聚硫氯化鋁在水廠中的應(yīng)用

秦 曄，包 源

(上海市自來水市北有限公司泰和水廠，上海 201906)

在城市自來水的常規(guī)處理中，混凝處理是第一道生產(chǎn)工序，同時也是整個水處理的基礎(chǔ)?；炷Ч暮脡?，直接影響出廠水的質(zhì)量。硫酸鋁由于成本較低，運輸、貯存和使用方便，在自來水處理中非常普遍地用作混凝劑。由于其水解生成形態(tài)受水質(zhì)環(huán)境等條件制約，不能形成最有效的絮凝體和發(fā)揮其最高效能，在處理低溫、低濁原水時自來水廠為保證供水水質(zhì)，通常的做法是提高硫酸鋁混凝劑的投加量，使其在水中水解產(chǎn)生大量的氫氧化鋁絮體，依靠絮體的沉降卷掃作用來去除水中的雜質(zhì)。但是，由于氫氧化鋁絮體的密度和水的密度非常接近，且為親水性絮體，在水中的沉降速度很慢，因此，對于低溫低濁水的處理，即使大量投加硫酸鋁，凈水效果仍然不是十分理想。選用新型制水混凝劑，改善混凝效果，是提高水質(zhì)經(jīng)濟(jì)而易行的手段。經(jīng)過幾年的對比試驗，泰和水廠選用聚硫氯化鋁作為凈水處理的混凝劑，該混凝劑在低溫低濁原水處理中效果極佳。

1 聚硫氯化鋁混凝機(jī)理和特點

聚硫氯化鋁(PACS)實質(zhì)上是一種改性液體聚合氯化鋁，是在聚合氯化鋁結(jié)構(gòu)中增加了硫酸根配位基，具有絮凝效果好、投加量少、效率高、適用范圍廣泛等特點，是國內(nèi)外公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)無機(jī)高分子絮凝劑之一［1］。

1．1 聚硫氯化鋁混凝機(jī)理

聚硫氯化鋁又名堿式氯化鋁或羥基氯化鋁，它以鋁灰或含鋁礦物作為原料，采用酸溶或堿溶法加工制成。它是介于AlCl3和Al(OH)3之間的產(chǎn)物，分子式為［Al2(OH)nCl6-n］m，通常式中m≤10，n=3～5。主要通過壓縮雙層、吸附電中和、吸附架橋、沉淀物網(wǎng)捕等機(jī)理作用，使水中細(xì)微懸浮粒子和膠體粒子脫穩(wěn)、聚集、絮凝、沉淀達(dá)到凈化處理效果。

1．2 聚硫氯化鋁特點

(1)凈化后的水質(zhì)優(yōu)于硫酸鋁混凝劑，凈水成本與硫酸鋁相比低15%～30%。

(2)絮凝體形成快、沉降速度快，比硫酸鋁等傳統(tǒng)產(chǎn)品處理能力大。

(3)消耗水中堿度低于各種無機(jī)混凝劑，因而可不投或少投堿劑。

(4)適應(yīng)的源水pH 5．0～9．0范圍均可凝聚。

(5)腐蝕性小，操作條件好。

(6)溶解性優(yōu)于硫酸鋁。

(7)對源水溫度的適應(yīng)性優(yōu)于硫酸鋁等無機(jī)混凝劑。

2 聚硫氯化鋁與精制硫酸鋁生產(chǎn)性對比試驗

泰和水廠于1996年6月投產(chǎn)通水，供水能力為80萬t/d。泰和水廠共有平流式沉淀池8座，濾池44座，清水庫5座，出水泵房3座，共有三個系統(tǒng)。一系統(tǒng)1#、2#沉淀池為折板絮凝平流式沉淀池，二系統(tǒng)3#、4#、5#、6#沉淀池為機(jī)械平流式沉淀池，三系統(tǒng)7#、8#沉淀池為折板絮凝平流式沉淀池，每座制水能力為10萬m3/d，采用虹吸式吸泥機(jī)排泥。原水取自長江水源，泰和水廠制水流程為:原水(從陳行水庫通過管道輸送)→加藥(混凝劑、消毒劑)→反應(yīng)池(絮凝)→沉淀池(沉淀)→濾池(過濾)→濾后消毒(消毒劑)→清水庫→二級泵房→城市管網(wǎng)→用戶。

2010年我們將八座沉淀池分為兩組進(jìn)行生產(chǎn)性對比試驗。其中一組投加聚硫氯化鋁(3#、4#、5#、6#沉淀池)，另一組投加水廠原來使用的精制硫酸鋁進(jìn)行平行對比試驗(1#、2#、7#、8#沉淀池)，分別考察混凝反應(yīng)形成的絮凝體(俗稱礬花)形態(tài)、沉淀池出水濁度、對出水pH的影響以及對三鹵甲烷生成量等指標(biāo)，比較兩種混凝劑的優(yōu)劣。

2．1 絮凝體形態(tài)比較

混凝劑投入原水水體后，經(jīng)水解作用，混凝劑對水中的膠體顆粒和懸浮物主要通過電性中和、吸附架橋和卷掃作用，形成與水體分離清晰的絮凝體，然后進(jìn)入沉淀區(qū)逐漸下沉。使用不同的混凝劑，其反應(yīng)、沉淀時間不同，所形成的絮凝體顆粒大小結(jié)構(gòu)也不同，絮凝體顆粒沉速也有很大差異。

從混凝反應(yīng)在反應(yīng)池末端形成的絮凝體形態(tài)來看，聚硫氯化鋁形成的絮凝體密實，顆粒較大;而投加精制硫酸鋁形成的絮凝體顆粒細(xì)小，疏散，不易沉降去除;從形成的絮凝效果來看，聚硫氯化鋁混凝效果優(yōu)于傳統(tǒng)的低分子無機(jī)鹽硫酸鋁。

2．2 沉淀出口濁度比較

沉淀池出口濁度是評價混凝劑與水中膠體顆粒作用的實際混凝沉淀效果的重要指標(biāo)。表1為2010年三個系統(tǒng)分別投加兩種混凝劑的沉淀池進(jìn)水量、加注量和出口濁度的數(shù)據(jù)。

表1 沉淀池出口濁度與加注量比較Tab．1 Tank Outlet Turbidity Compared With Filling Quantity

由表1可知在原水條件相同的條件下，沉淀池出口濁度相差不大的情況下，投加的精制硫酸鋁的量大致是聚硫氯化鋁的1．5倍左右，說明聚硫氯化鋁的混凝效果明顯優(yōu)于精制硫酸鋁。

從2011年開始，泰和水廠三個系統(tǒng)改用新的混凝劑聚硫氯化鋁，由表2可知在沉淀池出口濁度降低的情況下，一系統(tǒng)投加硫酸鋁的量大致是需要投加聚硫氯化鋁的1．7倍;由表3可知在沉淀池出口濁度相差不大的情況下，三系統(tǒng)投加硫酸鋁的量大致是需要投加聚硫氯化鋁的1．8倍。數(shù)據(jù)充分說明聚硫氯化鋁的混凝效果明顯優(yōu)于精制硫酸鋁。

表2 1#、2#沉淀池出口濁度與加注量比較Tab．2 1#，2#Tank Outlet Turbidity Compared with Filling Quantity

表3 7#、8#沉淀池出口濁度與加注量比較Tab．3 7#，8#Tank Outlet Turbidity Compared with Filling Quantity(2010 and 2011)

圖1、圖2是2010年與2011年投加不同混凝劑的加注量曲線，從圖中可以看出，全年聚硫氯化鋁的加注量明顯低于硫酸鋁的加注量，尤其在1月～3月冬季水溫偏低的時間內(nèi)，投加量降低更多。

圖1 一系統(tǒng)2010年與2011年加注量比較Fig．1 Comparison of First System Filling Volume in 2010 and 2011

圖2 三系統(tǒng)2010年與2011年加注量比較Fig．2 Comparison of Third System Filling Volume in 2010 and 2011

2．3 出廠水pH影響的比較

出廠水pH對于供水管網(wǎng)防腐蝕和人體健康具有重要意義，偏酸性的水容易導(dǎo)致管網(wǎng)的腐蝕，而偏堿性的水則對人體健康有益。

表4 兩種混凝劑不同投加量對pH的影響Tab．4 Effect of Two Different Kinds of Coagulant Dosage on pH Value

表4列出了在兩種混凝劑不同投加量情況下，水的pH(平均值)從原水到出廠水的變化情況。

由表4可知聚硫氯化鋁和硫酸鋁均使出廠水pH比原水pH低，但硫酸鋁使pH降低更多;并且隨著投加量的增加，硫酸鋁使水的pH降低更加明顯;投加聚硫氯化鋁出廠水的pH比投加硫酸鋁的出廠水pH高。這些數(shù)據(jù)均從一個側(cè)面說明，硫酸鋁在混凝過程中受原水的pH和堿度的影響更加大。

2．4 出廠水鹵代衍生物生成量的比較

由于硫酸鋁混凝效果差，使用硫酸鋁作混凝劑時為提高混凝效果，常常需要采用折點加氯工藝進(jìn)行助凝。折點加氯法提高混凝的效果，但加氯量的增加容易與原水中存在的有機(jī)污染物反應(yīng)生成對人體有害的鹵代衍生物，三鹵甲烷就是一類對人體具有致癌作用的鹵代衍生物。聚硫氯化鋁由于其混凝效果好，所需預(yù)氯化的加氯量比使用硫酸鋁時要低，因此可以預(yù)期采用聚硫氯化鋁時產(chǎn)生的三鹵甲烷可能比采用硫酸鋁時要少。由表5可知投加聚硫氯化鋁混凝劑，因預(yù)氯化氯的加注量減少，出廠水氯仿、四氯化碳有所下降。

表5 兩種混凝劑出廠水鹵代衍生物生成量比較Tab．5 Two Coagulants Effluent Generation Halogenated Derivatives

3 聚硫氯化鋁使用效益分析

2010年我們完成了聚硫氯化鋁與精制硫酸鋁的生產(chǎn)性對比試驗，取得了預(yù)定的效果。2011年開始在生產(chǎn)上全部使用聚硫氯化鋁這種新型混凝劑。到目前為止，新型混凝劑已經(jīng)使用了三年多時間，在保障供水水質(zhì)和降耗減排方面取得了豐碩的成果。

3．1 提高城市供水水質(zhì)

每年冬季長江原水氨氮值是夏季的10多倍，亞硝酸鹽也高出平均值十幾倍，出現(xiàn)難以處理的問題。針對冬季原水低溫、低濁和咸潮季節(jié)性的特征，采用聚硫氯化鋁，通過其優(yōu)良的吸附架橋的功能，在實際生產(chǎn)中顯示了優(yōu)良的效果，確保了申城市民能夠在冬季或咸潮季節(jié)喝到一流的長江水。

3．2 減少污泥處理量，保護(hù)水資源

排泥水中含有大量的懸浮固體并包含了大量來自于原水的污染物質(zhì)，如果直接向地表水體排放將對水環(huán)境造成污染，自來水廠需要對排泥水進(jìn)行處理，實現(xiàn)固液分離，并對分離出來的固體成分進(jìn)行無害化處置。如果采用聚硫氯化鋁代替硫酸鋁作為混凝劑，則混凝劑的投加量可以大大降低，相應(yīng)的由混凝劑產(chǎn)生的污泥也會相應(yīng)地減少。

泰和水廠硫酸鋁的平均加注率約13．5 mg/L，聚硫氯化鋁的平均加注率約9 mg/L，如果以每1 mg的混凝劑產(chǎn)生1 mg的干污泥計算，則使用聚硫氯化鋁比使用硫酸鋁每升水將少產(chǎn)生4．5 mg干污泥，以泰和水廠一年生產(chǎn)25 500萬m3自來水計算，則全年可少產(chǎn)生干污泥1 147．5 t，如果以每噸干污泥處理處置費用為50元計算，由于污泥量的減少使水廠每年節(jié)約污泥處理處置的費用為5．7萬元。

3．3 減少沉淀池排泥水量，降低原材料成本

泰和水廠在生產(chǎn)上使用聚硫氯化鋁無機(jī)高分子混凝劑后，由于該新型混凝劑的混凝反應(yīng)效果好，形成的絮凝體密實、顆粒大，沉降性能好。在水流從反應(yīng)池進(jìn)入沉淀池后，絮凝體能夠迅速下沉到池底而被去除。通常在水流到達(dá)沉淀池1/3池長的位置時，絕大部分絮凝體就已經(jīng)通過沉淀到達(dá)池底得以去除，因此，在沉淀池后端2/3池長的區(qū)域，沉降到池底的絮凝體(形成污泥)實際上很少。以前使用硫酸鋁混凝劑時，由于形成的絮凝體細(xì)小、疏松，沉降性能差，下沉速度慢，雖然絮凝體從沉淀池入口到出口的沉降量逐漸減少，但是廣泛分布于從沉淀池入口到出口的各位置。

使用聚硫氯化鋁后，沉淀池排泥行車由每天排泥改為一周排3次，大大減少了排泥量。以每天排泥4 h計算，每年少排泥836 h。泰和水廠共8座沉淀池，共有8臺排泥行車，經(jīng)現(xiàn)場測定，1#、2#排泥行車的排泥流量約150 m3/h，3#、4#、5#、6#排泥行車的排泥流量約250m3/h，7#、8#排泥行車的排泥流量約 270 m3/h，采用新的排泥運行模式后，每年節(jié)約的沉淀池排泥水量為(150×2+250×4+270×2)×836=1 538 240 m3/a。目前自來水公司需向原水公司支付0．63元/m3的原水費，則每年可以節(jié)約的原水費用為96．9萬元。

3．4 減少設(shè)備用電量

泰和水廠在使用聚硫氯化鋁新型混凝劑后，由于該混凝劑的混凝效果好，相應(yīng)減少了混凝劑的投加量、排泥行車運行時間，因此在混凝劑投加、沉淀池排泥方面均降低電能的消耗。

在混凝劑投加方面，使用新型混凝劑后，其常年投加量約為原來使用硫酸鋁時投加量的2/3左右，由此泰和水廠4臺加藥泵可降低3．5 kW/h，以每天24 h運行，因此每年可節(jié)省電耗為3．5×24×365=30 660 kW·h。

在沉淀池排泥方面，泰和水廠8臺排泥行車，每臺行車每年減少運行836 h，行車運行時的行走功率分別為2臺0．55 kW，4臺1．1 kW，2臺2．2 kW，因此全年可節(jié)省電耗為(0．55×2+1．1×4+2．2×2)×836=8 276．4(kW·h)/a。

綜上所述，泰和水廠因使用聚硫氯化鋁新型混凝劑，加藥泵、排泥行車用電設(shè)備每年共計可節(jié)約的電耗為38 936．4 kW·h，泰和水廠生產(chǎn)用電的平均電價約0．82元/(kW·h)，則每年因節(jié)電耗減少的制水成本為3．2萬元。

4 結(jié)論

新型聚硫氯化鋁無機(jī)高分子混凝劑在泰和水廠的生產(chǎn)應(yīng)用，不僅在減少藥劑消耗、節(jié)約水資源方面可以減少成本，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，而且能夠明顯提高冬季原水低溫低濁情況下水處理混凝效果，在提升制水企業(yè)生產(chǎn)管理水平、保障供水安全、提高飲用水水質(zhì)和提高供水企業(yè)的服務(wù)水平等方面，具有廣泛的社會效益。

此外，新型混凝劑的使用，使泰和水廠能夠明顯減少污泥固體廢棄物排放、大量節(jié)約水資源、降低制水過程的電能消耗。這是制水企業(yè)為努力實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)所做出的貢獻(xiàn)。新型無機(jī)高分子混凝劑聚硫氯化鋁在泰和水廠的成功應(yīng)用，為水廠生產(chǎn)管理提供了一條提高水質(zhì)、降低成本和減少污染物排放的有效途徑。

［1］李思，江雨航，張金輝，等．水處理劑聚硫氯化鋁(PACS)的研究進(jìn)展［J］．當(dāng)代化工，2013，42(9):1243-1245．