超聲強化混凝技術(shù)在給水處理中的研究

呂淑清，杜鵑山，高 飛

(1.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;3.山東青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266520)

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)進程的加速，工業(yè)的不斷發(fā)展和擴大，對水量的需求越來越大，一些行業(yè)的特點使得其對水質(zhì)的要求也越來越高。水資源短缺已成為今后最突出的資源與環(huán)境問題，水資源短缺問題突出表現(xiàn)在因水質(zhì)污染所造成的功能性短缺上。特別是隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)人口的劇增，大量工業(yè)廢水和生活污水不經(jīng)處理或處理不達標(biāo)而直接排放，使我國許多城鎮(zhèn)的地表水水源受到了不同程度的污染，地表水中有機物的種類和數(shù)量大大增加[1－2]。造成了目前水源水存在的微污染問題。

火力發(fā)電廠用水量大，對水質(zhì)要求高[3]，尤其是大容量、高參數(shù)機組的鍋爐補給水，水質(zhì)要求更為嚴(yán)格，所以在電廠運行中要保證補給水達標(biāo)，以確保機組安全經(jīng)濟運行。本課題針對電廠給水處理中的預(yù)處理部分，進行強化混凝，以提高對水中為污染物質(zhì)的去除效率。主要針對水中的懸浮物、膠體、硅和有機物進行了實驗。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置與材料

本實驗的原水為地下水加入粘土混合，主要藥品有硫酸鋁，鉬酸銨，可溶性硅酸鈉，重鉻酸鉀和硫酸銀等，均由蒸餾水配制。實驗中涉及的主要儀器包括濁度儀(上海精密科學(xué)儀器有限公司)，721分光光度計(上海精密科學(xué)儀器有限公司)，pH－211(HANNA)，數(shù)顯恒溫水浴鍋HH－4(金壇市鑫鑫實驗儀器廠)和數(shù)字超聲CD－7810(A)清洗器(42 kHZ)。

混凝實驗利用燒杯實驗，加入混凝劑攪拌后沉淀一定時間后用注射針管取樣進行濁度檢測。當(dāng)用超聲波作用時，應(yīng)該在超聲作用后立即加入混凝劑攪拌，再沉淀取樣。硅含量的測定按照GB6903－86鍋爐用水和冷卻水分析方法通則[5]。重鉻酸鉀指數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)實驗方法測定[4]。

1.2 實驗原理

1.2.1 強化混凝理論

利用強化混凝去除水中的有機物(特別是腐殖質(zhì))被證明是有效的方法，作用機理主要有以下三種[6－9]:

(1)通過雙電層縮壓、電中和、網(wǎng)捕或架橋作用使膠體脫穩(wěn);

(2)由沉降速度差造成的差降沉降作用;

(3)主要通過表面吸附非同類構(gòu)造的分子而產(chǎn)生的共同(協(xié)同)沉降作用。

1.2.2 超聲強化混凝原理

原理和去除有機物的原理類似，由于不同的原理對應(yīng)不同的使用的對象。主要有絮凝作用，機械剪切作用，空化理論，自由基理論。機械剪切作用已經(jīng)被用于強化混凝去除藍藻上使用[10]。后兩者的作用主要去除難降解有機物以強化混凝，而絮凝作用很可能對去除濁度有效果。

1.3 結(jié)果與討論

1.3.1 確定混凝劑最佳投藥量

為確定混凝劑最佳投藥量，采取單一變量原則，在保持溫度和pH值不變的情況下選擇不同的混凝劑投加量。原水的濁度97 NTU，pH=7.44，溫度T=18.0℃，選擇五只1 L燒杯，取原水800 mL，加入配制的硫酸鋁，四小時后測定濁度。實驗數(shù)據(jù)如表1。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析得出最佳的加藥量為2.0 mL～2.1 mL之間，在實驗中選擇了 2.1 mL作為最佳投藥量進行以下的實驗。2.1 mL換算成投加硫酸鋁的，根據(jù)計算原則可以計算出Al元素的含量為6.384 mg/L。

1.3.2 確定混凝的最佳溫度

溫度是影響混凝過程的主要因素。溫度過低時，絮凝體形成緩慢，絮凝顆粒細小，混凝效果差;水溫過高時，混凝劑水解反應(yīng)速度過快，絮體松散不易沉降[11]。因此要尋找混凝過程中的最佳條件必須要考慮溫度的影響，本實驗選取了11℃到20℃的范圍，在混凝劑投加量為2.1 mL的情況下，每隔1℃做一次實驗，以獲取最佳溫度，獲得的具體數(shù)據(jù)見表2。

由上表可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原水濁度相同時，濁度隨著時間的變化很有規(guī)律，隨著溫度的升高，濁度降低明顯，但是達到18℃以后，濁度又有所提升。表明了最佳的混凝溫度為17℃～18℃，可以選擇作為接下來實驗中的最佳溫度。

1.3.3 確定混凝的最佳pH值

混凝的效果和溶液的pH有很大的關(guān)系，對于硫酸鋁而言，水的pH值直接影響Al3+的水解聚合反應(yīng)。實驗確定了最佳pH值。溫度和投加量根據(jù)1.3.2 和 1.3.3 的結(jié)論選擇，為2.1 mL和18℃。不同的pH對應(yīng)的混凝后的濁度數(shù)據(jù)見表3。

由實驗可知在酸性條件下效果最差，當(dāng)pH=7.20時(也就是原水的pH)，效果最好，雖然當(dāng)pH增大到9.5左右時效果會提升但仍然沒有pH=7.2時效果好，經(jīng)分析研究，這是由于鋁鹽的水解產(chǎn)物決定的。當(dāng)pH在4～5時，水中產(chǎn)生較多的多核羥基配合物([Al2(OH)2]4+，[Al3(OH)4]5+);當(dāng)pH在6.5～7.5的中性范圍內(nèi)，水解產(chǎn)物將以Al(OH)3為主;在堿性pH＞8.5時，水解產(chǎn)物以負離子狀態(tài)出現(xiàn)，無法吸附膠體。而且從工業(yè)實際出發(fā)，調(diào)節(jié)pH是很麻煩和浪費的措施，綜合效果和成本問題，還是選擇pH=6.5～7.5為宜，即原水無需調(diào)節(jié)pH值。

表1 不同加藥量下原水反應(yīng)后的最終濁度(NTU)

表2 不同溫度條件下原水反應(yīng)后的最終濁(NTU)

表3 不同pH值條件下原水反應(yīng)后的最終濁度(NTU)

1.3.4 超聲波對濁度的去除的影響

實驗選擇超聲波的作用時間為10 s～60 s[12]，每隔10 s取樣，先用超聲波作用于原水后立即加藥進行混凝。混凝的其他條件為pH=7.20，T=18℃，加藥量2.1 mL，原水濁度為49.9 NTU。實驗數(shù)據(jù)如表4和圖1。

表4 超聲作用不同時間下反應(yīng)后的濁度(NTU)及去除率

由表中發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲波的時間為30 s時效果最好，而當(dāng)時間超過30 s，效果下降。另外對比不加超聲的小組，發(fā)現(xiàn)整體混凝效果對濁度的去除率并沒下降多少，但是最終濁度低了1.23 NTU，查閱文獻知道濁度越低越難去除，因此不能僅依靠去除率衡量，而應(yīng)該以最終的濁度來看，兩者的差距很大，因此可以說超聲除濁度是很有效果的。

圖1 超聲波作用時間對混凝的影響

進行本組實驗之前由于不了解超聲波的作用形式，所以操作時就一邊用超聲波震動，一邊加藥混凝，但是根據(jù)實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)最終濁度比原始的還要高或者接近，就是由于超聲波將絮體打碎了，無法沉降所以無法測出結(jié)果。

另外根據(jù)張光明等的有關(guān)超聲的研究表明投加超聲波應(yīng)該為加藥之前，而且最佳時間為30 s以內(nèi)[12－13]，這個結(jié)論基本符合本實驗的結(jié)果。

1.3.5 超聲強化混凝對水中全硅的去除

圖2 超聲波對混凝除硅的影響

表5 超聲作用時間不同情況下的除全硅效果

在最佳混凝條件下(pH=7.20，T=18℃，加藥量2.1 mL)，加入超聲的作用時間分別為0s，10 s，20 s，30 s，取樣10 mL檢測混凝后水中全硅，數(shù)據(jù)記錄于表5，根據(jù)數(shù)據(jù)擬見圖2。原水的全硅含量為7.91 mg/L，但是實驗發(fā)現(xiàn)加入超聲并沒有起到很好的作用，單獨混凝的去除率為15.8%，而效果最好的也只有22.75%，去除效率都很低。如果僅僅為了除硅而加入超聲是不經(jīng)濟的，但是結(jié)合了去除濁度的效果，因此總體來看還是比較經(jīng)濟的。超聲的時間應(yīng)根據(jù)去除濁度而定，除硅基本效果相差不大。

1.3.6 超聲強化混凝對天然水中有機物的去除

在最佳混凝條件下(T=18℃，pH=7.20，加藥量2.1 mL)進行超聲強化實驗，分別作用時間為0 s、10 s、20 s、30 s，取樣測定水中的COD值來考察超聲作用對混凝過程中對有機物的去除效果。具體數(shù)據(jù)見下表6和圖3。

表6 超聲下的有機物測定結(jié)果(以重鉻酸鉀指數(shù)計)

由表5和圖3可知在超聲波的作用下混凝過程對有機物的去除效果非常明顯，在作用30 s的時候去除率可以達到90.85%，比不用超聲波的效率高出了22.58%，而且30 s時刻也符合前面關(guān)于濁度和全硅的結(jié)論，因此實驗證明超聲強化對有機物的去除具有明顯作用。

圖3 超聲波作用下混凝過程對有機物去除的影響

2 結(jié) 論

通過最佳混凝條件的選擇和接著進行超聲波強化作用的一系列試驗，檢測出濁度、全硅和有機物的變化情況，得出如下結(jié)論:

(1)本次實驗用水采用地下水加入部分粘土，得出的最佳混凝條件是溫度T=17－18℃，pH=6.5－7.5(本實驗原水 pH 為7.20)，最佳投藥量為2.1 mL(800 mL燒杯)即 Al的含量為6.384 mg/L。

(2)當(dāng)加入超聲作用時，為不破壞絮體的形成，必須在加藥前作用，而且必須停止即加藥，否則最后絮體破碎，無法沉降。

(3)當(dāng)單獨使用混凝劑的效果沒有超聲作用好，經(jīng)過超聲30 s對3濁度去除效果最好，能比傳統(tǒng)混凝低1.23 NTU，當(dāng)作用時間超過30 s，效果下降，但是仍然比傳統(tǒng)混凝好。

(4)當(dāng)超聲混凝除全硅時效果并不明顯，和傳統(tǒng)混凝的效果基本相差無幾，但是作為除濁度的輔助作用存在。

(5)當(dāng)超聲去除有機物時效果很明顯去除率最大達到90.85%，而且超聲作用時間越長，有機物去除率越高，但是除濁的效率下降，因此時間選在30 s左右最好。

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