韓星航,李 星,楊艷玲,周志偉 (北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124)

?

電磁場對污泥回流工藝混凝效能和絮體特性的影響

韓星航,李 星*,楊艷玲,周志偉 (北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124)

摘要：本研究采用電磁場對回流污泥進行磁化處理,考察了不同強度和時間電磁作用對污泥回流過程的混凝效果和溶解性有機物去除效能的影響.結(jié)果表明,磁化污泥可改善污泥回流混凝過程的濁度和DOC去除率,比磁化之前分別提高了3.7%、32.4%,足夠大的磁場強度和必要的磁化時間對混凝效能改善有較顯著的作用;磁化作用可使回流污泥和混凝時混合水的Zeta電位升高,使混凝時的絮體特性得到了明顯改善,絮體具有更大的成長速率、平均絮凝指數(shù)和平均粒徑,絮體結(jié)構(gòu)更加密實、規(guī)則.

關(guān)鍵詞：給水處理；電磁場；污泥回流；混凝效能；絮體特性

* 責(zé)任作者, 研究員, lixing@bjut.edu.cn

混凝是給水處理工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),可以顯著地去除水中膠體和部分有機物等[1].污泥回流作為強化混凝的一種方式[2],能夠改善和加速混凝過程,減少藥劑投量,進而減少污泥生成總量及其處置費用,也在膜工藝的預(yù)處理中得到了廣泛研究[3-7].磁場會對水的物理化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響,經(jīng)磁化后水的活性、表面張力、氫鍵角度、溶解度等物理化學(xué)性質(zhì)會發(fā)生較大變化[8].為此,磁場已被廣泛用于水的防垢阻垢處理和消毒保健處理中,并且也取得了較滿意的效果[9-10],但目前磁場用于混凝前回流污泥的預(yù)處理還鮮有研究.本文將電磁場用于強化混凝工藝中的污泥回流強化混凝過程中,通過電磁場改變污泥中雜質(zhì)的Zeta電位和水分子結(jié)構(gòu),增強混凝效果,可為電磁場強化混凝以及溶解性有機物去除和膜污染控制提供技術(shù)支持.

1　材料與方法

1.1 實驗用水與回流污泥

實驗用水與回流污泥均取自某凈水廠的原水和沉淀池排泥,水質(zhì)和污泥的參數(shù)如表1所示.實驗采用的混凝劑為三氯化鐵(FeCl3),質(zhì)量濃度為7.82g/L(鐵計).

1.2 實驗方法

采用六聯(lián)混凝攪拌機(ZR4-6,中國)進行原水混凝試驗,先以350r/min攪拌30s,投加混凝劑后以300r/min快混1min,加入回流污泥后以120r/min攪拌2min,再以50r/min的轉(zhuǎn)速攪拌15min,靜沉20min后取液面下3cm的水樣進行測定.

表1　實驗用原水及回流污泥主要特性Tabe 1　Characteristics of raw water and recycling sludge

試驗首先進行混凝劑投藥量確定,在最佳混凝劑投量基礎(chǔ)上考察污泥回流比,按照上述的混凝攪拌程序進行混凝操作,污泥投加點為120r/min階段開始時.在研究電磁場對混凝的影響時,將一定量體積的污泥放在電磁場中心進行磁化處理,分別經(jīng)過不同的磁場強度(6.88, 9.83, 11.79, 13.91, 16.88mT等)或同場強不同時間(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8min等)的磁化,而后再將其分別加入混凝攪拌機中進行污泥回流實驗.電磁場發(fā)生裝置采用圓柱形骨架外順時針纏繞漆包線,線圈直徑15cm,匝數(shù)200匝,外接調(diào)壓器.

1.3 檢測和分析方法

濁度采用濁度儀(HACH2100N,美國)測定; UV254利用紫外可見分光光度計(UV2600,中國)測定,DOC采用總有機碳分析儀(varioTOC,德國)測定,測定DOC和UV254前水樣需經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾.Zeta電位采用Zeta電位儀(馬爾文Nano-Z,英國)測定.磁場強度采用高斯儀(LakeShore 421Gaussmeter,美國)測定.

采用透光脈動散射分析儀(iPDA-100,韓國)監(jiān)測絮體形成過程[11].iPDA輸出信號包括平均透光強度、脈動值和R值(Ratio).R值也稱為絮凝指數(shù)FI,可靈敏地反映出懸浮液中顆粒絮凝程度的變化和絮體尺寸的相對大小.試驗過程中,電腦每隔2s記錄一次數(shù)據(jù).通過對iPDA輸出曲線進行分析可得到3個主要絮體特征參數(shù):

時間加權(quán)方差率=

式中:size表示絮體尺寸;time為時間;Ratioi為第i時刻的絮凝指數(shù).

iPDA輸出曲線中,上升階段的斜率代表了絮體成長比速率,平穩(wěn)區(qū)內(nèi)的平均Ratio值代表了絮體平均尺寸,平穩(wěn)區(qū)內(nèi)Ratio值的波動(時間加權(quán)方差率)表示絮體尺寸的差異程度.

絮體平均粒徑和分形維數(shù)采用光學(xué)顯微鏡(BX51TF,日本)測定,通過CCD攝像系統(tǒng)對絮體進行拍照,攝像系統(tǒng)具有1944(垂直)×2952(水平)像素,通過長度為1μm的標(biāo)尺進行標(biāo)定,計算得每個像素代表的實際長度為0.699μm.通過imageJ圖像處理軟件對絮體圖像、平均粒徑、特征長度和投影面積進行分析,采用最小二乘法[12]的方法計算二維邊緣分形維數(shù)(Dpf):

式中:A為單個絮體的投影面積;P為單個絮體的特征長度;Dpf為所截取所有絮體的二維邊緣分形維數(shù).

Dpf不是一個整數(shù),介于1～2之間,其數(shù)值反映了圖像中投影絮體的形狀.如果圖像呈圓形,則Dpf為最小極限1,代表了球形的絮體;如果絮體呈長鏈形或帶有很多枝杈,則二維分形維數(shù)較大,最大極限值2代表了線性結(jié)構(gòu).

2　結(jié)果與討論

2.1 最佳投藥量和污泥回流比的確定

由圖1可以看出,隨著FeCl3投加量的增加,濁度、DOC和UV254去除率均呈現(xiàn)逐漸升高趨勢;當(dāng)投加量達到17.2mg/L時,濁度去除率達到最大的78.7%,之后濁度去除率呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài);在投加量為23.45mg/L時濁度去除率下降.在FeCl3投加量0～23.45mg/L范圍內(nèi),DOC和UV254去除率始終處于增加的趨勢,在23.45mg/L時分別達到最高的52.1%和72.0%.綜合濁度、DOC和UV254去除率變化情況,確定最優(yōu)投藥量范圍為17.2～20.33mg/L,本實驗采用投藥量為17.2mg/L.

圖1　FeCl3投加量對混凝效能的影響Fig.1　Effect of FeCl3 dosages on coagulation efficiency

在最佳混凝劑投量條件下,研究了污泥回流比對混凝效能的影響,結(jié)果如圖2所示.當(dāng)污泥回流比為6%～8%時,濁度去除率比無污泥回流的有所提高,由78.9%提升至85.2%;當(dāng)污泥回流比為10%時,濁度去除率卻降低至79.6%.另外,隨著污泥回流比的增加,DOC和UV254去除率也呈現(xiàn)提高的趨勢;污泥回流比為6% 時,DOC去除率達到40.3%,比無污泥回流時的提高了9.8%;污泥回流比為8%時,UV254去除率達到57.5%,比無回流污泥時的提高了17.0%.回流比增加至10%時,DOC與UV254去除率均呈下降趨勢.因此,綜合濁度和有機物的去除效果,選擇最佳污泥回流比為6%.

圖2　不同回流比對混凝效能的影響Fig.2　Effect of recycling ratio on coagulation efficiency

2.2 磁化回流污泥的混凝效能

由圖3可以看出,經(jīng)磁化污泥回流后的沉后水濁度去除率有所提高;在回流污泥的磁化時間為0～5min范圍內(nèi),濁度去除率有明顯的增加趨勢,磁化時間大于5min后,濁度去除率變化不明顯.在6.74mT磁場強度下磁化5min后,濁度去除率比常規(guī)污泥回流的去除率提高了0.9%,可見較小的磁場強度對混凝效果無顯著影響;在13.91mT和16.88mT磁場強度下磁化5min時,沉后水濁度去除率達到了85.6%和85.8%,分別比常規(guī)污泥回流時提高了3.0%和3.7%,可知除濁的最佳磁化參數(shù)為磁場強度16.88mT、磁化時間5min.

圖3　不同磁場強度和磁化時間下沉后水濁度的去除率Fig.3　Turbidity removal in the settled water under different magnetic field intensity

由圖4可以看出,磁化污泥會對污泥回流混凝工藝去除溶解性有機物效能產(chǎn)生顯著影響,回流污泥經(jīng)磁化后的混凝沉后水DOC去除率有明顯提高.在磁化時間為0～5min范圍內(nèi),DOC去除效果有明顯的增加,磁化時間大于5min后DOC去除效果趨于穩(wěn)定.6.74mT的磁場強度對回流污泥磁化5min后,沉后水DOC去除率比未磁化條件增加了9.9%,說明較小的磁場強度對混凝效果無顯著影響;隨著磁場強度的增加,DOC去除率逐漸上升,由于每組試驗所取回流污泥有微小程度差別,未回流時的去除率也有不同程度的差異,在16.88mT磁場強度下,DOC去除率由未磁化的39.8%提高至最大的52.7%,增加32.4%;在13.91mT磁場強度下,DOC去除率由未磁化的41.4%提高至最大的52.9%,增加27.8%;分析各組磁化試驗的相對去除率,16.88mT為最佳磁場強度.

由于電磁裝置產(chǎn)生了附加磁場和附加能量,有利于在帶電顆粒的雙電層減弱,使膠體顆粒的排斥力減少,經(jīng)測定磁化后污泥顆粒的Zeta電位升高,促進絮體碰撞和聚集的速率,使得混凝作用更容易發(fā)生[13],更有利于絮體的形成,從而使出水濁度和DOC值降低.

圖4　不同磁場強度和磁化時間下沉后水DOC的去除率Fig.4　DOC removal in the settled water under different magnetic field intensity

2.3 磁化對Zeta電位影響

試驗對不同磁場強度磁化后的污泥以及混凝開始后3min的混合水的Zeta電位分別進行了測定,其中回流污泥磁化時間為5min,取樣時間點為120r/min混合結(jié)束時.由圖5可以看出,經(jīng)磁化后的污泥、混合水的Zeta電位均有不同程度的增加,其中經(jīng)6.74mT磁場磁化后的Zeta電位沒有明顯變化,可見磁場較小時對污泥的性質(zhì)不會產(chǎn)生明顯影響;在16.88mT磁場磁化后回流污泥的Zeta電位絕對值由20.9mV降低到17.77mV,混合水的Zeta電位絕對值由11.2mV降低到7.93mV.

經(jīng)磁化后污泥的Zeta電位提高,使得混凝過程中混合水的Zeta電位更接近0mV,所以混凝效能有所提高.其原因是污泥經(jīng)電磁場的磁化作用時,電磁場場能為水解反應(yīng)提供了能量[14],使其所帶負電荷量減少,Zeta 電位也得到提高;同時場能也加強了水中膠體顆粒的動能和壓縮雙電層作用[15],增加了顆粒碰撞的速率,從而提高了混凝效能.一般而言,Zeta電位小于0mV時混凝過程以電性中和作用為主,Zeta電位大于0mV時混凝過程以網(wǎng)捕卷掃作用為主,接近0mV時混凝效果最好[16].

圖5　磁化與未磁化污泥與混合水的Zeta電位對比Fig.5　Comparison of Zeta potential under conditions with and without magnetization

2.4 絮體特性

2.4.1 絮體形成特性 采用iPDA分別檢測了常規(guī)混凝工藝、常規(guī)污泥回流工藝、16.88mT磁化5min的污泥回流工藝、以及13.91mT磁化5min的污泥回流工藝這4種混凝工藝的絮體形成過程,結(jié)果如圖6所示.

圖6　不同條件下混凝絮體特性曲線Fig.6　Floc growth curve under different conditions

由圖6可以看出,4種混凝工藝的FI指數(shù)均在混凝的初始階段迅速增加,之后均是在150s左右達到一個相對穩(wěn)定趨勢.4種混凝工藝的FI值有顯著差異,但在變化趨勢上,后3種混凝工藝沒有顯著差別,有污泥回流的后3種混凝工藝的平均FI穩(wěn)定值分別為0.0601、0.0670和0.0734,比無污泥回流工藝的0.0115分別提高了4.23倍、4.83倍和5.38倍,可見磁化后的回流污泥在混凝過程中會形成更大的絮體,FI穩(wěn)定值更高.

通過計算可以得到絮體的成長比速率、平均絮凝指數(shù)和時間加權(quán)方差率,結(jié)果如表2所示.可知,有污泥回流與無污泥回流條件的混凝過程相比,開始投加污泥后絮體成長比速率顯著提升,絮體的平均絮凝指數(shù)也有大幅提升.通過絮體成長速率特性對比可以看出,磁化后回流污泥在混凝過程中的絮體成長比速率有所提升,從未磁化的0.092提高至0.127,增加幅度達到38.0%;平均絮凝指數(shù)也得到明顯提升,由未磁化的6.214提高至7.360,增加幅度達到18.4%;而時間加權(quán)方差率卻有所降低,由未磁化的0.168降至0.121,下降幅度達到28.0%,這表明磁化后的絮體粒徑分布范圍變窄、粒徑分布更趨于集中.

表2　不同條件下絮體特性指標(biāo)Table 2　Floc characteristic index under different conditions

2.4.2 平均粒徑和分形維數(shù) 利用光學(xué)顯微鏡對常規(guī)污泥回流和16.88mT磁化5min污泥回流的不同絮凝時間點(1,2,5,15min)的絮體圖片進行觀察,發(fā)現(xiàn)在混凝1min時的絮體粒徑很小,混凝5min時,絮體逐漸長大至肉眼可見.圖7分別表述了未磁化與磁化15min的絮體分形維數(shù),可以看出,磁化后絮體的二維邊緣分形維數(shù)(Dpf)更小,由1.442降至1.387,絮體形態(tài)更加規(guī)則.

在進行磁化污泥與未磁化污泥絮體對比時,通過圖像分析軟件可知二者有明顯差別.由表3可知,在混凝1min時,磁化與未磁化2種條件下絮體的平均粒徑為28.38,31.99μm.而在絮凝2,5, 15min時,平均粒徑有了明顯區(qū)別,其中非磁化條件下在這3個時間點上的平均粒徑分別36.14, 35.29,39.45μm,而16.88mT磁化條件下在這3個時間點上的平均粒徑分別為45.57,47.23, 51.83μm,絮體平均粒徑明顯變大,這與之前的絮體成長曲線(圖6)一致,表明磁化污泥可以在混凝過程中形成更大、更穩(wěn)定的絮體.

圖7　非磁化與磁化時絮凝15min時二維邊界分形維數(shù)Fig.7　Two-dimensional fractal dimension of flocculation 15min in non magnetized group and magnetized group

通過表3還可知,在絮凝1min時,2種條件下的絮體Dpf均較大,說明此時絮體是最不規(guī)則,接近線性結(jié)構(gòu).在混凝時間為5min時,非磁化條件下的Dpf由1.537降至1.432,而磁化條件下的Dpf由1.564降至1.447.在絮凝時間為15min時,非磁化條件下和磁化條件下的Dpf分別為1.442和1.387,可見磁化條件下絮體結(jié)構(gòu)變得更加規(guī)則.

表3　不同條件下絮體的平均粒徑和DpfTable 3　Average size and Dpf of derived flocs at different flocculation time under different conditions

3　結(jié)論

3.1 磁化污泥回流強化混凝工藝可以提高混凝效能,在16.88mT磁化5min時濁度和DOC去除率分別為85.8%和52.7%,比常規(guī)污泥回流工藝時分別提高了3.7%和32.4%.

3.2 磁化污泥和混凝開始3min后的水的Zeta電位都有不同程度的提高,在16.88mT磁場強度下二者的Zeta電位分別達到-17.77mV和-7.93mV,比未磁化時分別變化了3.13mV和3.27mV.

3.3 FI指數(shù)、二維分形維數(shù)和粒徑等絮體特性指標(biāo)的變化趨勢表明,磁化后污泥回流混凝的絮體具有更大的成長速率、平均絮凝指數(shù)和絮體粒徑,具有更小的二維分形維數(shù),有利于絮體沉淀過程.

參考文獻：

[1] 王東升.微污染原水強化混凝技術(shù) [M]. 北京:科學(xué)出版社, 2009:1-10.

[2] 徐勇鵬,何 利,崔福義,等.回用凈水廠生產(chǎn)廢水強化低溫低濁水的混凝效能 [J]. 中國給水排水, 2011,27(7):55-58.

[3] Zhou Zhiwei, Yang Yanling, Li Xing, et al. The removal characteristics of natural organic matter in the recycling of drinking water treatment sludge: Role of solubilized organics [J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2016(28):259-268.

[4] Chen Zhong-lin, Yu Wen-zheng, Shen Ji-min, et al. Effect of two-stage coagulant addition on coagulation-ultrafiltration process for treatment of humic-rich water [J]. Water Research, 2011,45(14):4260-4268.

[5] Kim Jae Hun, Lee Chang Ha, Lee Eui Jong, et al. The effect of re-aggregated floc by additional coagulant on membrane [J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2013,44(5): 802-807.

[6] 齊 魯,王 毅,梁 恒,等.污泥回流與粉末活性碳組合工藝強化去除有機物 [J]. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2009, 25(5):524-527.

[7] 紀(jì)洪杰,于海寬,于 潔,等.濃縮炭泥回流、超濾組合工藝處理引黃水庫水 [J]. 中國給水排水, 2014,30(18):18-22.

[8] 陳慶生,陳松林.水的磁化處理研究和在冷卻水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)水處理, 2003,23(6):69-70.

[9] 黃征清,黃光斗,徐洪濤.水的磁處理防垢與除垢的研究 [J]. 工業(yè)水處理, 2001,21(1):5-8.

[10] Zhou K X, Lu G W. Monte Carlo Simulation of Liquid Water in a Magnetic Field. JAP, 2000,188(4):1802-1805.

[11] 李 星,李 虹,李圭白.一種研究絮凝過程的新方法—透光脈動檢測技術(shù) [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 1997,17:430-431.

[12] 鄔 艷,楊艷玲,李 星,等.三種常見混凝機理為主導(dǎo)條件下絮體特性研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2014,34(1):150-155.

[13] 汪仲清,姜壽亭,周開學(xué),等.磁處理技術(shù)作用機理的探討 [J]. 河北師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 1998,22(1):47-51.

[14] 初永寶,高寶玉,岳欽艷,等.聚合氯化鋁中納米Al13形態(tài)的混凝效應(yīng) [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2005,25(4):504-507.

[15] 曹建軍,王 麗,肖明慧,等.交變電磁場磁化PFS處理黃河水的實驗研究 [J]. 硅酸鹽通報, 2013,32( 8):1657-1660.

[16] 張春華,于 海,張冬華.電磁場對聚合硫酸鐵水解聚合物形態(tài)分布及其混凝性能的影響 [J]. 硅酸鹽通報, 2013,32(11): 2374-2378.

Effect of electromagnetic field on the coagulation performance and floc characteristics of sludge recycling process.

HAN Xing-hang, LI Xing*, YANG Yan-ling, ZHOU Zhi-wei (College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China). China Environmental Science, 2016,36(4)：1087～1092

Abstract：In this paper, the pre-magnetization of sludge was carried out using electromagnetic field, and the effect of electromagnetic field intensity and time on the coagulation efficiency was investigated. The results indicated that the turbidity and DOC removal efficiency of recycling magnetized sludge can be improved, the removal of which was 3.7% and 32.4% respectively higher than the cases without electromagnetic field. Sufficiently large magnetic field intensity and magnetization time played a significant effect on the enhancement of the coagulation efficiency. The Zeta potential of the mixed water and sludge increased by electromagnetic field and the flocs characteristics were obviously improved, accordingly the flocs had bigger growth rate, average flocculation index and average flocs size with denser and regular structure.

Key words：water treatment；electromagnetic field；sludge recycling；coagulation efficiency；flocs characteristics

作者簡介：韓星航(1989-),男,河北承德人,北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院碩士研究生,主要從事飲用水安全研究.

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07404-003);國家自然科學(xué)基金(51478010)

收稿日期：2015-09-15

中圖分類號：X703

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)04-1087-06