磁絮凝技術(shù)用于高濁海水淡化預(yù)處理工藝中的濁度去除

王 捷，楊灑灑，賈 輝，劉露露，文哲武，楊 光，郭勝男，白金鐸

（1.天津工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)天津市水質(zhì)安全評價與保障技術(shù)工程中心，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué) 分離膜與膜過程省部共建國家重點實驗室，天津 300387）

磁絮凝技術(shù)用于高濁海水淡化預(yù)處理工藝中的濁度去除

王 捷1，2，楊灑灑1，3，賈 輝1，2，劉露露1，3，文哲武1，3，楊 光1，3，郭勝男1，白金鐸1

（1.天津工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)天津市水質(zhì)安全評價與保障技術(shù)工程中心，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué) 分離膜與膜過程省部共建國家重點實驗室，天津 300387）

將磁絮凝技術(shù)用于高濁海水淡化預(yù)處理工藝中的濁度去除.運用Design-expert 8.0.6軟件設(shè)計實驗，以濁度去除率為考察指標(biāo)進(jìn)行燒杯實驗，確定在該海水水質(zhì)條件下混凝劑以及混凝劑與磁粉復(fù)配時的最佳投加量.響應(yīng)曲面法分析結(jié)果表明：單獨投加混凝劑時，在FeCl3投加量為31.15 mg/L時，濁度去除率達(dá)到最大值85.9%；加載磁粉強(qiáng)化混凝時，在FeCl3投加量為28.74 mg/L、Fe3O4投加量為6.02 mg/L時，濁度去除率達(dá)到最大值92.8%.通過加載磁粉，不僅可以減少混凝劑用量，而且對于海水濁度的去除率也明顯提高.

磁絮凝；高濁海水；淡化預(yù)處理；濁度去除；響應(yīng)曲面法

methodology（RSM）

海水淡化是對海水脫鹽處理制取淡水的過程.天津是我國海水淡化技術(shù)發(fā)展最快的地區(qū)之一，日處理量達(dá)到10萬t的包括北疆電廠、開發(fā)區(qū)新源電廠、大港新泉海水淡化廠等.而流入天津渤海灣的主要河流有泥沙含量大的黃河、海河等，而且其與外海域的自然交換很弱[1]，導(dǎo)致渤海灣泥沙淤積嚴(yán)重，固體懸浮物多，濁度高，海水溫度和濁度受氣象、季節(jié)變化等影響顯著[2].天然海水中的各種顆粒物表面均帶負(fù)電荷，且電性均勻，懸浮物表面極易吸附有機(jī)物而形成一層水化保護(hù)膜，正是由于表面帶電荷和有一層水化保護(hù)膜，使得海水中的懸浮物顆粒處于分散狀態(tài)而不易沉降[3].因此，在海水利用之前的預(yù)處理就顯得尤為重要.

由于海水濁度隨著季節(jié)以及潮汐的變化而波動較大，因此需要進(jìn)行預(yù)處理來降低原海水的濁度，而且隨著對濁度的去除，海水中的懸浮顆粒物、膠體物質(zhì)以及大分子有機(jī)物含量也可以得到相應(yīng)的降低[4].目前，海水淡化預(yù)處理中對濁度去除的常規(guī)方法主要是在海水中添加混凝劑[5].混凝機(jī)理可分為壓縮雙電層、吸附電中和、吸附架橋、網(wǎng)捕卷掃4種，這4種混凝機(jī)理往往可能是同時或交叉發(fā)揮作用[6].由于海水中含有大量的無機(jī)鹽，它們扮演著“惰性電解質(zhì)”的角色，使膠體顆粒的雙電層壓縮的足夠薄，故在其混凝過程中占主導(dǎo)地位的應(yīng)是吸附電中和機(jī)理與吸附架橋機(jī)理.

磁絮凝技術(shù)是通過在投加混凝劑的同時加載磁粉，使海水中污染物、磁粉、混凝劑結(jié)合為一體，形成“磁性復(fù)合體”，然后通過自身的快速沉降或磁分離裝置，實現(xiàn)固液分離，從而將污染物去除.磁技術(shù)作為一種高效的分離、凈化方法，在水以及餐飲廢水、印染廢水、電鍍廢水等處理領(lǐng)域的作用和地位日益凸顯[7-8].陳瑜等[9]以對COD、濁度、TP、氨氮的去除效果為考察指標(biāo)，對城市生活污水進(jìn)行磁絮凝試驗研究，發(fā)現(xiàn)磁絮凝工藝處理城市生活污水的效果要好于傳統(tǒng)混凝工藝，不僅能縮短絮凝與沉降時間，減少絮體體積，而且更易于實現(xiàn)固液磁分離.李繼香[10]考察了常規(guī)混凝和加載磁混凝工藝對微污染河水中COD、濁度和TP等污染物的去除效果，結(jié)果表明，加載磁種后沉淀顆粒的體積平均粒徑從常規(guī)混凝工藝的50.1 μm顯著增加到68.6 μm，污染物去除效果明顯優(yōu)于常規(guī)混凝工藝，尤其對濁度的去除效果得到了顯著提升.曾慧峰等[11]在對垃圾滲濾液的預(yù)處理中加載磁絮凝，測定了絮凝沉降后的絮體含水率，結(jié)果表明，絮體的含水率隨磁粉加入量增加而降低，而且磁絮體沉降速度比普通絮體快14倍，體積僅為普通絮體的1/3.加載磁粉能顯著增強(qiáng)混凝劑對海水中污染物的結(jié)合能力，減少混凝劑的用量，磁粉也可回收再利用，運行成本低.

近幾年來，加載磁粉強(qiáng)化混凝已廣泛地應(yīng)用于水處理的研究，但是磁絮凝技術(shù)應(yīng)用于海水淡化預(yù)處理卻報道較少.胡桂蘭等[12]以海水為試驗對象，研究了不同實驗條件下的強(qiáng)化混凝效應(yīng)，結(jié)果表明，三氯化鐵在去除濁度方面較其它混凝劑更有效.劉振耒等[13]利用磁鐵砂加載絮凝技術(shù)處理低溫低濁海水，得到了相同的實驗結(jié)論，磁鐵砂加載絮凝效果差異明顯，其中最好的為FeCl3；并且在低溫低濁狀態(tài)下，磁鐵砂加載絮凝與常規(guī)混凝相比，海水濁度的去除率由89.73%提升至92.87%.針對天津地區(qū)海水水質(zhì)特點，本文探討采用混凝劑加載磁粉進(jìn)行海水淡化預(yù)處理的工藝可行性，通過燒杯試驗確定混凝劑與磁粉復(fù)配的最佳投加量，與常規(guī)混凝進(jìn)行對比，以期提供一種更為高效的海水淡化預(yù)處理技術(shù).

1 實驗部分

1.1 材料與設(shè)備

所用材料包括:實驗用水，取自天津大港近岸表層海水，原海水水質(zhì)如表1所示；混凝劑，選用對水體的溫度和pH值適用范圍較廣的氯化鐵（FeCl3，分析純）作為混凝劑，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；強(qiáng)化絮凝的磁粉，選用四氧化三鐵（Fe3O4，分析純），天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品，使用孔徑為0.09 mm的S-8型分子篩對磁粉進(jìn)行篩分，選用粒徑為0～0.075 mm的磁粉進(jìn)行實驗.

表1 原海水水質(zhì)Tab.1 Quality of raw seawater

所用設(shè)備包括:ZR4-6型混凝實驗攪拌機(jī)，深圳市中潤水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司產(chǎn)品；S-8型分子篩，上虞市大地分樣篩廠產(chǎn)品；HM pH-200型pH計，韓國HM Digital公司產(chǎn)品；HACH 2100P型濁度儀，HACH 60A型COD測試儀，美國哈希公司產(chǎn)品；Alpha-1500型紫外可見分光光度計，上海譜元儀器有限公司產(chǎn)品；SANXIN MP515型電導(dǎo)率測試儀，上海三信儀表廠產(chǎn)品.

1.2 實驗方法

采用ZR4-6型混凝實驗攪拌機(jī)對所取海水進(jìn)行燒杯實驗，以200 r/min快速攪拌1 min，60 r/min慢速攪拌20 min，然后靜置20 min.在液面下2 cm處取其上清液測定濁度.運用Design-expert 8.0.6軟件設(shè)計實驗，根據(jù)響應(yīng)曲面（response surface methodology，RSM）分析分別確定單獨使用混凝劑以及混凝劑與磁粉復(fù)配的最佳投加量.

1.3 性能指標(biāo)測試

采用HM pH-200型pH計測試海水的pH值和溫度；采用HACH 2100P型濁度儀測試海水濁度；采用HACH 60A型COD測試儀測試海水CODMn；采用Alpha-1500型紫外可見分光光度計測試UV254；采用SANXIN MP515型電導(dǎo)率測試海水TDS和電導(dǎo)率.

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝劑最佳投加量的確定

以FeCl3投加量作為影響因素，以濁度去除率作為響應(yīng)值，運用Design-expert 8.0.6軟件設(shè)計實驗，考察只投加混凝劑時對海水濁度的去除效果.

在1 L海水中加入混凝劑FeCl3，使其質(zhì)量濃度分別為10、20、30、40、50 mg/L，按照表2中實驗順序進(jìn)行混凝燒杯試驗，結(jié)果如表2所示.濁度去除率真實值與預(yù)測值對比如圖1所示.

表2 常規(guī)混凝響應(yīng)曲面法試驗設(shè)計及結(jié)果Tab.2 RSM experiments and results of conventional coagulation

圖1 濁度去除率真實值與預(yù)測值對比圖Fig.1 Actual vs predicted value of turbidity removal

由表2中實驗數(shù)據(jù)可以得出，隨著混凝劑投加量的增加，海水濁度的去除率先由61.6%升高至84.5%后降低到67.1%；響應(yīng)曲面分析結(jié)果表明，當(dāng)混凝劑FeCl3質(zhì)量濃度為31.15 mg/L時，濁度去除率達(dá)到85.9%，為最佳值.而且由圖1可以看出，濁度去除率真實值與預(yù)測值比較接近，相關(guān)性系數(shù)為0.989.

2.2 混凝劑和磁粉復(fù)配最佳投加量的確定

為了研究混凝劑和磁粉投加量的最佳復(fù)配比，采用FeCl3和Fe3O4投加量作為影響因素，濁度去除率作為響應(yīng)值，運用Design-expert 8.0.6軟件設(shè)計實驗.使用六聯(lián)攪拌機(jī)進(jìn)行燒杯實驗，每次取1 L海水按照表3設(shè)計的實驗分別投加混凝劑和磁粉，按1.2方法進(jìn)行實驗，結(jié)束后測定上清液的濁度，考察加載磁粉時對海水濁度的去除效果，用響應(yīng)曲面法分析不同投加量時的實驗結(jié)果，以確定混凝劑與磁粉復(fù)配時的最佳投加量.結(jié)果如表3和圖2所示.

表3 磁絮凝響應(yīng)曲面法試驗設(shè)計及結(jié)果Tab.3 RSM experiments and results of magnetic flocculation

圖2 響應(yīng)曲面法分析結(jié)果Fig.2 Results of RSM

由圖2（a）可以看出，隨著混凝劑FeCl3和磁粉Fe3O4投加量的改變，對濁度的去除率呈現(xiàn)先增高再降低的趨勢；響應(yīng)曲面分析結(jié)果表明，在FeCl3質(zhì)量濃度為28.74 mg/L、Fe3O4質(zhì)量濃度為6.02 mg/L時，濁度去除率達(dá)到最大值92.8%.而單獨投加混凝劑時，在FeCl3質(zhì)量濃度為31.15 mg/L時，濁度的去除率達(dá)到最大值僅為85.9%.因此，混凝劑與磁粉復(fù)配不僅可以降低混凝劑的用量，而且明顯提高濁度的去除率.圖2（b）為濁度去除率真實值與預(yù)測值對比圖，可以看出，去除率真實值與預(yù)測值均勻地分布在直線兩側(cè)，表明實際操作結(jié)果的可靠性良好.

表4所示為混凝劑與磁粉投加量對于海水濁度去除率影響的相關(guān)性分析.

表4 響應(yīng)曲面建立模型的F值結(jié)果Tab.4 F values of RSM model

由表4中的F值可以看出，混凝劑投加量對于濁度去除率的影響較為顯著，而磁粉對其影響并不很顯著.投加磁粉更多的是增加了絮體的比重，增大了絮體粒徑，縮小了絮體體積.混凝效果影響后續(xù)的沉淀過程，加載磁粉的混凝過程可以縮短沉淀時間，提高沉淀效率，縮小沉淀池容積.

2.3 常規(guī)混凝與磁絮凝的經(jīng)濟(jì)性分析

以處理量為100 000 m3/d的某海水淡化廠為例，采用常規(guī)混凝方法進(jìn)行預(yù)處理，需要消耗FeCl3的量為3 115 kg/d，高品質(zhì)FeCl3混凝劑的價格以24元/kg計，則混凝劑的投資為74 760元/d；而采用磁絮凝技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理時，需要消耗FeCl3的量為2 874 kg/d，混凝劑的投資為68 976元/d.雖然磁絮凝技術(shù)需要在混凝時加載磁粉，增加投資，但是可以通過磁回收裝置達(dá)到80%的回收率，該處理量下需要消耗磁粉為602 kg/d，其價格以20元/kg計，則對磁粉的投資為2 408元/d.因此，采用磁絮凝技術(shù)，對藥劑的投資可減少3 136元/d.更重要的是，通過磁絮凝工藝，對高濁海水濁度的去除由85.9%顯著提高到92.8%.綜上所述，加載磁粉強(qiáng)化混凝不僅可以降低混凝劑藥耗，降低工程投資和運行成本，而且較好的出水水質(zhì)可以降低后續(xù)處理工藝負(fù)擔(dān).由此說明，磁絮凝技術(shù)在海水淡化預(yù)處理領(lǐng)域極具應(yīng)用前景.

3 結(jié)論

以天津地區(qū)某區(qū)域海水為對象，進(jìn)行磁強(qiáng)化混凝預(yù)處理研究，結(jié)果表明:

（1）只投加混凝劑FeCl3，其投加量為31.15 mg/L時，濁度的去除率達(dá)到85.9%，為最大值.且濁度去除率真實值與預(yù)測值比較接近，相關(guān)性系數(shù)為0.989.

（2）當(dāng)混凝劑與磁粉復(fù)配時，在FeCl3投加量為28.74 mg/L、Fe3O4投加量為6.02 mg/L時，濁度去除率達(dá)到最大值為92.8%.

（3）以濁度為考察指標(biāo)，相對于磁粉Fe3O4來說，混凝劑FeCl3對海水中濁度的去除效果更為顯著，而投加磁粉不僅可以降低混凝劑投加量，而且對于濁度的去除率也明顯提高.

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M agnetic flocculation technology in turbidity removal of high turbidity seawater for desalination pretreatment

WANG Jie1，2，YANG Sa-sa1，3，JIA Hui1，2，LIU Lu-lu1，3，MUN Chol-mu1，3，YANG Guang1，3，GUO Sheng-nan1，BAI Jin-duo1
（1.School of Environmental and Chemical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Tianjin Engineering Center for Safety Evaluation of Water Quality&Safeguards Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；3.State Key Laboratory of Seperation Membranes and Membrane Processes，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

The magnetic flocculation technology was utilized in the turbidity removal of high turbidity seawater in the pretreatment process for desalination.Beaker tests designed by Design-expert 8.0.6 were conducted for this type of seawater to acquire the turbidity removal rates，which determined the optimum dosages of coagulant and the combination of coagulant with magnetite.The results of response surface methodology （RSM）demonstrated that when the dosage of ferric chloride（FeCl3）was 31.15 mg/L，turbidity removal rate reached the maximum 85.9%；meanwhile，if magnetic enhanced flocculation was used，turbidity removal rate reached the maximum 92.8% when the dosages of ferric chloride（FeCl3）and magnetite（Fe3O4）were 28.74 mg/L and 6.02 mg/L，respectively. By magnetic enhanced flocculation，the dosage of coagulant can be reduced and the turbidity removal rate will increase obviously.

magnetic flocculation；high turbidity seawater；desalination pretreatment；turbidity removal；response surface

X55

A

1671－024X（2015）04－0018－04

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.04.004

2015-04-22

國家自然科學(xué)基金資助項目（51378349）；天津市科技興海項目（KJXH2012-5）；長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃項目（IRT13084）

王 捷（1979—），男，博士，教授，研究方向為膜法水處理技術(shù).E-mail:wangjie@tjpu.edu.cn