交变电磁场强化混凝对河水中藻类去除的研究.docx

交变电磁场强化混凝对河水中藻类去除的研究吴思聪 1，延克军 1，郭恒超 2，李立 2（1.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古 包头 014010； 2.盐城工学院土木工程学院，江苏 盐城 224051）摘 要：利用自制交变电磁场磁化装置，进行磁化聚合硫酸铁（pfs）溶液混凝除藻单因素实验和正交实验，确定磁化混凝除藻的优化参数，并与传统混凝进行对比。结果表明，在 pfs 投加量 80 mg/l、磁感应强度 4.42 mt、频率 50 hz、 磁化时间 3 min、ph=8.0 的优化条件下，藻类、浊度去除率分别为 96.7%和 99%。磁化较非磁化混凝具有处理效率更 高、投加量更少、污泥性能更好、出水余铁含量低等优点。并初步探讨了磁化混凝除藻的机理。 关键词：交变电磁场；强化混凝；藻类；混凝效果中图分类号：tu991.22文献标识码：a文章编号：1000-3770(2014)11-0028-004藻类污染一直是一个长期的全球性问题，藻类污染引发的一系列供水安全问题也受到了广泛关注。 随着污染日益加剧，常规的混凝除藻工艺存在明显 的治理局限和不足。混凝法核心是混凝剂的采用，聚合硫酸铁（pfs） 因其优良安全的混凝性能，得到了广泛应用1。此外， pfs 中 fe3+ 在磁场中显示磁特性，易被磁化。磁场可以传递能量并对物质的微观结构产生影 响。目前，磁场已广泛应用到水处理领域，磁联合其 他工艺处理污水可以有效提高净化效率2-9。而研发 良好性能的磁性混凝剂能提高混凝效果10-11。本实验创新性地设计了交流变频电磁感应装置， 通过磁化 pfs 溶液对河水中藻类的去除效果进行研 究，充分发挥磁场的特性和混凝剂的优势，以期为藻 类等有机污染物的去除提供一种新的可行性手段， 对提高水质安全性，降低混凝剂用量具有重要意义。用绝缘纤维纸将铜线线圈包裹起来，外接可调电源。通过计算和检测，线圈内部中心磁感应强度：b0 =4.42 mt i/a。试剂：pfs（其中 fe 的质量分数 18.5%）、氢氧化钠、盐酸，鲁戈试剂（4 g 碘加 6 g 碘化钾溶于 100ml 蒸馏水中）。所用试剂均为分析纯。1.2实验原水实验原水取自盐城市亭湖区通榆河某支流河段， 具体水质参数见表 1。表 1 实验原水指标tab.1 experimental indicators of raw water浊度 /ntu藻细胞 /(106cellsl-1)水样取样时间优势藻ph2013-052013-06 4013028607.08.5颤藻1 2 2013-122014-01 19.837.5 68.4 7.38.0 小球藻1.3实验方法采用六联混凝搅拌机分别对夏冬 2 种水样进行 烧杯混凝实验。配置质量分数 1.96%（2 g pfs 固体 粉末溶解于 100 ml 蒸馏水）的 pfs 溶液，调整电流 频率、电流，按照设定的时间取定量该溶液进行磁化， 再按照 300 r/min 1 min、100 r/min 10 min、30 r/min 10 min 混凝搅拌，静置 20 min，于液面下 2 cm 处取上清液 测藻数量、浊度。按照单因素实验和正交实验得出的 优化水平与非磁化混凝工艺处理相同原水进行对比。1.4分析方法藻含量采用血球计数板镜检计数，浊度采用浊度 仪测定。用各指标去除率表示混凝效果。将沉淀后的实验部分11.1设备及试剂设备仪器：xsz-n107 型显微镜，wgz-200 型浊 度仪，ct-6021a 型 ph 计，my3000-6 型智能混凝试 验 搅 拌 仪 ，quanta200 扫描电子显微 镜（sem）， wt10c 型高斯计。自制磁化装置，以聚甲基乙撑碳酸酯（ppc）塑料管（准=83 mm，l=150 mm）为线圈骨架，骨架外紧 密缠绕铜质漆包线（d=0.47 mm）2 层共 560 匝。并收稿日期：2014-03-10作者简介：吴思聪（1987），女，硕士研究生，研究方向为水处理技术；联系电话电子邮件：easewsc163.com吴思聪等，交变电磁场强化混凝对河水中藻类去除的研究29 絮体置于滤纸上过滤，当水分基本滤干后放入烘箱，当磁感应强度分别为 3.54 mt 和 4.42 mt 时，水样 2的藻类和浊度去除率分别达到最大。由于 2 种磁感 应强度下浊度去除效果差距不大，故以藻类去除率 为主要指标选定 3.54 mt 为优化磁感应强度，此时 水样 2 藻类和浊度的去除率分别为 87.5%和 98.4%。 pfs 溶液粒子受到电磁感应影响，电子绕核运 动受到影响， 电位升高，稳定性提高，电中和及架桥网铺作用增强；磁感应强度继续增加，线圈产生更 多的热耗，粒子获得的电磁能量减少，稳定性下降， 去除率降低。2.3混凝剂磁化时间的影响选择混凝剂磁化时间为单一变量，其它各因素 数据按前期实验所得数据设定，结果如图 3 所示。在 25 下持续烘干 3 h，进行 sem 图像分析。结果与讨论22.1pfs 投加量的影响选择 pfs 投加量为单一变量，其它各因素数据按前期实验所得数据设定，结果如图 1 所示。10090807060501000 306090 120150180 /(mg l )图 1 不同 pfs 投加量的去除率fig.1 removal efficiency under different coagulant dosage由图 1 可知，随着投加量的增加，去除率呈现先 增高后缓慢降低的趋势。水样 2 投加量为 100 mg/l 时，藻类和浊度去除率达最高，分别为 93%和 98.6%； 水样 1 投加量为 120 mg/l 时，藻量和浊度去除率达 到峰值，分别为 94%和 92.2%。藻类等污染物表面带负电荷，而 pfs 的水解产物带正电荷，投药使得体系内胶粒的 电位降低，排 斥势能降低，胶粒在引力作用下发生聚沉；当胶体颗粒吸附过量的正电荷时，使得本身带正电荷，排斥势 能增加，出现再稳。2.2磁感应强度的影响选择磁感应强度为单一变量，本实验通过调节 电流大小，改变磁感应强度。其它各因素数据按前期 实验所得数据设定，结果如图 2 所示。9080706050050100150t/s200250300图 3不同磁化时间的去除率fig.3 removal efficiency at different magnetization time由图 3 可知，随着磁化时间的延长，去除率先增 高后降低。随着时间延长，pfs 溶液中粒子磁矩随磁 场方向取向，变得更加有序，稳定性提高，去除率呈 上升趋势，在 180 s 时去除率达最高，此时水样 2 藻 类和浊度的去除率分别为 87%和 98.4%；水样 1 藻 类和浊度的去除率分别为 96.8%和 88.6%。随后，粒 子热运动愈发剧烈，削弱了这种 取向 ，容易发生 聚沉，稳定性降低，去除率下降。2.4水体 ph 的影响利用 hcl 和 naoh 溶液调节原水 ph 为 510， 选择水体 ph 为单一变量，其它各因素数据按前期实 验所得数据设定，结果如图 4 所示。由图 4 可知，随着 ph 升高，去除率先增高后降 低。当 ph 为 7.0 时，水样 1 藻类和浊度的去除率达到最大，分别为 95.5%和 90.3%；当 ph 为 8.0 时，水样 2 藻类和浊度的最大去除率分别为 88%和 98.9%。 在中性和偏碱性环境中，水解产物以中低聚物 为主，主要发挥电中和作用，又可发挥吸附架桥和卷 扫絮凝作用，故表现出良好的混凝效能；随着 ph 增大，逐渐生成低电荷的高聚物，高聚物逐渐变成疏水 性，最后沉淀，所以去除率降低。10090807060500 1 234567b /mt图 2 不同磁感应强度下的去除率fig.2 removal efficiency under different magnetic field intensity由图 2 可知，随着磁感应强度的增大，去除率先增高后降低。磁感应强度为 2.65 mt 时，水样 1 藻类 和浊度的去除率达到最大，分别为 87.4%和 80.8%；$ /%$ /%$ /% % % % 第 40 卷 第 11 期30水处理技术100100909080807070606050050306090 120 150 18045 67891011phpfs /(mg l )图 4 水体不同 ph 下的去除率fig.4 removal efficiency under different ph of water图 6磁化与非磁化 pfs 的去除率比较fig.6comparison of removal efficiency under magnetization andunmagnetization pfs conditions2.5磁场频率的影响实验所采用的是交流磁场，磁场频率进一步决 定了线圈的感抗，故频率的改变会导致电流改变，进 一步导致磁感应强度改变。磁化装置可以屏蔽电流 的作用，只考察频率对混凝效果的影响规律，选择磁 场频率为单一变量，其它各因素数据按前期实验所 得数据设定，结果如图 5 所示。非磁化组 pfs 投加量为 120 mg/l 时，藻量和浊度去除率达到最大，分别为 93.8%和 96.5%。由此可知， 磁化工艺对藻类的去除率要好于非磁化的传统工艺： 相同投加量下，磁化效果要好于非磁化；磁化混凝能 够减少混凝剂的用量，并且能一定程度地提高混凝 效率。2.7絮体断层的 sem 对比上述实验已证明磁化除藻的效果好于非磁化。 取优化条件下磁化和非磁化的絮体进行 sem 断层 图像（放大 8 000 倍）分析，如图 7 所示。100908070605025 50 75 100 125 150f/hz175 200 225图 5 不同磁场频率下的去除率fig.5 removal efficiency under different magnetic field frequency由图 5 可知，随着频率的增大，去除率呈平缓周 期性变化。因为溶液中的各粒子都在不断地振动，并 对应一定的能级。同时，粒子在方向不断变化的磁场 中反复被磁化。随着频率的变化，会周期性的产生共 振。共振使不同粒子谐振动加强，影响了各粒子间的 结合状态，进而对 pfs 水解产物形态分布产生影 响。在 50 hz 下，各去除率达到最高。由于频率变化 对混凝效果影响微小，不将其作为主要影响因素，故 选定频率为 50 hz。2.6对比实验采用水样 1 进行正交实验，得到的优化条件为 磁感应强度 4.42 mt、频率 50 hz、磁化时间 3 min、 ph 为 8.0，在该优化条件下进行磁化组与非磁化组对 比实验，实验原水浊度为 54 ntu，藻含量为 31106 cells/l，结果见图 6。由图 6 可知，磁化组 pfs 投加量为 80 mg/l 时， 藻量和浊度去除率达到最大，分别为 96.7%和 99%；磁化絮体非磁化絮体图 7 絮体断层的 sem 图像对比fig.7 sem image contrast of flocs fault由图 7 可知，藻类与絮体接触面特性差距巨大， 磁化絮体表面光滑细腻，藻类与絮体贴合度非常高； 非磁化絮体表面的纹理相对粗糙突兀，空隙较大，且 在未干化状态，此絮体内部则是松散、多孔结构。通过 sem 图像分析可以得出结论，磁化条件下的絮体对藻类以及悬浮颗粒的吸附量大、结合度高， 空隙少，结构紧凑致密；而非磁化的絮体结合度较低， 空隙多，结构相对松散。一般来讲，结构密实、强度大 的絮体更不易受水力作用破坏，絮凝效果更好12。从 絮体断层的 sem 图像分析可知，磁化工艺较非磁化 工艺具有一定的优越性。2.8磁化机理初探pfs 溶液中粒子受到电磁感应影响，进而影响 了水解反应进行。吸收的电磁能量使得粒子排斥势 能和动能增加，活化为大量带不同电荷的多核羟基$ /%$ /%$ /% % % k k % 吴思聪等，交变电磁场强化混凝对河水中藻类去除的研究31络合物， 电位升高，稳定性提高而不易沉淀，混凝性能提高13。将磁化的 pfs 投入水中后，磁化加速了 pfs 水解产物的扩散，随着稀释和 ph 升高，水解加剧，产生 的絮凝体具有较高的比表面积和表面能，首先以吸附电中和方式强烈吸附藻类等污染物，使其 电位 降低，再以吸附架桥以及卷扫絮凝作用形成强度高、粒径大的磁性絮凝体，从水中沉降分离出来。由于水 解产物更多地参与混凝，最终变成沉淀从水中分离出来，故出水余铁比非磁化要低。assistance:a review j.journal of hazardous materials,2010,180(1/3):38-49.duangduen c, nathaporn a, kitiphatmontree m. the effects of magnetic field on the removal of organic compounds and metals by coagulation and flocculationj.phys stat sol.,2006,3(9):3201-3205. han zhigang, chen wei, li lei, et al. combination of chlorine and magnetic ion exchange resin for drinking water treatment of algae j.j cent south univ technol.,2010,17(5):979-984.xiao-feng pang; bo deng. the changes of macroscopic features and microscopic structures of water under influence of magnetic field j.physica b,2008,403(19/20):3571-3577.梁文艳,曲久辉,谌丽斌.脉冲变频电磁场对水中藻类的抑制及去除效能j.环境科学,2004,25(4):38-42.3456结论3蔡然,杨宏伟,和劲松,等.磁场处理对 cacl 溶液中水分子结构的72影响j.清华大学学报:自然科学版,2010,50(9):1404-1407.李楠.旋转电磁场对 nacl 溶液活度影响的研究d.哈尔滨:哈尔 滨工业大学,2009. 朱小华.电磁场下的热力学及其应用研究d.广州:华南理工大学,2010.在 pfs 投加量 80 mg/l、磁感应强度 4.42 mt、频率 50 hz、磁化时间 3 min、ph 为 8.0 的优化条件下，藻类、浊度去除率分别为 96.7%和 99%。与非磁化相比，磁化混凝工艺除藻具有处理效率高、投加量少、出水余铁含量低、污泥性能好等优点。电磁场影响了 pfs 的水解性能及水解产物形态分布，提高了对水中藻类的吸附聚沉性能。8910 dan liu,peng wang,guanran wei,et al.removal of algal blooms fromfreshwater by the coagulation-magnetic separation method j.environsci pollut res.,2013,20(1):60-65.11 徐灏龙,王长智.磁性混凝剂的制备及其在磁过滤工艺中的应用j.中国给水排水,2011,27(9):88-90.12 李冬梅,谭万春,黄明珠,等.絮凝体的分形特性研究j.给水排水,2004,30(5):5-10. 13 夏爽,李进,张琼.聚铁混凝剂的形态分布及分析方法j.中国给水排水,2006,22(10):9-12.参考文献：1 李风亭.我国混凝剂聚合硫酸铁的技术发展现状j.工业水处理,2002,22(1):5-8.2 ambashta ritu d, sillanpaa mika. water purification using magneticremoval of algae from freshwater by alternating electromagneticfield enhanced coagulationwu sicong1, yan kejun1, guo hengchao2, li li2(1.school of energy and environment, inner mongolia university of science and technology, baotou 014010, china;2.civil engineering institute, yancheng institute of technology, yancheng 224051,china)abstract: removal of algal in freshwater with magnetized pfs coagulant by self-made electromagnetic device is studied via single f