復(fù)配型聚合氯化鋁處理低溫高濁高堿水研究

李浩列 王 磊 史立達(dá)

(中鋁山東有限公司, 山東 淄博 255000)

0 前言

對(duì)于中小型水廠而言,水處理應(yīng)考慮節(jié)約能源、運(yùn)行費(fèi)用等因素。新疆某水廠處理的原水溫度低、濁度高且堿含量高,導(dǎo)致凈化過程中出現(xiàn)礬花沉降困難、出水濁度偏高的問題,運(yùn)行成本和能源消耗較高。

低溫高濁高堿水的處理是水處理技術(shù)中的一個(gè)難題,原因在于低溫時(shí)水中膠體間靜電斥力增強(qiáng),水的粘滯性增加,膠粒布朗運(yùn)動(dòng)下降,顆粒碰撞困難[1-3],導(dǎo)致混凝劑水解、絮凝和沉降效果不佳[4-5];濁度高時(shí),水中顆粒總體碰撞次數(shù)雖增加,但有效碰撞比例下降;高堿度時(shí),膠粒表面光滑,不易被吸附和捕捉[6]。

同時(shí),與其他水處理技術(shù)相比,以混凝、沉淀、過濾、消毒工序組成的常規(guī)水處理技術(shù),由于成本低、工藝成熟, 始終是給水處理最基本和最主要的手段[7]。在給水處理技術(shù)中,混凝劑的選擇與使用是混凝沉淀工藝的關(guān)鍵和核心[8]。無機(jī)高分子混凝劑原料易得,成本及售價(jià)低[9],同時(shí)絮凝沉降速度快,用量少,抗腐蝕性好,在低溫和廣泛pH范圍內(nèi)具有高效絮凝效果[10],并且混凝處理操作方便,對(duì)設(shè)備的限制性較小[11],已被廣泛應(yīng)用于水處理行業(yè)。

在水處理廠實(shí)際生產(chǎn)中,常用聚鋁類和聚鐵類作為混凝劑。混凝時(shí),聚鋁類混凝劑形成的礬花體積大且疏松,但沉降速度慢;聚鐵類混凝劑形成的礬花體積小而密實(shí),沉降速度快,但不穩(wěn)定[9-12]。多位研究學(xué)者發(fā)現(xiàn),不同金屬離子的鹽溶液在一定條件下羥化聚合形成的大分子同時(shí)表現(xiàn)出不同金屬鹽的優(yōu)點(diǎn)[13-16]。此外,含硫酸根的溶液與聚合氯化鋁復(fù)配混凝性能好,穩(wěn)定性高[17],不僅可用于工業(yè)廢水處理,還可用于飲用水處理[18],并且對(duì)低溫低濁原水處理效果特別好[19]。

目前,從強(qiáng)化混凝工藝角度出發(fā)采用復(fù)配混凝劑來處理低溫高濁高堿水的研究較少。郝俊國(guó)等[6]對(duì)大慶某水廠進(jìn)行生產(chǎn)性改造,并選用硫酸鋁+活化硅酸(或聚丙烯酰胺)作為混凝劑,試驗(yàn)后該廠低溫高濁高堿原水的出水濁度降至3 NTU以下。

為解決新疆某水廠低溫高濁高堿原水礬花沉降困難、出水濁度偏高導(dǎo)致能源消耗較高的問題,本文將某公司功能材料廠生產(chǎn)的聚合氯化鋁分別與鐵鹽溶液和硫酸鋁溶液進(jìn)行復(fù)配聚合,通過改變復(fù)配混凝劑投加量和添加助凝劑等方式強(qiáng)化混凝工藝效果,解決該水廠存在的問題。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 新疆某水廠簡(jiǎn)介

新疆某水廠原水為高山融雪水,融水季節(jié)河水溫度10 ℃左右,靜置24 h后,濁度為300～400 NTU。水處理工藝采用6臺(tái)高效納米纖維一體化凈水設(shè)備,設(shè)計(jì)供水量為4 600 m3/d,現(xiàn)有3臺(tái)設(shè)備運(yùn)行,水處理能力為3 000～3 600 m3/d,要求出水濁度小于8 NTU,pH為6～8。水處理工藝流程為:原水-預(yù)沉池-次氯酸鈉預(yù)氧化消毒-管道加藥-管道混合-斜管區(qū)域反應(yīng)沉淀-砂濾-次氯酸鈉后處理-彗星式纖維精濾-出水。每1 000 t水聚合氯化鋁投放量為80 kg(折10%液體),出現(xiàn)礬花不沉的現(xiàn)象。

1.2 制備絮凝沉淀水樣

按1 L生水添加1.0 g高嶺土比例模擬制備原水,濁度為370.2 NTU,pH為8.8,每次選取1 L試驗(yàn)水樣并采用冰塊以隔離方式降溫至10 ℃。將溫度計(jì)放入試驗(yàn)水樣中檢測(cè)溫度,當(dāng)溫度上升0.2 ℃時(shí)隨即開始加冰塊,溫度下降0.2 ℃時(shí)立即停止添加冰塊。

1.3 混凝劑制備方法

某公司功能材料廠通過兩步法(鹽酸、氫氧化鋁、鋁酸鈣粉)生產(chǎn)飲用水級(jí)聚合氯化鋁(鋁含量0%,鹽基度75%,簡(jiǎn)稱黃PAC),采用一步法(鹽酸、氫氧化鋁)生產(chǎn)高純級(jí)聚合氯化鋁(鋁含量10%, 鹽基度45%,簡(jiǎn)稱白PAC)。本文采用含鐵鹽溶液、硫酸鋁溶液與上述產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)配并進(jìn)一步聚合,提高其鹽基度,制備聚合氯化鋁鐵和聚硫氯化鋁,簡(jiǎn)寫為黃PAFC、白PAFC、黃PACS和白PACS。另外,添加助凝劑陰離子型聚丙烯酰胺PAM(濃度1‰,投加量均為3 mg/L),制備有機(jī)物復(fù)合的PAFC和PACS,簡(jiǎn)寫為PAFC+陰PAM和PACS+陰PAM。

1.4 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為溫度計(jì)、WGZ-1000AS濁度儀、ZR4-6混凝實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)。

1.5 絮凝實(shí)驗(yàn)

在10 ℃低溫下,當(dāng)攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到110 r/min時(shí),向1 L水樣中加入一定量的復(fù)配混凝劑,拌攪5 min,隨后在轉(zhuǎn)速30 r/min下緩慢攪拌20 min,然后停止攪拌,靜置沉降15 min,取上清液檢測(cè)相關(guān)指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)配鐵鹽混凝劑添加量對(duì)出水濁度和pH值的影響

將含鐵鹽溶液分別與黃PAC和白PAC進(jìn)行復(fù)配得到黃PAFC和白PAFC,黃PAC和白PAC中鐵含量分別為0.181%和0.003%,復(fù)配后黃PAFC和白PAFC中鐵含量增加至0.3%。采用復(fù)配前和復(fù)配后混凝劑處理模擬原水,結(jié)果如圖1所示。

圖1 添加復(fù)配混凝劑對(duì)出水濁度和pH的影響

從圖1可以看出,使用黃PAC、白PAC和黃PAFC、白PAFC,出水pH均小于8,且使用復(fù)配黃PAFC、白PAFC的出水pH值較使用復(fù)配黃PAC、白PAC低。

和采用黃PAC、白PAC相比,采用鐵鹽溶液復(fù)配的黃PAFC、白PAFC對(duì)原水進(jìn)行處理,出水濁度明顯下降。這表明PAC與鐵鹽溶液復(fù)配后有利于低溫高濁高堿原水的處理。隨著黃PAFC和白PAFC 添加量增加,出水濁度持續(xù)下降。當(dāng)黃PAFC添加量從20 mg/L增加至50 mg/L,出水濁度從11.53 NTU降至7.3 NTU,達(dá)到水廠出水要求;當(dāng)白PAFC添加量從20 mg/L增加至50 mg/L,出水濁度從15.07 NTU降至10.07 NTU。這說明黃PAFC的絮凝效果優(yōu)于白PAFC的絮凝效果。

2.2 助凝劑添加對(duì)出水濁度和pH值的影響

經(jīng)過上述討論可以發(fā)現(xiàn),黃PAFC和白PAFC可以降低原水出水濁度,尤其當(dāng)黃PAFC添加量為50 mg/L時(shí)出水濁度可以達(dá)到水廠要求。在此基礎(chǔ)上添加助凝劑陰離子型聚丙烯酰胺PAM,探究助凝劑對(duì)低溫高濁高堿原水處理后出水pH值和濁度的影響,結(jié)果分別見表1和圖2。

表1 助凝劑添加后對(duì)出水pH的影響

圖2 助凝劑添加后對(duì)出水濁度和pH的影響

從表1可以看出,黃PAFC和白PAFC添加助凝劑后,出水pH值分別為7.26和7.17,符合自來水廠要求。

圖2表明,當(dāng)黃PAFC和白PAFC添加助凝劑后,出水濁度分別達(dá)到1.03 NTU和1.76 NTU,且兩者的出水濁度基本相同,均達(dá)到水廠出水要求。綜上,復(fù)配鐵鹽混凝劑黃PAFC添加量為50 mg/L時(shí)的絮凝效果最好,且添加助凝劑后濁度明顯下降。

2.3 復(fù)配硫酸根混凝劑以及添加助凝劑對(duì)出水濁度和pH的影響

將黃PAC與硫酸根復(fù)配得到黃PACS,并添加絮凝劑處理低溫高濁高堿原水,觀察濁度去除效果。根據(jù)上述討論將投加量定為50 mg/L。聚合氯化鋁鐵和聚硫氯化鋁以及添加助凝劑對(duì)出水濁度和pH值的影響見表2及圖3。

表2 聚合氯化鋁鐵和聚硫氯化鋁以及助凝劑添加后對(duì)出水pH的影響

圖3 聚合氯化鋁鐵和聚硫氯化鋁以及助凝劑添加后出水濁度的比較

從表2可以看出,采用黃PACS以及黃PACS+陰PAM處理原水后,出水pH分別為7.21和7.05,符合自來水廠要求。

從圖3可以看出,與黃PAFC處理后出水濁度比較,采用黃PACS處理后出水濁度明顯降低,為1.58 NTU,與采用黃PAFC+陰PAM處理后出水濁度基本相同;當(dāng)黃PACS中添加助凝劑后,出水濁度降至0.34 NTU。

因此,黃PACS或黃PACS+陰PAM處理低溫高濁高堿原水,出水可以達(dá)到水廠要求。

2.4 選用復(fù)配型聚合氯化鋁能耗分析

以該水廠水處理能力為3 000～3 600 m3/d為例,采用原有工藝,每處理1 000 t水投藥量為80 kg聚鋁(折10%液體);采用黃PACS或黃PACS+陰PAM后,每處理1 000 t水投藥量為50 kg(折10%液體),藥耗降低37.5%,漂白粉使用量也較之前降低40%。雖然鐵鹽、助凝劑等藥劑的添加增加成本,但漂白粉用量以及藥劑投加量減少,經(jīng)核算最終成本仍舊降低。同時(shí),采用黃PACS或黃PACS+陰PAM來強(qiáng)化混凝效果,直接處理該水廠低溫高濁高堿原水,出水濁度明顯降低。因此,采用黃PACS或黃PACS+陰PAM,不僅降低混凝劑和漂白粉的藥耗,降低運(yùn)行成本和能耗,而且出水水質(zhì)好,降低后續(xù)水處理負(fù)擔(dān),達(dá)到節(jié)約能源和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的目標(biāo)。

3 結(jié)論

1)復(fù)配鐵鹽的黃PAFC和復(fù)配硫酸根的黃PACS在投加量為50 mg/L時(shí),出水水質(zhì)均達(dá)到水廠要求, 且黃PACS對(duì)低溫高濁高堿水的處理效果優(yōu)于黃PAFC的效果。

2)在黃PAFC和黃PACS中添加助凝劑陰離子型聚丙烯酰胺PAM,有助于降低低溫高濁高堿原水的出水濁度,尤其黃PACS搭配陰PAM的出水濁度降至0.34 NTU。

4)對(duì)于低溫高濁高堿原水而言,黃PACS與黃 PACS+陰PAM效果相近。

5)采用黃PACS或PACS+陰PAM直接對(duì)原水處理能夠降低該水廠能源消耗和運(yùn)行成本。