电磁场对污泥回流工艺混凝效能和絮体特性的影响

韩星航,李 星,杨艳玲,周志伟 (北京工业大学建筑工程学院,北京 100124)



电磁场对污泥回流工艺混凝效能和絮体特性的影响

韩星航,李 星*,杨艳玲,周志伟 (北京工业大学建筑工程学院,北京 100124)

摘要：本研究采用电磁场对回流污泥进行磁化处理,考察了不同强度和时间电磁作用对污泥回流过程的混凝效果和溶解性有机物去除效能的影响.结果表明,磁化污泥可改善污泥回流混凝过程的浊度和DOC去除率,比磁化之前分别提高了3.7%、32.4%,足够大的磁场强度和必要的磁化时间对混凝效能改善有较显著的作用;磁化作用可使回流污泥和混凝时混合水的Zeta电位升高,使混凝时的絮体特性得到了明显改善,絮体具有更大的成长速率、平均絮凝指数和平均粒径,絮体结构更加密实、规则.

关键词：给水处理；电磁场；污泥回流；混凝效能；絮体特性

* 责任作者, 研究员, lixing@bjut.edu.cn

混凝是给水处理工艺中的关键环节,可以显著地去除水中胶体和部分有机物等[1].污泥回流作为强化混凝的一种方式[2],能够改善和加速混凝过程,减少药剂投量,进而减少污泥生成总量及其处置费用,也在膜工艺的预处理中得到了广泛研究[3-7].磁场会对水的物理化学性质产生一定的影响,经磁化后水的活性、表面张力、氢键角度、溶解度等物理化学性质会发生较大变化[8].为此,磁场已被广泛用于水的防垢阻垢处理和消毒保健处理中,并且也取得了较满意的效果[9-10],但目前磁场用于混凝前回流污泥的预处理还鲜有研究.本文将电磁场用于强化混凝工艺中的污泥回流强化混凝过程中,通过电磁场改变污泥中杂质的Zeta电位和水分子结构,增强混凝效果,可为电磁场强化混凝以及溶解性有机物去除和膜污染控制提供技术支持.

1　材料与方法

1.1 实验用水与回流污泥

实验用水与回流污泥均取自某净水厂的原水和沉淀池排泥,水质和污泥的参数如表1所示.实验采用的混凝剂为三氯化铁(FeCl3),质量浓度为7.82g/L(铁计).

1.2 实验方法

采用六联混凝搅拌机(ZR4-6,中国)进行原水混凝试验,先以350r/min搅拌30s,投加混凝剂后以300r/min快混1min,加入回流污泥后以120r/min搅拌2min,再以50r/min的转速搅拌15min,静沉20min后取液面下3cm的水样进行测定.

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

试验首先进行混凝剂投药量确定,在最佳混凝剂投量基础上考察污泥回流比,按照上述的混凝搅拌程序进行混凝操作,污泥投加点为120r/min阶段开始时.在研究电磁场对混凝的影响时,将一定量体积的污泥放在电磁场中心进行磁化处理,分别经过不同的磁场强度(6.88, 9.83, 11.79, 13.91, 16.88mT等)或同场强不同时间(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8min等)的磁化,而后再将其分别加入混凝搅拌机中进行污泥回流实验.电磁场发生装置采用圆柱形骨架外顺时针缠绕漆包线,线圈直径15cm,匝数200匝,外接调压器.

1.3 检测和分析方法

浊度采用浊度仪(HACH2100N,美国)测定; UV254利用紫外可见分光光度计(UV2600,中国)测定,DOC采用总有机碳分析仪(varioTOC,德国)测定,测定DOC和UV254前水样需经0.45µm微孔滤膜过滤.Zeta电位采用Zeta电位仪(马尔文Nano-Z,英国)测定.磁场强度采用高斯仪(LakeShore 421Gaussmeter,美国)测定.

采用透光脉动散射分析仪(iPDA-100,韩国)监测絮体形成过程[11].iPDA输出信号包括平均透光强度、脉动值和R值(Ratio).R值也称为絮凝指数FI,可灵敏地反映出悬浮液中颗粒絮凝程度的变化和絮体尺寸的相对大小.试验过程中,电脑每隔2s记录一次数据.通过对iPDA输出曲线进行分析可得到3个主要絮体特征参数:

时间加权方差率=

式中:size表示絮体尺寸;time为时间;Ratioi为第i时刻的絮凝指数.

iPDA输出曲线中,上升阶段的斜率代表了絮体成长比速率,平稳区内的平均Ratio值代表了絮体平均尺寸,平稳区内Ratio值的波动(时间加权方差率)表示絮体尺寸的差异程度.

絮体平均粒径和分形维数采用光学显微镜(BX51TF,日本)测定,通过CCD摄像系统对絮体进行拍照,摄像系统具有1944(垂直)×2952(水平)像素,通过长度为1µm的标尺进行标定,计算得每个像素代表的实际长度为0.699µm.通过imageJ图像处理软件对絮体图像、平均粒径、特征长度和投影面积进行分析,采用最小二乘法[12]的方法计算二维边缘分形维数(Dpf):

式中:A为单个絮体的投影面积;P为单个絮体的特征长度;Dpf为所截取所有絮体的二维边缘分形维数.

Dpf不是一个整数,介于1～2之间,其数值反映了图像中投影絮体的形状.如果图像呈圆形,则Dpf为最小极限1,代表了球形的絮体;如果絮体呈长链形或带有很多枝杈,则二维分形维数较大,最大极限值2代表了线性结构.

2　结果与讨论

2.1 最佳投药量和污泥回流比的确定

由图1可以看出,随着FeCl3投加量的增加,浊度、DOC和UV254去除率均呈现逐渐升高趋势;当投加量达到17.2mg/L时,浊度去除率达到最大的78.7%,之后浊度去除率呈现稳定状态;在投加量为23.45mg/L时浊度去除率下降.在FeCl3投加量0～23.45mg/L范围内,DOC和UV254去除率始终处于增加的趋势,在23.45mg/L时分别达到最高的52.1%和72.0%.综合浊度、DOC和UV254去除率变化情况,确定最优投药量范围为17.2～20.33mg/L,本实验采用投药量为17.2mg/L.

图1　FeCl3投加量对混凝效能的影响Fig.1　Effect of FeCl3 dosages on coagulation efficiency

在最佳混凝剂投量条件下,研究了污泥回流比对混凝效能的影响,结果如图2所示.当污泥回流比为6%～8%时,浊度去除率比无污泥回流的有所提高,由78.9%提升至85.2%;当污泥回流比为10%时,浊度去除率却降低至79.6%.另外,随着污泥回流比的增加,DOC和UV254去除率也呈现提高的趋势;污泥回流比为6% 时,DOC去除率达到40.3%,比无污泥回流时的提高了9.8%;污泥回流比为8%时,UV254去除率达到57.5%,比无回流污泥时的提高了17.0%.回流比增加至10%时,DOC与UV254去除率均呈下降趋势.因此,综合浊度和有机物的去除效果,选择最佳污泥回流比为6%.

图2　不同回流比对混凝效能的影响Fig.2　Effect of recycling ratio on coagulation efficiency

2.2 磁化回流污泥的混凝效能

由图3可以看出,经磁化污泥回流后的沉后水浊度去除率有所提高;在回流污泥的磁化时间为0～5min范围内,浊度去除率有明显的增加趋势,磁化时间大于5min后,浊度去除率变化不明显.在6.74mT磁场强度下磁化5min后,浊度去除率比常规污泥回流的去除率提高了0.9%,可见较小的磁场强度对混凝效果无显著影响;在13.91mT和16.88mT磁场强度下磁化5min时,沉后水浊度去除率达到了85.6%和85.8%,分别比常规污泥回流时提高了3.0%和3.7%,可知除浊的最佳磁化参数为磁场强度16.88mT、磁化时间5min.

图3　不同磁场强度和磁化时间下沉后水浊度的去除率Fig.3　Turbidity removal in the settled water under different magnetic field intensity

由图4可以看出,磁化污泥会对污泥回流混凝工艺去除溶解性有机物效能产生显著影响,回流污泥经磁化后的混凝沉后水DOC去除率有明显提高.在磁化时间为0～5min范围内,DOC去除效果有明显的增加,磁化时间大于5min后DOC去除效果趋于稳定.6.74mT的磁场强度对回流污泥磁化5min后,沉后水DOC去除率比未磁化条件增加了9.9%,说明较小的磁场强度对混凝效果无显著影响;随着磁场强度的增加,DOC去除率逐渐上升,由于每组试验所取回流污泥有微小程度差别,未回流时的去除率也有不同程度的差异,在16.88mT磁场强度下,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磁场强度下,DOC去除率由未磁化的41.4%提高至最大的52.9%,增加27.8%;分析各组磁化试验的相对去除率,16.88mT为最佳磁场强度.

由于电磁装置产生了附加磁场和附加能量,有利于在带电颗粒的双电层减弱,使胶体颗粒的排斥力减少,经测定磁化后污泥颗粒的Zeta电位升高,促进絮体碰撞和聚集的速率,使得混凝作用更容易发生[13],更有利于絮体的形成,从而使出水浊度和DOC值降低.

图4　不同磁场强度和磁化时间下沉后水DOC的去除率Fig.4　DOC removal in the settled water under different magnetic field intensity

2.3 磁化对Zeta电位影响

试验对不同磁场强度磁化后的污泥以及混凝开始后3min的混合水的Zeta电位分别进行了测定,其中回流污泥磁化时间为5min,取样时间点为120r/min混合结束时.由图5可以看出,经磁化后的污泥、混合水的Zeta电位均有不同程度的增加,其中经6.74mT磁场磁化后的Zeta电位没有明显变化,可见磁场较小时对污泥的性质不会产生明显影响;在16.88mT磁场磁化后回流污泥的Zeta电位绝对值由20.9mV降低到17.77mV,混合水的Zeta电位绝对值由11.2mV降低到7.93mV.

经磁化后污泥的Zeta电位提高,使得混凝过程中混合水的Zeta电位更接近0mV,所以混凝效能有所提高.其原因是污泥经电磁场的磁化作用时,电磁场场能为水解反应提供了能量[14],使其所带负电荷量减少,Zeta 电位也得到提高;同时场能也加强了水中胶体颗粒的动能和压缩双电层作用[15],增加了颗粒碰撞的速率,从而提高了混凝效能.一般而言,Zeta电位小于0mV时混凝过程以电性中和作用为主,Zeta电位大于0mV时混凝过程以网捕卷扫作用为主,接近0mV时混凝效果最好[16].

图5　磁化与未磁化污泥与混合水的Zeta电位对比Fig.5　Comparison of Zeta potential under conditions with and without magnetization

2.4 絮体特性

2.4.1 絮体形成特性 采用iPDA分别检测了常规混凝工艺、常规污泥回流工艺、16.88mT磁化5min的污泥回流工艺、以及13.91mT磁化5min的污泥回流工艺这4种混凝工艺的絮体形成过程,结果如图6所示.

图6　不同条件下混凝絮体特性曲线Fig.6　Floc growth curve under different conditions

由图6可以看出,4种混凝工艺的FI指数均在混凝的初始阶段迅速增加,之后均是在150s左右达到一个相对稳定趋势.4种混凝工艺的FI值有显著差异,但在变化趋势上,后3种混凝工艺没有显著差别,有污泥回流的后3种混凝工艺的平均FI稳定值分别为0.0601、0.0670和0.0734,比无污泥回流工艺的0.0115分别提高了4.23倍、4.83倍和5.38倍,可见磁化后的回流污泥在混凝过程中会形成更大的絮体,FI稳定值更高.

通过计算可以得到絮体的成长比速率、平均絮凝指数和时间加权方差率,结果如表2所示.可知,有污泥回流与无污泥回流条件的混凝过程相比,开始投加污泥后絮体成长比速率显著提升,絮体的平均絮凝指数也有大幅提升.通过絮体成长速率特性对比可以看出,磁化后回流污泥在混凝过程中的絮体成长比速率有所提升,从未磁化的0.092提高至0.127,增加幅度达到38.0%;平均絮凝指数也得到明显提升,由未磁化的6.214提高至7.360,增加幅度达到18.4%;而时间加权方差率却有所降低,由未磁化的0.168降至0.121,下降幅度达到28.0%,这表明磁化后的絮体粒径分布范围变窄、粒径分布更趋于集中.

表2　不同条件下絮体特性指标Table 2　Floc characteristic index under different conditions

2.4.2 平均粒径和分形维数 利用光学显微镜对常规污泥回流和16.88mT磁化5min污泥回流的不同絮凝时间点(1,2,5,15min)的絮体图片进行观察,发现在混凝1min时的絮体粒径很小,混凝5min时,絮体逐渐长大至肉眼可见.图7分别表述了未磁化与磁化15min的絮体分形维数,可以看出,磁化后絮体的二维边缘分形维数(Dpf)更小,由1.442降至1.387,絮体形态更加规则.

在进行磁化污泥与未磁化污泥絮体对比时,通过图像分析软件可知二者有明显差别.由表3可知,在混凝1min时,磁化与未磁化2种条件下絮体的平均粒径为28.38,31.99µm.而在絮凝2,5, 15min时,平均粒径有了明显区别,其中非磁化条件下在这3个时间点上的平均粒径分别36.14, 35.29,39.45µm,而16.88mT磁化条件下在这3个时间点上的平均粒径分别为45.57,47.23, 51.83µm,絮体平均粒径明显变大,这与之前的絮体成长曲线(图6)一致,表明磁化污泥可以在混凝过程中形成更大、更稳定的絮体.

图7　非磁化与磁化时絮凝15min时二维边界分形维数Fig.7　Two-dimensional fractal dimension of flocculation 15min in non magnetized group and magnetized group

通过表3还可知,在絮凝1min时,2种条件下的絮体Dpf均较大,说明此时絮体是最不规则,接近线性结构.在混凝时间为5min时,非磁化条件下的Dpf由1.537降至1.432,而磁化条件下的Dpf由1.564降至1.447.在絮凝时间为15min时,非磁化条件下和磁化条件下的Dpf分别为1.442和1.387,可见磁化条件下絮体结构变得更加规则.

表3　不同条件下絮体的平均粒径和DpfTable 3　Average size and Dpf of derived flocs at different flocculation time under different conditions

3　结论

3.1 磁化污泥回流强化混凝工艺可以提高混凝效能,在16.88mT磁化5min时浊度和DOC去除率分别为85.8%和52.7%,比常规污泥回流工艺时分别提高了3.7%和32.4%.

3.2 磁化污泥和混凝开始3min后的水的Zeta电位都有不同程度的提高,在16.88mT磁场强度下二者的Zeta电位分别达到-17.77mV和-7.93mV,比未磁化时分别变化了3.13mV和3.27mV.

3.3 FI指数、二维分形维数和粒径等絮体特性指标的变化趋势表明,磁化后污泥回流混凝的絮体具有更大的成长速率、平均絮凝指数和絮体粒径,具有更小的二维分形维数,有利于絮体沉淀过程.

参考文献：

[1] 王东升.微污染原水强化混凝技术 [M]. 北京:科学出版社, 2009:1-10.

[2] 徐勇鹏,何 利,崔福义,等.回用净水厂生产废水强化低温低浊水的混凝效能 [J]. 中国给水排水, 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] 齐 鲁,王 毅,梁 恒,等.污泥回流与粉末活性碳组合工艺强化去除有机物 [J]. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版), 2009, 25(5):524-527.

[7] 纪洪杰,于海宽,于 洁,等.浓缩炭泥回流、超滤组合工艺处理引黄水库水 [J]. 中国给水排水, 2014,30(18):18-22.

[8] 陈庆生,陈松林.水的磁化处理研究和在冷却水系统中的应用[J]. 工业水处理, 2003,23(6):69-70.

[9] 黄征清,黄光斗,徐洪涛.水的磁处理防垢与除垢的研究 [J]. 工业水处理, 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.一种研究絮凝过程的新方法—透光脉动检测技术 [J]. 环境科学学报, 1997,17:430-431.

[12] 邬 艳,杨艳玲,李 星,等.三种常见混凝机理为主导条件下絮体特性研究 [J]. 中国环境科学, 2014,34(1):150-155.

[13] 汪仲清,姜寿亭,周开学,等.磁处理技术作用机理的探讨 [J]. 河北师范大学学报(自然科学版), 1998,22(1):47-51.

[14] 初永宝,高宝玉,岳钦艳,等.聚合氯化铝中纳米Al13形态的混凝效应 [J]. 中国环境科学, 2005,25(4):504-507.

[15] 曹建军,王 丽,肖明慧,等.交变电磁场磁化PFS处理黄河水的实验研究 [J]. 硅酸盐通报, 2013,32( 8):1657-1660.

[16] 张春华,于 海,张冬华.电磁场对聚合硫酸铁水解聚合物形态分布及其混凝性能的影响 [J]. 硅酸盐通报, 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

作者简介：韩星航(1989-),男,河北承德人,北京工业大学建筑工程学院硕士研究生,主要从事饮用水安全研究.

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07404-003);国家自然科学基金(51478010)

收稿日期：2015-09-15

中图分类号：X703

文献标识码：A

文章编号：1000-6923(2016)04-1087-06