磁絮凝技术用于高浊海水淡化预处理工艺中的浊度去除

王 捷，杨洒洒，贾 辉，刘露露，文哲武，杨 光，郭胜男，白金铎

（1.天津工业大学 环境与化学工程学院，天津 300387；2.天津工业大学天津市水质安全评价与保障技术工程中心，天津 300387；3.天津工业大学 分离膜与膜过程省部共建国家重点实验室，天津 300387）

磁絮凝技术用于高浊海水淡化预处理工艺中的浊度去除

王 捷1，2，杨洒洒1，3，贾 辉1，2，刘露露1，3，文哲武1，3，杨 光1，3，郭胜男1，白金铎1

（1.天津工业大学 环境与化学工程学院，天津 300387；2.天津工业大学天津市水质安全评价与保障技术工程中心，天津 300387；3.天津工业大学 分离膜与膜过程省部共建国家重点实验室，天津 300387）

将磁絮凝技术用于高浊海水淡化预处理工艺中的浊度去除.运用Design-expert 8.0.6软件设计实验，以浊度去除率为考察指标进行烧杯实验，确定在该海水水质条件下混凝剂以及混凝剂与磁粉复配时的最佳投加量.响应曲面法分析结果表明：单独投加混凝剂时，在FeCl3投加量为31.15 mg/L时，浊度去除率达到最大值85.9%；加载磁粉强化混凝时，在FeCl3投加量为28.74 mg/L、Fe3O4投加量为6.02 mg/L时，浊度去除率达到最大值92.8%.通过加载磁粉，不仅可以减少混凝剂用量，而且对于海水浊度的去除率也明显提高.

磁絮凝；高浊海水；淡化预处理；浊度去除；响应曲面法

methodology（RSM）

海水淡化是对海水脱盐处理制取淡水的过程.天津是我国海水淡化技术发展最快的地区之一，日处理量达到10万t的包括北疆电厂、开发区新源电厂、大港新泉海水淡化厂等.而流入天津渤海湾的主要河流有泥沙含量大的黄河、海河等，而且其与外海域的自然交换很弱[1]，导致渤海湾泥沙淤积严重，固体悬浮物多，浊度高，海水温度和浊度受气象、季节变化等影响显著[2].天然海水中的各种颗粒物表面均带负电荷，且电性均匀，悬浮物表面极易吸附有机物而形成一层水化保护膜，正是由于表面带电荷和有一层水化保护膜，使得海水中的悬浮物颗粒处于分散状态而不易沉降[3].因此，在海水利用之前的预处理就显得尤为重要.

由于海水浊度随着季节以及潮汐的变化而波动较大，因此需要进行预处理来降低原海水的浊度，而且随着对浊度的去除，海水中的悬浮颗粒物、胶体物质以及大分子有机物含量也可以得到相应的降低[4].目前，海水淡化预处理中对浊度去除的常规方法主要是在海水中添加混凝剂[5].混凝机理可分为压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、网捕卷扫4种，这4种混凝机理往往可能是同时或交叉发挥作用[6].由于海水中含有大量的无机盐，它们扮演着“惰性电解质”的角色，使胶体颗粒的双电层压缩的足够薄，故在其混凝过程中占主导地位的应是吸附电中和机理与吸附架桥机理.

磁絮凝技术是通过在投加混凝剂的同时加载磁粉，使海水中污染物、磁粉、混凝剂结合为一体，形成“磁性复合体”，然后通过自身的快速沉降或磁分离装置，实现固液分离，从而将污染物去除.磁技术作为一种高效的分离、净化方法，在水以及餐饮废水、印染废水、电镀废水等处理领域的作用和地位日益凸显[7-8].陈瑜等[9]以对COD、浊度、TP、氨氮的去除效果为考察指标，对城市生活污水进行磁絮凝试验研究，发现磁絮凝工艺处理城市生活污水的效果要好于传统混凝工艺，不仅能缩短絮凝与沉降时间，减少絮体体积，而且更易于实现固液磁分离.李继香[10]考察了常规混凝和加载磁混凝工艺对微污染河水中COD、浊度和TP等污染物的去除效果，结果表明，加载磁种后沉淀颗粒的体积平均粒径从常规混凝工艺的50.1 μm显著增加到68.6 μm，污染物去除效果明显优于常规混凝工艺，尤其对浊度的去除效果得到了显著提升.曾慧峰等[11]在对垃圾渗滤液的预处理中加载磁絮凝，测定了絮凝沉降后的絮体含水率，结果表明，絮体的含水率随磁粉加入量增加而降低，而且磁絮体沉降速度比普通絮体快14倍，体积仅为普通絮体的1/3.加载磁粉能显著增强混凝剂对海水中污染物的结合能力，减少混凝剂的用量，磁粉也可回收再利用，运行成本低.

近几年来，加载磁粉强化混凝已广泛地应用于水处理的研究，但是磁絮凝技术应用于海水淡化预处理却报道较少.胡桂兰等[12]以海水为试验对象，研究了不同实验条件下的强化混凝效应，结果表明，三氯化铁在去除浊度方面较其它混凝剂更有效.刘振耒等[13]利用磁铁砂加载絮凝技术处理低温低浊海水，得到了相同的实验结论，磁铁砂加载絮凝效果差异明显，其中最好的为FeCl3；并且在低温低浊状态下，磁铁砂加载絮凝与常规混凝相比，海水浊度的去除率由89.73%提升至92.87%.针对天津地区海水水质特点，本文探讨采用混凝剂加载磁粉进行海水淡化预处理的工艺可行性，通过烧杯试验确定混凝剂与磁粉复配的最佳投加量，与常规混凝进行对比，以期提供一种更为高效的海水淡化预处理技术.

1 实验部分

1.1 材料与设备

所用材料包括:实验用水，取自天津大港近岸表层海水，原海水水质如表1所示；混凝剂，选用对水体的温度和pH值适用范围较广的氯化铁（FeCl3，分析纯）作为混凝剂，天津市科密欧化学试剂有限公司产品；强化絮凝的磁粉，选用四氧化三铁（Fe3O4，分析纯），天津市科密欧化学试剂有限公司产品，使用孔径为0.09 mm的S-8型分子筛对磁粉进行筛分，选用粒径为0～0.075 mm的磁粉进行实验.

表1 原海水水质Tab.1 Quality of raw seawater

所用设备包括:ZR4-6型混凝实验搅拌机，深圳市中润水工业技术发展有限公司产品；S-8型分子筛，上虞市大地分样筛厂产品；HM pH-200型pH计，韩国HM Digital公司产品；HACH 2100P型浊度仪，HACH 60A型COD测试仪，美国哈希公司产品；Alpha-1500型紫外可见分光光度计，上海谱元仪器有限公司产品；SANXIN MP515型电导率测试仪，上海三信仪表厂产品.

1.2 实验方法

采用ZR4-6型混凝实验搅拌机对所取海水进行烧杯实验，以200 r/min快速搅拌1 min，60 r/min慢速搅拌20 min，然后静置20 min.在液面下2 cm处取其上清液测定浊度.运用Design-expert 8.0.6软件设计实验，根据响应曲面（response surface methodology，RSM）分析分别确定单独使用混凝剂以及混凝剂与磁粉复配的最佳投加量.

1.3 性能指标测试

采用HM pH-200型pH计测试海水的pH值和温度；采用HACH 2100P型浊度仪测试海水浊度；采用HACH 60A型COD测试仪测试海水CODMn；采用Alpha-1500型紫外可见分光光度计测试UV254；采用SANXIN MP515型电导率测试海水TDS和电导率.

2 结果与讨论

2.1 混凝剂最佳投加量的确定

以FeCl3投加量作为影响因素，以浊度去除率作为响应值，运用Design-expert 8.0.6软件设计实验，考察只投加混凝剂时对海水浊度的去除效果.

在1 L海水中加入混凝剂FeCl3，使其质量浓度分别为10、20、30、40、50 mg/L，按照表2中实验顺序进行混凝烧杯试验，结果如表2所示.浊度去除率真实值与预测值对比如图1所示.

表2 常规混凝响应曲面法试验设计及结果Tab.2 RSM experiments and results of conventional coagulation

图1 浊度去除率真实值与预测值对比图Fig.1 Actual vs predicted value of turbidity removal

由表2中实验数据可以得出，随着混凝剂投加量的增加，海水浊度的去除率先由61.6%升高至84.5%后降低到67.1%；响应曲面分析结果表明，当混凝剂FeCl3质量浓度为31.15 mg/L时，浊度去除率达到85.9%，为最佳值.而且由图1可以看出，浊度去除率真实值与预测值比较接近，相关性系数为0.989.

2.2 混凝剂和磁粉复配最佳投加量的确定

为了研究混凝剂和磁粉投加量的最佳复配比，采用FeCl3和Fe3O4投加量作为影响因素，浊度去除率作为响应值，运用Design-expert 8.0.6软件设计实验.使用六联搅拌机进行烧杯实验，每次取1 L海水按照表3设计的实验分别投加混凝剂和磁粉，按1.2方法进行实验，结束后测定上清液的浊度，考察加载磁粉时对海水浊度的去除效果，用响应曲面法分析不同投加量时的实验结果，以确定混凝剂与磁粉复配时的最佳投加量.结果如表3和图2所示.

表3 磁絮凝响应曲面法试验设计及结果Tab.3 RSM experiments and results of magnetic flocculation

图2 响应曲面法分析结果Fig.2 Results of RSM

由图2（a）可以看出，随着混凝剂FeCl3和磁粉Fe3O4投加量的改变，对浊度的去除率呈现先增高再降低的趋势；响应曲面分析结果表明，在FeCl3质量浓度为28.74 mg/L、Fe3O4质量浓度为6.02 mg/L时，浊度去除率达到最大值92.8%.而单独投加混凝剂时，在FeCl3质量浓度为31.15 mg/L时，浊度的去除率达到最大值仅为85.9%.因此，混凝剂与磁粉复配不仅可以降低混凝剂的用量，而且明显提高浊度的去除率.图2（b）为浊度去除率真实值与预测值对比图，可以看出，去除率真实值与预测值均匀地分布在直线两侧，表明实际操作结果的可靠性良好.

表4所示为混凝剂与磁粉投加量对于海水浊度去除率影响的相关性分析.

表4 响应曲面建立模型的F值结果Tab.4 F values of RSM model

由表4中的F值可以看出，混凝剂投加量对于浊度去除率的影响较为显著，而磁粉对其影响并不很显著.投加磁粉更多的是增加了絮体的比重，增大了絮体粒径，缩小了絮体体积.混凝效果影响后续的沉淀过程，加载磁粉的混凝过程可以缩短沉淀时间，提高沉淀效率，缩小沉淀池容积.

2.3 常规混凝与磁絮凝的经济性分析

以处理量为100 000 m3/d的某海水淡化厂为例，采用常规混凝方法进行预处理，需要消耗FeCl3的量为3 115 kg/d，高品质FeCl3混凝剂的价格以24元/kg计，则混凝剂的投资为74 760元/d；而采用磁絮凝技术进行预处理时，需要消耗FeCl3的量为2 874 kg/d，混凝剂的投资为68 976元/d.虽然磁絮凝技术需要在混凝时加载磁粉，增加投资，但是可以通过磁回收装置达到80%的回收率，该处理量下需要消耗磁粉为602 kg/d，其价格以20元/kg计，则对磁粉的投资为2 408元/d.因此，采用磁絮凝技术，对药剂的投资可减少3 136元/d.更重要的是，通过磁絮凝工艺，对高浊海水浊度的去除由85.9%显著提高到92.8%.综上所述，加载磁粉强化混凝不仅可以降低混凝剂药耗，降低工程投资和运行成本，而且较好的出水水质可以降低后续处理工艺负担.由此说明，磁絮凝技术在海水淡化预处理领域极具应用前景.

3 结论

以天津地区某区域海水为对象，进行磁强化混凝预处理研究，结果表明:

（1）只投加混凝剂FeCl3，其投加量为31.15 mg/L时，浊度的去除率达到85.9%，为最大值.且浊度去除率真实值与预测值比较接近，相关性系数为0.989.

（2）当混凝剂与磁粉复配时，在FeCl3投加量为28.74 mg/L、Fe3O4投加量为6.02 mg/L时，浊度去除率达到最大值为92.8%.

（3）以浊度为考察指标，相对于磁粉Fe3O4来说，混凝剂FeCl3对海水中浊度的去除效果更为显著，而投加磁粉不仅可以降低混凝剂投加量，而且对于浊度的去除率也明显提高.

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M agnetic flocculation technology in turbidity removal of high turbidity seawater for desalination pretreatment

WANG Jie1，2，YANG Sa-sa1，3，JIA Hui1，2，LIU Lu-lu1，3，MUN Chol-mu1，3，YANG Guang1，3，GUO Sheng-nan1，BAI Jin-duo1
（1.School of Environmental and Chemical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Tianjin Engineering Center for Safety Evaluation of Water Quality&Safeguards Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；3.State Key Laboratory of Seperation Membranes and Membrane Processes，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

The magnetic flocculation technology was utilized in the turbidity removal of high turbidity seawater in the pretreatment process for desalination.Beaker tests designed by Design-expert 8.0.6 were conducted for this type of seawater to acquire the turbidity removal rates，which determined the optimum dosages of coagulant and the combination of coagulant with magnetite.The results of response surface methodology （RSM）demonstrated that when the dosage of ferric chloride（FeCl3）was 31.15 mg/L，turbidity removal rate reached the maximum 85.9%；meanwhile，if magnetic enhanced flocculation was used，turbidity removal rate reached the maximum 92.8% when the dosages of ferric chloride（FeCl3）and magnetite（Fe3O4）were 28.74 mg/L and 6.02 mg/L，respectively. By magnetic enhanced flocculation，the dosage of coagulant can be reduced and the turbidity removal rate will increase obviously.

magnetic flocculation；high turbidity seawater；desalination pretreatment；turbidity removal；response surface

X55

A

1671－024X（2015）04－0018－04

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.04.004

2015-04-22

国家自然科学基金资助项目（51378349）；天津市科技兴海项目（KJXH2012-5）；长江学者和创新团队发展计划项目（IRT13084）

王 捷（1979—），男，博士，教授，研究方向为膜法水处理技术.E-mail:wangjie@tjpu.edu.cn