晶種加速沉淀軟化去除反滲透濃水中硬度的研究*

韋曉竹，李博文，朱榮志，趙加怡

(福建工程學(xué)院生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，福建 福州 350118)

反滲透技術(shù)是一種清潔高效的凈水技術(shù)，已在給水及污水處理領(lǐng)域有著廣泛的工程應(yīng)用。其在提供優(yōu)質(zhì)出水的同時(shí)，根據(jù)其收率的不同，會(huì)產(chǎn)生一定體積的濃水。濃水的性質(zhì)與其進(jìn)水性質(zhì)高度相關(guān)，在反滲透技術(shù)應(yīng)用于污水處理時(shí)，反滲透濃水通常具有高有機(jī)物含量及高含鹽量的特點(diǎn)，如不經(jīng)處理排入環(huán)境，則會(huì)對(duì)受納水體產(chǎn)生污染。

對(duì)于濃水中硬度的去除，化學(xué)試劑軟化法是常見(jiàn)且較有效的一種方法，通過(guò)向濃水中加入堿劑，從而提高其pH值，使其中的Ca2+和Mg2+等結(jié)垢性鹽類(lèi)達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)而從濃水中沉淀下來(lái)[1-3]。化學(xué)沉淀是一種有效的硬度去除方法，但是通常存在化學(xué)藥劑耗量大、沉泥體積大、難于泥水分離等缺點(diǎn)[4-5]，引入晶種，能有效的解決化學(xué)試劑軟化法的不足[6]，見(jiàn)諸報(bào)道的晶種包括磷酸鈣、碳酸鈣、硫酸鈣等[7-9]。粉末活性炭是成熟有效的去除濃水中有機(jī)物的物質(zhì)，基于處理濃水后活性炭再利用的考慮，本文擬采用廢棄粉末活性炭作為晶種，應(yīng)用于濃水中硬度的去除，初步考察其去除效果及技術(shù)可行性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要試劑與儀器

試劑：無(wú)水氯化鈣，分析純；無(wú)水氯化鎂，分析純；無(wú)水碳酸鈉，分析純；活性炭(粉)；均購(gòu)自天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。

儀器：JJ-4六聯(lián)攪拌機(jī)，常州國(guó)華電器有限公司；TAS-990原子吸收分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 模擬反滲透濃水的配制

取福州市某市政污水處理廠出水，水質(zhì)如表1所示。通過(guò)投加無(wú)水氯化鈣和無(wú)水氯化鎂，提高其鈣和鎂離子濃度，作為本研究中的模擬反滲透濃水，下文簡(jiǎn)稱(chēng)濃水。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[10]，回用污水處理廠出水產(chǎn)生的反滲透濃水的硬度為289～1233 mg/L之間，平均值為832 mg/L。根據(jù)表1中鈣和鎂的含量比，配制后濃水的總硬度(As CaCO3)為1228 mg/L，Ca2+為392.8 mg/L，Mg2+為60 mg/L。

表1 福州某市政污水處理廠出水水質(zhì)

1.2.2 硬度去除試驗(yàn)

(1)廢棄粉末活性炭的制備

取500 mL燒杯，加入500 mL污水處理廠出水，加入1 g 粉末活性炭(Powder activated carbon, PAC)，通過(guò)六聯(lián)攪拌機(jī)于120 rpm下攪拌20 min，然后通過(guò)抽濾裝置將吸附了有機(jī)物的PAC截留于0.22 μm的微濾膜上，完成廢棄PAC的制備。

(2)攪拌時(shí)間的確定

取5個(gè)500 mL燒杯，分別加入500 mL濃水，1 g廢棄PAC，5 mL濃度為100 g/L的Na2CO3溶液，然后通過(guò)六聯(lián)攪拌機(jī)在120 rpm轉(zhuǎn)速下分別攪拌3、5、7、10、15、20 min后，通過(guò)抽濾裝置使沉淀與水分離，測(cè)水中硬度。同時(shí)做平行實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)取平均值。

(3)攪拌轉(zhuǎn)速的確定

取5個(gè)500 mL燒杯，分別加入500 mL濃水，1 g廢棄PAC，5 mL濃度為100 g/L的Na2CO3溶液，然后通過(guò)六聯(lián)攪拌機(jī)在確定的時(shí)間下分別于60、90、120、150、180 rpm攪拌后，通過(guò)抽濾裝置使沉淀與水分離，測(cè)水中硬度。同時(shí)做平行實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)取平均值。

(4)無(wú)晶種與有晶種時(shí)去除效果的比較

取6個(gè)500 mL燒杯，分別加入500 mL濃水和5 mL濃度為100 g/L的Na2CO3溶液，在已確定的轉(zhuǎn)速下分別攪拌3、5、7、10、15、20 min后，通過(guò)抽濾裝置使沉淀與水分離，測(cè)水中硬度。以研究無(wú)晶種時(shí)硬度的去除效果，同時(shí)做平行實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)取平均值。

取6個(gè)500 mL燒杯，分別加入1 g廢棄PAC，500 mL濃水和5 mL濃度為100 g/L的Na2CO3溶液，在已確定的轉(zhuǎn)速下分別攪拌3、5、7、10、15、20 min后，通過(guò)抽濾裝置使沉淀與水分離，測(cè)水中硬度。以研究有晶種時(shí)硬度的去除效果，同時(shí)做平行實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)取平均值。

(5)連續(xù)運(yùn)行時(shí)硬度去除效果的研究

取500 mL燒杯，分別加入1 g廢棄PAC，500 mL濃水和5 mL濃度為100 g/L的Na2CO3溶液，在已確定的轉(zhuǎn)速和時(shí)間下攪拌，然后靜置10 min，使沉淀明顯沉降至燒杯底部，然后通過(guò)虹吸法吸出400 mL水，保存，以備測(cè)出水硬度，此時(shí)完成第1次運(yùn)行。向燒杯中加入400 mL濃水，加入5 mL濃度為100 g/L的Na2CO3溶液，利用燒杯中已有的晶種，在相同的轉(zhuǎn)速和時(shí)間下進(jìn)行軟化實(shí)驗(yàn)，靜置10 min后，虹吸法吸出400 mL水，保存，以備測(cè)出水硬度，此時(shí)完成第2次運(yùn)行。如此往復(fù)，考察連續(xù)運(yùn)行時(shí)硬度的去除效果。同時(shí)做平行實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)取平均值。

1.3 檢測(cè)方法

實(shí)驗(yàn)(2)～(4)通過(guò)EDTA滴定法測(cè)定水中總硬度[11]，實(shí)驗(yàn)(5)通過(guò)原子吸收分光光度法測(cè)定水中硬度[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 攪拌時(shí)間的確定

攪拌時(shí)間對(duì)硬度去除效果的影響如圖1所示。

圖1 攪拌時(shí)間對(duì)硬度去除效果的影響Fig.1 The effect of stirring time on the removal of hardness

由圖1可知，在120 rpm的攪拌轉(zhuǎn)速下，水中的硬度前期下降速度較快，在10 min內(nèi)由1228 mg/L降至300 mg/L；在10～20 min時(shí)間段，硬度下降速度較慢，由300 mg/L降至285 mg/L。基于確保硬度得到更有效去除的考慮，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選定時(shí)間為20 min。

2.2 攪拌轉(zhuǎn)速的確定

攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)硬度去除效果的影響如圖2所示。

圖2 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)硬度去除效果的影響Fig.2 The effect of stirring speed on the removal of hardness

由圖2可知，在相同的攪拌時(shí)間(即20 min)條件下，攪拌轉(zhuǎn)速為60、90 rpm時(shí)，硬度去除效果基本相同，硬度由1228 mg/L降至325 mg/L；當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至120 rpm時(shí)，硬度降至280 mg/L；當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至180 rpm時(shí)，硬度降至277 mg/L；轉(zhuǎn)速由120 rpm增加至180 rpm時(shí)，硬度的去除幾乎沒(méi)有得到增加。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選定的轉(zhuǎn)速為120 rpm。

2.3 晶種的投加對(duì)硬度去除效果的影響

晶種的投加對(duì)硬度去除效果的影響如圖3所示。

圖3 晶種的投加對(duì)硬度去除效果的影響Fig.3 The effect of seed addition on the removal of hardness

由圖3可知，在所考察的時(shí)間內(nèi)，晶種的投加能顯著提高硬度去除的效率。10 min時(shí)，在有晶種的情況下，硬度已從1228 mg/L降至300 mg/L，去除率達(dá)75.6%；而沒(méi)有晶種的情況下，20 min時(shí)，硬度從1228 mg/L降至325 mg/L，去除率為73.5%，此時(shí)，硬度的去除效果接近有晶種時(shí)10 min的去除效果。

2.4 連續(xù)運(yùn)行時(shí)硬度的去除效果

連續(xù)運(yùn)行時(shí)硬度的去除效果如圖4所示。

圖4 連續(xù)運(yùn)行時(shí)硬度的去除效果Fig.4 The removal efficiency of hardness under continuous operation mode

由圖4可知，連續(xù)運(yùn)行20次，出水硬度由287 mg/L降至106 mg/L，去除率(每次的出水硬度與每次初始硬度之比)由77%增至90%。去除效果的提升，可能是由于兩個(gè)方面原因造成的：一是由于相較于第一次運(yùn)行，后續(xù)每次開(kāi)始時(shí)初始硬度經(jīng)過(guò)稀釋后都有所降低(因?yàn)楹罄m(xù)每次進(jìn)水都是400 mL，與燒杯中剩余的100 mL溶液混合后開(kāi)始硬度去除實(shí)驗(yàn))，而Na2CO3的投量是一樣的，這給硬度去除率的提高帶來(lái)了一定的作用；二是隨著運(yùn)行次數(shù)的增加，附著于PAC上的沉淀增加導(dǎo)致PAC尺寸增加，PAC尺寸增加有助于鈣鎂離子與軟化劑的結(jié)合，這需要對(duì)晶種進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

3 結(jié) 論

(1)廢棄PAC作為晶種，可顯著提高硬度的去除效率。在初始硬度為1228 mg/L，晶種為2 g/L，碳酸鈉為1 g/L，轉(zhuǎn)速為120 rpm時(shí)，10 min時(shí)硬度去除率可達(dá)75.6%，而沒(méi)有晶種時(shí)，達(dá)到相似硬度去除效果，則需20 min。

(2)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，硬度去除效果隨著運(yùn)行次數(shù)的增加而增加，連續(xù)運(yùn)行20次時(shí)，出水硬度由287 mg/L降至106 mg/L，去除率由77%增至90%。

(3)廢棄PAC作為晶種時(shí)，可顯著提高硬度去除效率；且連續(xù)運(yùn)行時(shí)，硬度去除效果隨著運(yùn)行次數(shù)的增加而增加。因此，廢棄PAC作為晶種加速沉淀軟化去除濃水中硬度，方法初步可行。