊度去除率87.62%-90.56%，色度去除率80.00%-83.33%，TOC去除率37.53%-39.44%，UV254去除率64.62%-65.82%。
　　菌落总数随着春、夏、秋、冬的变化，出现先增加后降低的现象，夏季菌落总数最大，接近6×104CFU/mL；而冬季菌落总数最小，仅为550CFU/mL，而在春季、秋季典型季节转化期，菌落总数在1.6×1044CFU/mL-1.7×10CFU/mL之间。四个时期中，PAFC与CBF复配使用对菌落总数的去除效果均显著，去除效果显著高于单独投加PAFC处理组。在工艺运行过程中，不同时期不同运行条件过程中微生物群落发生明显变化，存在较大的微生物群落差异，证明了不同时期中投加CBF强化絮凝均能够有效控制细菌的种类及数量，对潜在致病菌具有良好去除效果。微生物絮凝剂CBF强化絮凝技术能有效提高给水工艺的安全保障，进一步降低后续消毒成本。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 地表水源水污染现状及强化絮凝处理技术研究进展

1.3 絮凝剂的研究进展

1.4 微生物絮凝剂研究进展

1.5 微生物絮凝剂CBF的开发和应用

1.6 课题目的和意义及主要研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

第3章 微生物絮凝剂CBF处理松花江水效能研究

3.1 引言

3.2 微生物絮凝剂CBF处理水源水的影响因素

3.3 微生物絮凝剂CBF处理低温低浊水效能

3.4 本章小结

第4章 生物复合絮凝剂PAFC-CBF的制备及其防腐保质研究

4.1 引言

4.2 PAFC-CBF的制备

4.3 PAFC-CBF结构形态表征

4.4 PAFC-CBF防腐保质性能研究

4.5 本章小结

第5章 PAFC-CBF絮凝特性及絮凝机理研究

5.1 引言

5.2 絮凝过程中[Al+Fe]水解形态

5.3 PAFC-CBF絮体形成过程研究

5.4 PAFC-CBF絮体破碎再絮凝特性

5.5 PAFC-CBF的投加对Zeta电位的影响

5.6 本章小结

第6章 基于絮凝沉淀工艺的微生物絮凝剂CBF中试效能及群落结构解析

6.1 引言

6.2 中试实验流程及设备开发

6.3 微生物絮凝剂CBF强化絮凝静态实验结果与分析

6.4 基于絮凝沉淀工艺微生物絮凝剂CBF强化絮凝效能

6.5 基于絮凝沉淀工艺的微生物去除效能及群落结构解析

6.6 本章小结

结论

创新点

展望与建议

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历