超声强化混凝技术在给水处理中的研究

吕淑清，杜鹃山，高 飞

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林 吉林 132012;2.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001;3.山东青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266520)

随着我国现代化建设进程的加速，工业的不断发展和扩大，对水量的需求越来越大，一些行业的特点使得其对水质的要求也越来越高。水资源短缺已成为今后最突出的资源与环境问题，水资源短缺问题突出表现在因水质污染所造成的功能性短缺上。特别是随着工农业的迅速发展和城镇人口的剧增，大量工业废水和生活污水不经处理或处理不达标而直接排放，使我国许多城镇的地表水水源受到了不同程度的污染，地表水中有机物的种类和数量大大增加[1－2]。造成了目前水源水存在的微污染问题。

火力发电厂用水量大，对水质要求高[3]，尤其是大容量、高参数机组的锅炉补给水，水质要求更为严格，所以在电厂运行中要保证补给水达标，以确保机组安全经济运行。本课题针对电厂给水处理中的预处理部分，进行强化混凝，以提高对水中为污染物质的去除效率。主要针对水中的悬浮物、胶体、硅和有机物进行了实验。

1 实验部分

1.1 实验装置与材料

本实验的原水为地下水加入粘土混合，主要药品有硫酸铝，钼酸铵，可溶性硅酸钠，重铬酸钾和硫酸银等，均由蒸馏水配制。实验中涉及的主要仪器包括浊度仪(上海精密科学仪器有限公司)，721分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)，pH－211(HANNA)，数显恒温水浴锅HH－4(金坛市鑫鑫实验仪器厂)和数字超声CD－7810(A)清洗器(42 kHZ)。

混凝实验利用烧杯实验，加入混凝剂搅拌后沉淀一定时间后用注射针管取样进行浊度检测。当用超声波作用时，应该在超声作用后立即加入混凝剂搅拌，再沉淀取样。硅含量的测定按照GB6903－86锅炉用水和冷却水分析方法通则[5]。重铬酸钾指数按照标准实验方法测定[4]。

1.2 实验原理

1.2.1 强化混凝理论

利用强化混凝去除水中的有机物(特别是腐殖质)被证明是有效的方法，作用机理主要有以下三种[6－9]:

(1)通过双电层缩压、电中和、网捕或架桥作用使胶体脱稳;

(2)由沉降速度差造成的差降沉降作用;

(3)主要通过表面吸附非同类构造的分子而产生的共同(协同)沉降作用。

1.2.2 超声强化混凝原理

原理和去除有机物的原理类似，由于不同的原理对应不同的使用的对象。主要有絮凝作用，机械剪切作用，空化理论，自由基理论。机械剪切作用已经被用于强化混凝去除蓝藻上使用[10]。后两者的作用主要去除难降解有机物以强化混凝，而絮凝作用很可能对去除浊度有效果。

1.3 结果与讨论

1.3.1 确定混凝剂最佳投药量

为确定混凝剂最佳投药量，采取单一变量原则，在保持温度和pH值不变的情况下选择不同的混凝剂投加量。原水的浊度97 NTU，pH=7.44，温度T=18.0℃，选择五只1 L烧杯，取原水800 mL，加入配制的硫酸铝，四小时后测定浊度。实验数据如表1。

根据实验数据分析得出最佳的加药量为2.0 mL～2.1 mL之间，在实验中选择了 2.1 mL作为最佳投药量进行以下的实验。2.1 mL换算成投加硫酸铝的，根据计算原则可以计算出Al元素的含量为6.384 mg/L。

1.3.2 确定混凝的最佳温度

温度是影响混凝过程的主要因素。温度过低时，絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小，混凝效果差;水温过高时，混凝剂水解反应速度过快，絮体松散不易沉降[11]。因此要寻找混凝过程中的最佳条件必须要考虑温度的影响，本实验选取了11℃到20℃的范围，在混凝剂投加量为2.1 mL的情况下，每隔1℃做一次实验，以获取最佳温度，获得的具体数据见表2。

由上表可以发现，当原水浊度相同时，浊度随着时间的变化很有规律，随着温度的升高，浊度降低明显，但是达到18℃以后，浊度又有所提升。表明了最佳的混凝温度为17℃～18℃，可以选择作为接下来实验中的最佳温度。

1.3.3 确定混凝的最佳pH值

混凝的效果和溶液的pH有很大的关系，对于硫酸铝而言，水的pH值直接影响Al3+的水解聚合反应。实验确定了最佳pH值。温度和投加量根据1.3.2 和 1.3.3 的结论选择，为2.1 mL和18℃。不同的pH对应的混凝后的浊度数据见表3。

由实验可知在酸性条件下效果最差，当pH=7.20时(也就是原水的pH)，效果最好，虽然当pH增大到9.5左右时效果会提升但仍然没有pH=7.2时效果好，经分析研究，这是由于铝盐的水解产物决定的。当pH在4～5时，水中产生较多的多核羟基配合物([Al2(OH)2]4+，[Al3(OH)4]5+);当pH在6.5～7.5的中性范围内，水解产物将以Al(OH)3为主;在碱性pH＞8.5时，水解产物以负离子状态出现，无法吸附胶体。而且从工业实际出发，调节pH是很麻烦和浪费的措施，综合效果和成本问题，还是选择pH=6.5～7.5为宜，即原水无需调节pH值。

表1 不同加药量下原水反应后的最终浊度(NTU)

表2 不同温度条件下原水反应后的最终浊(NTU)

表3 不同pH值条件下原水反应后的最终浊度(NTU)

1.3.4 超声波对浊度的去除的影响

实验选择超声波的作用时间为10 s～60 s[12]，每隔10 s取样，先用超声波作用于原水后立即加药进行混凝。混凝的其他条件为pH=7.20，T=18℃，加药量2.1 mL，原水浊度为49.9 NTU。实验数据如表4和图1。

表4 超声作用不同时间下反应后的浊度(NTU)及去除率

由表中发现当超声波的时间为30 s时效果最好，而当时间超过30 s，效果下降。另外对比不加超声的小组，发现整体混凝效果对浊度的去除率并没下降多少，但是最终浊度低了1.23 NTU，查阅文献知道浊度越低越难去除，因此不能仅依靠去除率衡量，而应该以最终的浊度来看，两者的差距很大，因此可以说超声除浊度是很有效果的。

图1 超声波作用时间对混凝的影响

进行本组实验之前由于不了解超声波的作用形式，所以操作时就一边用超声波震动，一边加药混凝，但是根据实验现象和数据发现最终浊度比原始的还要高或者接近，就是由于超声波将絮体打碎了，无法沉降所以无法测出结果。

另外根据张光明等的有关超声的研究表明投加超声波应该为加药之前，而且最佳时间为30 s以内[12－13]，这个结论基本符合本实验的结果。

1.3.5 超声强化混凝对水中全硅的去除

图2 超声波对混凝除硅的影响

表5 超声作用时间不同情况下的除全硅效果

在最佳混凝条件下(pH=7.20，T=18℃，加药量2.1 mL)，加入超声的作用时间分别为0s，10 s，20 s，30 s，取样10 mL检测混凝后水中全硅，数据记录于表5，根据数据拟见图2。原水的全硅含量为7.91 mg/L，但是实验发现加入超声并没有起到很好的作用，单独混凝的去除率为15.8%，而效果最好的也只有22.75%，去除效率都很低。如果仅仅为了除硅而加入超声是不经济的，但是结合了去除浊度的效果，因此总体来看还是比较经济的。超声的时间应根据去除浊度而定，除硅基本效果相差不大。

1.3.6 超声强化混凝对天然水中有机物的去除

在最佳混凝条件下(T=18℃，pH=7.20，加药量2.1 mL)进行超声强化实验，分别作用时间为0 s、10 s、20 s、30 s，取样测定水中的COD值来考察超声作用对混凝过程中对有机物的去除效果。具体数据见下表6和图3。

表6 超声下的有机物测定结果(以重铬酸钾指数计)

由表5和图3可知在超声波的作用下混凝过程对有机物的去除效果非常明显，在作用30 s的时候去除率可以达到90.85%，比不用超声波的效率高出了22.58%，而且30 s时刻也符合前面关于浊度和全硅的结论，因此实验证明超声强化对有机物的去除具有明显作用。

图3 超声波作用下混凝过程对有机物去除的影响

2 结 论

通过最佳混凝条件的选择和接着进行超声波强化作用的一系列试验，检测出浊度、全硅和有机物的变化情况，得出如下结论:

(1)本次实验用水采用地下水加入部分粘土，得出的最佳混凝条件是温度T=17－18℃，pH=6.5－7.5(本实验原水 pH 为7.20)，最佳投药量为2.1 mL(800 mL烧杯)即 Al的含量为6.384 mg/L。

(2)当加入超声作用时，为不破坏絮体的形成，必须在加药前作用，而且必须停止即加药，否则最后絮体破碎，无法沉降。

(3)当单独使用混凝剂的效果没有超声作用好，经过超声30 s对3浊度去除效果最好，能比传统混凝低1.23 NTU，当作用时间超过30 s，效果下降，但是仍然比传统混凝好。

(4)当超声混凝除全硅时效果并不明显，和传统混凝的效果基本相差无几，但是作为除浊度的辅助作用存在。

(5)当超声去除有机物时效果很明显去除率最大达到90.85%，而且超声作用时间越长，有机物去除率越高，但是除浊的效率下降，因此时间选在30 s左右最好。

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