磁絮凝膜過(guò)濾與藥劑軟化組合工藝處理高硬度原水的試驗(yàn)

龐治邦，姚吉倫，周　振，劉　波

(中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院　a.國(guó)防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系；

b.國(guó)家救災(zāi)應(yīng)急裝備工程技術(shù)研究中心，重慶　401331)

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龐治邦a，姚吉倫b，周振a，劉波a

(中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院a.國(guó)防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系；

b.國(guó)家救災(zāi)應(yīng)急裝備工程技術(shù)研究中心，重慶401331)

摘要：介紹了磁絮凝-膜過(guò)濾與藥劑軟化組合工藝降低原水硬度的原理。研究了石灰投加量、絮凝劑投加量、磁粉投加量以及沉淀時(shí)間等因素對(duì)試驗(yàn)效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：組合工藝能有效降低水的硬度，且出水水質(zhì)、水量穩(wěn)定；膜通量衰減較慢且清洗后通量恢復(fù)情況良好。

關(guān)鍵詞：硬度；磁絮凝；膜過(guò)濾；石灰軟化

水的硬度是指水中鈣、鎂離子的含量。高硬度的水會(huì)給生活和生產(chǎn)帶來(lái)很多不便甚至危害。日常生活中，硬水會(huì)使肥皂產(chǎn)生的泡沫減少，降低肥皂的去污能力；硬水也會(huì)使衣服纖維變硬，失去靚麗光彩。在工業(yè)生產(chǎn)方面，硬水會(huì)使產(chǎn)品質(zhì)量下降，生產(chǎn)成本增加；鍋爐使用硬水會(huì)使管道和爐內(nèi)結(jié)垢，降低鍋爐使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致鍋爐爆炸。健康方面，飲用水硬度高是導(dǎo)致腎結(jié)石的一個(gè)原因。此外，通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)飲用水硬度與心血管疾病的發(fā)病率成正比。

目前，降低飲用水中硬度的方法主要有藥劑軟化、離子交換、電滲析和反滲透4種方法。其中，藥劑軟化法成本低、操作簡(jiǎn)單，尤其對(duì)于只去除鈣、鎂離子的飲用水處理有很大的優(yōu)勢(shì)[1]。但在藥劑軟化工藝處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量沉淀，使?jié)岫壬摺楸ＷC出水濁度符合規(guī)范要求就需要投加大量的絮凝劑，尤其是鋁鹽絮凝劑，會(huì)使水中鋁鹽超標(biāo)[2]。而磁絮凝技術(shù)不僅能強(qiáng)化絮凝效果、加速絮體沉淀，而且能減少絮凝劑投加量[3-7]。膜過(guò)濾技術(shù)能有效截留水中的懸浮物、細(xì)菌、藻類、有機(jī)物等，保證出水水質(zhì)[8-11]。本試驗(yàn)采用磁絮凝-膜過(guò)濾組合工藝對(duì)重慶某地區(qū)地下水進(jìn)行處理，以期為硬水軟化提供技術(shù)參考。

1材料和方法

1.1原水水質(zhì)

試驗(yàn)原水水質(zhì)見表1。

表1　試驗(yàn)原水水質(zhì)

1.2主要分析方法

硬度：絡(luò)合滴定法；堿度：酸堿滴定法；濁度：采用濁度儀測(cè)量；pH：采用pH計(jì)測(cè)量。

1.3試驗(yàn)儀器與試劑

六聯(lián)混凝攪拌儀(金壇市白塔石英玻儀廠生產(chǎn)，JJ-4A)；濁度儀(美國(guó)HACH 2100AN)；pH計(jì)(便攜式pH計(jì)，pHB-3)；電子精密天平(奧豪斯國(guó)際貿(mào)易有限公司生產(chǎn)，AR2130)；微濾膜裝置(北京碧水源公司生產(chǎn)的PVDF中空纖維微濾膜，壓力為外壓正壓式，膜孔徑為0.1 μm)。

CaO(分析純)；磁粉(主要成份為Fe3O4，黑色粉末)；聚合氯化鋁(PAC，Al2O3含量為30%，工業(yè)級(jí))。

1.4試驗(yàn)方法

混凝試驗(yàn)在六聯(lián)攪拌器上進(jìn)行。分別取1 L原水于燒杯中，加入一定量的石灰和磁粉，快速攪拌(350 r/min)1 min。加入一定量的PAC混凝劑，轉(zhuǎn)速不變攪拌2 min，然后慢速攪拌(70 r/min)10 min，靜置5 min后，在水面下2 cm處取沉淀后水樣。將沉淀后的上清液通過(guò)微濾膜進(jìn)行過(guò)濾處理。取過(guò)濾后水樣和沉淀后水樣，用鹽酸進(jìn)行酸堿度回調(diào)至pH=8，測(cè)定水樣的硬度、堿度、濁度等指標(biāo)。根據(jù)各指標(biāo)情況，探討石灰投加量、絮凝劑投加量、磁粉投加量、沉淀時(shí)間等因素對(duì)硬度去除效果及出水濁度的影響，進(jìn)而探討其作用機(jī)理。試驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)流程

2結(jié)果與討論

2.1硬度和堿度的處理效果

2.1.1硬度的處理效果

圖1、2分別給出了沉淀后硬度、過(guò)濾后硬度與石灰投加量的關(guān)系。可以看出：隨著石灰投加量的增大，水中硬度不斷降低，表明石灰對(duì)水中硬度有顯著的去除效果。當(dāng)石灰投加量超過(guò)240 g/L時(shí)，水中硬度去除率明顯增大。當(dāng)投加量為280 mg/L時(shí)，沉淀后硬度、過(guò)濾后硬度分別為216.22 mg/L和166.22 mg/L，去除率分別達(dá)到了48.3%和60.3%。這是因?yàn)槭壹尤胨泻蟀l(fā)生了下列反應(yīng)：

CO2+ Ca(OH)2→CaCO3↓+H2O

Ca(HCO3)2+Ca(OH)2→2CaCO3↓+2H2O

Mg(HCO)2+Ca(OH)2→CaCO3↓+MgCO3+2H2O

MgCO3+ Ca (OH)2→2CaCO3↓+Mg(OH)2↓

2NaHCO3+Ca(OH)2→CaCO3↓+Na2CO3+2H2O

圖3　石灰投加量對(duì)過(guò)濾后硬度的影響

2.1.2堿度的處理效果

圖4為水中堿度與石灰投加量的關(guān)系?？梢钥闯觯杭尤胧夷苡行Ы档退袎A度，在投加量為260 mg/L之前，水中堿度隨石灰投加量的增加下降迅速，之后處于平緩。當(dāng)投加量為260 mg/L時(shí)，水中堿度為40.04 mg/L。

處理后水質(zhì)要求達(dá)到硬度小于等于200 mg/L和總堿度小于等于250 mg/L時(shí)，加熱沸騰后基本無(wú)沉淀物[12]。因此，為節(jié)省藥劑和保留水中部分硬度，石灰投加量定為280 mg/L。

圖4　石灰投加量對(duì)過(guò)濾后堿度的影響

2.2絮凝劑投加量對(duì)濁度去除效果的影響

圖5為絮凝劑投加量對(duì)水中濁度的影響情況。投加石灰軟化劑經(jīng)過(guò)攪拌反應(yīng)后水中濁度大大提高，水呈渾濁狀態(tài)。投加絮凝劑后濁度明顯降低，且隨著絮凝劑投加量的增加水中濁度不斷降低。在絮凝劑投加量為40 mg/L時(shí)，濁度為16.8 NTU，但濁度的下降速率有所減慢。這是因?yàn)椋和都邮液笊闪舜罅康腃aCO3、Mg(OH)2的晶體，使?jié)岫却蟠笊?。投加絮凝劑后生成的多核羥基配合物對(duì)膠體起電性中和作用，生成的電中性氫氧化鋁聚合物起吸附作用，使水中懸浮物和沉淀物得到有效去除，濁度降低。之后雖增加了絮凝劑的投藥量，但仍有部分懸浮膠體不能通過(guò)混凝沉淀去除，故隨著絮凝劑投加量的增加濁度下降速率有所減慢?？紤]到節(jié)省藥劑和減輕后續(xù)膜過(guò)濾的污染，絮凝劑投加量取40 mg/L。

2.3磁粉投加量對(duì)濁度去除效果的影響

圖6為磁粉投加量對(duì)水中濁度的影響情況。沉淀5 min后出水濁度隨磁粉投加量增加而降低。未投加磁粉時(shí)沉后水濁度為30.1 NTU，投加少量磁粉(25 mg/L)時(shí)沉后水濁度降到19.3 NTU。當(dāng)投加量為75 mg/L時(shí)沉后水濁度能維持到16 NTU左右。這是因?yàn)椋杭尤氪欧劭梢越档湍z體的ζ電位排斥能峰，進(jìn)而使膠體“脫穩(wěn)”；磁粉的加入使水中懸浮顆粒增多，而且產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)使帶電膠體顆粒受到洛倫茲力作用而運(yùn)動(dòng)，增加了膠體物質(zhì)碰撞的機(jī)會(huì)；此外，磁粉可作為初始礬花的核心，促進(jìn)以磁粉為核心的“復(fù)合”磁絮凝體的形成，使絮體更加密實(shí)，比重增大，易于沉降[13]。

圖5　PAC投加量對(duì)沉淀后濁度的影響

圖6　磁粉投加量對(duì)沉淀后濁度的影響

2.4沉淀時(shí)間對(duì)濁度的影響

沉淀時(shí)間對(duì)工程產(chǎn)水量和產(chǎn)水水質(zhì)都有很大的影響。本試驗(yàn)研究了在石灰投加量為280 mg/L、PAC和磁粉投加量分別為40，75 mg/L的條件下沉淀時(shí)間對(duì)濁度的影響，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯撼恋沓跗跐岫认陆凳置黠@，5 min時(shí)濁度由237 NTU下降為13.4 NTU；5 min之后濁度下降速率大大降低。這是因?yàn)槌恋沓跗谒辛捷^大的以磁粉為核心的密實(shí)絮體能快速沉淀使?jié)岫冉档?，而部分懸浮性膠體不能通過(guò)沉淀有效去除?？紤]到工程投資和產(chǎn)水量，沉淀時(shí)間取5 min。

在石灰投加量為280 mg/L、PAC投加量為40 mg/L、磁粉投加量為75 mg/L的條件下，沉淀5 min后將沉后水通過(guò)膜進(jìn)行過(guò)濾。經(jīng)檢測(cè)，水濁度均小于1 NTU，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)的要求。

圖7　沉淀時(shí)間對(duì)沉淀后濁度的影響

2.5膜的污染與清洗情況

微濾膜在試驗(yàn)期間出水水質(zhì)穩(wěn)定，膜通量衰減較慢，產(chǎn)水量基本不變。但在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)膜絲表面有大量的黑色“復(fù)合”磁性絮體，絮體粒徑遠(yuǎn)大于膜孔徑，故附著在膜表面。經(jīng)過(guò)清洗后，膜表面干凈清潔，清洗后膜通量基本達(dá)到初始膜通量。圖8為微濾膜清洗前、清洗后的表面情況。

圖8　膜絲清洗前、后表面情況

3結(jié)論

1) 磁絮凝-膜過(guò)濾與藥劑軟化聯(lián)合工藝能有效去除水中硬度，保證出水濁度符合要求，減少處理所需時(shí)間，提高產(chǎn)水量。膜通量衰減較慢，產(chǎn)水量穩(wěn)定，且膜易清洗，通量恢復(fù)率高。

2) 在石灰投加量為280 mg/L、PAC投加量為40 mg/L、磁粉投加量為75 mg/L的條件下，通過(guò)磁絮凝-膜過(guò)濾能將出水硬度降到166.22 mg/L，出水堿度和濁度分別控制在40 mg/L、1NTU以下。

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(責(zé)任編輯劉舸)

Study on Softening Process Combined with Magnetic Flocculation and Membrane Filtration

PANG Zhi-banga，YAO Ji-lunb，ZHOU Zhena，LIU Boa

(a.Department of National Defense Architectural Planning and Environment Engineering；b.Engineering and Technological Research Center of National Disaster Relief Equipment,Logistics Engineering University of PLA, Chongqing 401331, China)

Abstract:A chemical softening process combined with magnatic flocculation and membrane filtration was developed to reduce raw water hardness. The influence of different factors such as dosage of lime, coagulant and magnetic seed, settling time and other factors on experiment effect were systematically studied. The results show that the combined process can reduce water hardness with stability of water quality and water quantity, and the flux decaying of membrane is slow and keeps the membrane in normal condition after cleaning.

Key words:hardness; magnetic flocculation; membrane filtration; lime softening

文章編號(hào)：1674-8425(2016)02-0066-05

中圖分類號(hào)：X52;TU991

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.02.012

作者簡(jiǎn)介：龐治邦(1990—)，男，碩士研究生，主要從事水處理技術(shù)研究；通訊作者 姚吉倫， 高級(jí)工程師， 主要從事膜水處理和野營(yíng)凈水裝備的研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAK05B03)

收稿日期：2015-11-29

Citation format：PANG Zhi-bang，YAO Ji-lun，ZHOU Zhen，et al.Study on Softening Process Combined with Magnetic Floc-culation and Membrane Filtration[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(2):66-70.