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        晶種加速沉淀軟化去除反滲透濃水中硬度的研究*

        2022-05-27 03:58:26韋曉竹李博文朱榮志趙加怡
        廣州化工 2022年9期
        關(guān)鍵詞:效果實驗

        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,根據(jù)其收率的不同,會產(chǎn)生一定體積的濃水。濃水的性質(zhì)與其進水性質(zhì)高度相關(guān),在反滲透技術(shù)應(yīng)用于污水處理時,反滲透濃水通常具有高有機物含量及高含鹽量的特點,如不經(jīng)處理排入環(huán)境,則會對受納水體產(chǎn)生污染。

        對于濃水中硬度的去除,化學(xué)試劑軟化法是常見且較有效的一種方法,通過向濃水中加入堿劑,從而提高其pH值,使其中的Ca2+和Mg2+等結(jié)垢性鹽類達到過飽和狀態(tài)而從濃水中沉淀下來[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[4-5],引入晶種,能有效的解決化學(xué)試劑軟化法的不足[6],見諸報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 驗

        1.1 主要試劑與儀器

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

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

        1.2 實驗方法

        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。通過投加無水氯化鈣和無水氯化鎂,提高其鈣和鎂離子濃度,作為本研究中的模擬反滲透濃水,下文簡稱濃水。據(jù)文獻報道[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

        (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),通過六聯(lián)攪拌機于120 rpm下攪拌20 min,然后通過抽濾裝置將吸附了有機物的PAC截留于0.22 μm的微濾膜上,完成廢棄PAC的制備。

        (2)攪拌時間的確定

        取5個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,然后通過六聯(lián)攪拌機在120 rpm轉(zhuǎn)速下分別攪拌3、5、7、10、15、20 min后,通過抽濾裝置使沉淀與水分離,測水中硬度。同時做平行實驗,數(shù)據(jù)取平均值。

        (3)攪拌轉(zhuǎn)速的確定

        取5個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,然后通過六聯(lián)攪拌機在確定的時間下分別于60、90、120、150、180 rpm攪拌后,通過抽濾裝置使沉淀與水分離,測水中硬度。同時做平行實驗,數(shù)據(jù)取平均值。

        (4)無晶種與有晶種時去除效果的比較

        取6個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,通過抽濾裝置使沉淀與水分離,測水中硬度。以研究無晶種時硬度的去除效果,同時做平行實驗,數(shù)據(jù)取平均值。

        取6個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,通過抽濾裝置使沉淀與水分離,測水中硬度。以研究有晶種時硬度的去除效果,同時做平行實驗,數(shù)據(jù)取平均值。

        (5)連續(xù)運行時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,然后通過虹吸法吸出400 mL水,保存,以備測出水硬度,此時完成第1次運行。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)速和時間下進行軟化實驗,靜置10 min后,虹吸法吸出400 mL水,保存,以備測出水硬度,此時完成第2次運行。如此往復(fù),考察連續(xù)運行時硬度的去除效果。同時做平行實驗,數(shù)據(jù)取平均值。

        1.3 檢測方法

        實驗(2)~(4)通過EDTA滴定法測定水中總硬度[11],實驗(5)通過原子吸收分光光度法測定水中硬度[12]。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 攪拌時間的確定

        攪拌時間對硬度去除效果的影響如圖1所示。

        圖1 攪拌時間對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時間段,硬度下降速度較慢,由300 mg/L降至285 mg/L?;诖_保硬度得到更有效去除的考慮,后續(xù)實驗選定時間為20 min。

        2.2 攪拌轉(zhuǎn)速的確定

        攪拌轉(zhuǎn)速對硬度去除效果的影響如圖2所示。

        圖2 攪拌轉(zhuǎn)速對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,在相同的攪拌時間(即20 min)條件下,攪拌轉(zhuǎn)速為60、90 rpm時,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,硬度降至280 mg/L;當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至180 rpm時,硬度降至277 mg/L;轉(zhuǎn)速由120 rpm增加至180 rpm時,硬度的去除幾乎沒有得到增加。因此,后續(xù)實驗選定的轉(zhuǎn)速為120 rpm。

        2.3 晶種的投加對硬度去除效果的影響

        晶種的投加對硬度去除效果的影響如圖3所示。

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

        2.4 連續(xù)運行時硬度的去除效果

        連續(xù)運行時硬度的去除效果如圖4所示。

        圖4 連續(xù)運行時硬度的去除效果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,可能是由于兩個方面原因造成的:一是由于相較于第一次運行,后續(xù)每次開始時初始硬度經(jīng)過稀釋后都有所降低(因為后續(xù)每次進水都是400 mL,與燒杯中剩余的100 mL溶液混合后開始硬度去除實驗),而Na2CO3的投量是一樣的,這給硬度去除率的提高帶來了一定的作用;二是隨著運行次數(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,這需要對晶種進一步分析驗證。

        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,10 min時硬度去除率可達75.6%,而沒有晶種時,達到相似硬度去除效果,則需20 min。

        (2)連續(xù)運行時,硬度去除效果隨著運行次數(shù)的增加而增加,連續(xù)運行20次時,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,可顯著提高硬度去除效率;且連續(xù)運行時,硬度去除效果隨著運行次數(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。

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