晶种加速沉淀软化去除反渗透浓水中硬度的研究*

韦晓竹，李博文，朱荣志，赵加怡

(福建工程学院生态环境与城市建设学院，福建 福州 350118)

反渗透技术是一种清洁高效的净水技术，已在给水及污水处理领域有着广泛的工程应用。其在提供优质出水的同时，根据其收率的不同，会产生一定体积的浓水。浓水的性质与其进水性质高度相关，在反渗透技术应用于污水处理时，反渗透浓水通常具有高有机物含量及高含盐量的特点，如不经处理排入环境，则会对受纳水体产生污染。

对于浓水中硬度的去除，化学试剂软化法是常见且较有效的一种方法，通过向浓水中加入碱剂，从而提高其pH值，使其中的Ca2+和Mg2+等结垢性盐类达到过饱和状态而从浓水中沉淀下来[1-3]。化学沉淀是一种有效的硬度去除方法，但是通常存在化学药剂耗量大、沉泥体积大、难于泥水分离等缺点[4-5]，引入晶种，能有效的解决化学试剂软化法的不足[6]，见诸报道的晶种包括磷酸钙、碳酸钙、硫酸钙等[7-9]。粉末活性炭是成熟有效的去除浓水中有机物的物质，基于处理浓水后活性炭再利用的考虑，本文拟采用废弃粉末活性炭作为晶种，应用于浓水中硬度的去除，初步考察其去除效果及技术可行性。

1 实 验

1.1 主要试剂与仪器

试剂：无水氯化钙，分析纯；无水氯化镁，分析纯；无水碳酸钠，分析纯；活性炭(粉)；均购自天津致远化学试剂有限公司。

仪器：JJ-4六联搅拌机，常州国华电器有限公司；TAS-990原子吸收分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司。

1.2 实验方法

1.2.1 模拟反渗透浓水的配制

取福州市某市政污水处理厂出水，水质如表1所示。通过投加无水氯化钙和无水氯化镁，提高其钙和镁离子浓度，作为本研究中的模拟反渗透浓水，下文简称浓水。据文献报道[10]，回用污水处理厂出水产生的反渗透浓水的硬度为289～1233 mg/L之间，平均值为832 mg/L。根据表1中钙和镁的含量比，配制后浓水的总硬度(As CaCO3)为1228 mg/L，Ca2+为392.8 mg/L，Mg2+为60 mg/L。

表1 福州某市政污水处理厂出水水质

1.2.2 硬度去除试验

(1)废弃粉末活性炭的制备

取500 mL烧杯，加入500 mL污水处理厂出水，加入1 g 粉末活性炭(Powder activated carbon, PAC)，通过六联搅拌机于120 rpm下搅拌20 min，然后通过抽滤装置将吸附了有机物的PAC截留于0.22 μm的微滤膜上，完成废弃PAC的制备。

(2)搅拌时间的确定

取5个500 mL烧杯，分别加入500 mL浓水，1 g废弃PAC，5 mL浓度为100 g/L的Na2CO3溶液，然后通过六联搅拌机在120 rpm转速下分别搅拌3、5、7、10、15、20 min后，通过抽滤装置使沉淀与水分离，测水中硬度。同时做平行实验，数据取平均值。

(3)搅拌转速的确定

取5个500 mL烧杯，分别加入500 mL浓水，1 g废弃PAC，5 mL浓度为100 g/L的Na2CO3溶液，然后通过六联搅拌机在确定的时间下分别于60、90、120、150、180 rpm搅拌后，通过抽滤装置使沉淀与水分离，测水中硬度。同时做平行实验，数据取平均值。

(4)无晶种与有晶种时去除效果的比较

取6个500 mL烧杯，分别加入500 mL浓水和5 mL浓度为100 g/L的Na2CO3溶液，在已确定的转速下分别搅拌3、5、7、10、15、20 min后，通过抽滤装置使沉淀与水分离，测水中硬度。以研究无晶种时硬度的去除效果，同时做平行实验，数据取平均值。

取6个500 mL烧杯，分别加入1 g废弃PAC，500 mL浓水和5 mL浓度为100 g/L的Na2CO3溶液，在已确定的转速下分别搅拌3、5、7、10、15、20 min后，通过抽滤装置使沉淀与水分离，测水中硬度。以研究有晶种时硬度的去除效果，同时做平行实验，数据取平均值。

(5)连续运行时硬度去除效果的研究

取500 mL烧杯，分别加入1 g废弃PAC，500 mL浓水和5 mL浓度为100 g/L的Na2CO3溶液，在已确定的转速和时间下搅拌，然后静置10 min，使沉淀明显沉降至烧杯底部，然后通过虹吸法吸出400 mL水，保存，以备测出水硬度，此时完成第1次运行。向烧杯中加入400 mL浓水，加入5 mL浓度为100 g/L的Na2CO3溶液，利用烧杯中已有的晶种，在相同的转速和时间下进行软化实验，静置10 min后，虹吸法吸出400 mL水，保存，以备测出水硬度，此时完成第2次运行。如此往复，考察连续运行时硬度的去除效果。同时做平行实验，数据取平均值。

1.3 检测方法

实验(2)～(4)通过EDTA滴定法测定水中总硬度[11]，实验(5)通过原子吸收分光光度法测定水中硬度[12]。

2 结果与讨论

2.1 搅拌时间的确定

搅拌时间对硬度去除效果的影响如图1所示。

图1 搅拌时间对硬度去除效果的影响Fig.1 The effect of stirring time on the removal of hardness

由图1可知，在120 rpm的搅拌转速下，水中的硬度前期下降速度较快，在10 min内由1228 mg/L降至300 mg/L；在10～20 min时间段，硬度下降速度较慢，由300 mg/L降至285 mg/L。基于确保硬度得到更有效去除的考虑，后续实验选定时间为20 min。

2.2 搅拌转速的确定

搅拌转速对硬度去除效果的影响如图2所示。

图2 搅拌转速对硬度去除效果的影响Fig.2 The effect of stirring speed on the removal of hardness

由图2可知，在相同的搅拌时间(即20 min)条件下，搅拌转速为60、90 rpm时，硬度去除效果基本相同，硬度由1228 mg/L降至325 mg/L；当转速增加至120 rpm时，硬度降至280 mg/L；当转速增加至180 rpm时，硬度降至277 mg/L；转速由120 rpm增加至180 rpm时，硬度的去除几乎没有得到增加。因此，后续实验选定的转速为120 rpm。

2.3 晶种的投加对硬度去除效果的影响

晶种的投加对硬度去除效果的影响如图3所示。

图3 晶种的投加对硬度去除效果的影响Fig.3 The effect of seed addition on the removal of hardness

由图3可知，在所考察的时间内，晶种的投加能显著提高硬度去除的效率。10 min时，在有晶种的情况下，硬度已从1228 mg/L降至300 mg/L，去除率达75.6%；而没有晶种的情况下，20 min时，硬度从1228 mg/L降至325 mg/L，去除率为73.5%，此时，硬度的去除效果接近有晶种时10 min的去除效果。

2.4 连续运行时硬度的去除效果

连续运行时硬度的去除效果如图4所示。

图4 连续运行时硬度的去除效果Fig.4 The removal efficiency of hardness under continuous operation mode

由图4可知，连续运行20次，出水硬度由287 mg/L降至106 mg/L，去除率(每次的出水硬度与每次初始硬度之比)由77%增至90%。去除效果的提升，可能是由于两个方面原因造成的：一是由于相较于第一次运行，后续每次开始时初始硬度经过稀释后都有所降低(因为后续每次进水都是400 mL，与烧杯中剩余的100 mL溶液混合后开始硬度去除实验)，而Na2CO3的投量是一样的，这给硬度去除率的提高带来了一定的作用；二是随着运行次数的增加，附着于PAC上的沉淀增加导致PAC尺寸增加，PAC尺寸增加有助于钙镁离子与软化剂的结合，这需要对晶种进一步分析验证。

3 结 论

(1)废弃PAC作为晶种，可显著提高硬度的去除效率。在初始硬度为1228 mg/L，晶种为2 g/L，碳酸钠为1 g/L，转速为120 rpm时，10 min时硬度去除率可达75.6%，而没有晶种时，达到相似硬度去除效果，则需20 min。

(2)连续运行时，硬度去除效果随着运行次数的增加而增加，连续运行20次时，出水硬度由287 mg/L降至106 mg/L，去除率由77%增至90%。

(3)废弃PAC作为晶种时，可显著提高硬度去除效率；且连续运行时，硬度去除效果随着运行次数的增加而增加。因此，废弃PAC作为晶种加速沉淀软化去除浓水中硬度，方法初步可行。