復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

(中鋁山東有限公司, 山東 淄博 255000)

0 前言

對于中小型水廠而言,水處理應考慮節約能源、運行費用等因素。新疆某水廠處理的原水溫度低、濁度高且堿含量高,導致凈化過程中出現礬花沉降困難、出水濁度偏高的問題,運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中的一個難題,原因在于低溫時水中膠體間靜電斥力增強,水的粘滯性增加,膠粒布朗運動下降,顆粒碰撞困難[1-3],導致混凝劑水解、絮凝和沉降效果不佳[4-5];濁度高時,水中顆?？傮w碰撞次數雖增加,但有效碰撞比例下降;高堿度時,膠粒表面光滑,不易被吸附和捕捉[6]。

同時,與其他水處理技術相比,以混凝、沉淀、過濾、消毒工序組成的常規水處理技術,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]。在給水處理技術中,混凝劑的選擇與使用是混凝沉淀工藝的關鍵和核心[8]。無機高分子混凝劑原料易得,成本及售價低[9],同時絮凝沉降速度快,用量少,抗腐蝕性好,在低溫和廣泛pH范圍內具有高效絮凝效果[10],并且混凝處理操作方便,對設備的限制性較小[11],已被廣泛應用于水處理行業。

在水處理廠實際生產中,常用聚鋁類和聚鐵類作為混凝劑?；炷龝r,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,沉降速度快,但不穩定[9-12]。多位研究學者發現,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表現出不同金屬鹽的優點[13-16]。此外,含硫酸根的溶液與聚合氯化鋁復配混凝性能好,穩定性高[17],不僅可用于工業廢水處理,還可用于飲用水處理[18],并且對低溫低濁原水處理效果特別好[19]。

目前,從強化混凝工藝角度出發采用復配混凝劑來處理低溫高濁高堿水的研究較少。郝俊國等[6]對大慶某水廠進行生產性改造,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、出水濁度偏高導致能源消耗較高的問題,本文將某公司功能材料廠生產的聚合氯化鋁分別與鐵鹽溶液和硫酸鋁溶液進行復配聚合,通過改變復配混凝劑投加量和添加助凝劑等方式強化混凝工藝效果,解決該水廠存在的問題。

1 實驗部分

1.1 新疆某水廠簡介

新疆某水廠原水為高山融雪水,融水季節河水溫度10 ℃左右,靜置24 h后,濁度為300～400 NTU。水處理工藝采用6臺高效納米纖維一體化凈水設備,設計供水量為4 600 m3/d,現有3臺設備運行,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-預沉池-次氯酸鈉預氧化消毒-管道加藥-管道混合-斜管區域反應沉淀-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),出現礬花不沉的現象。

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試驗水樣并采用冰塊以隔離方式降溫至10 ℃。將溫度計放入試驗水樣中檢測溫度,當溫度上升0.2 ℃時隨即開始加冰塊,溫度下降0.2 ℃時立即停止添加冰塊。

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)生產飲用水級聚合氯化鋁(鋁含量0%,鹽基度75%,簡稱黃PAC),采用一步法(鹽酸、氫氧化鋁)生產高純級聚合氯化鋁(鋁含量10%, 鹽基度45%,簡稱白PAC)。本文采用含鐵鹽溶液、硫酸鋁溶液與上述產品進行復配并進一步聚合,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),制備有機物復合的PAFC和PACS,簡寫為PAFC+陰PAM和PACS+陰PAM。

1.4 試驗儀器

試驗儀器為溫度計、WGZ-1000AS濁度儀、ZR4-6混凝實驗攪拌機。

1.5 絮凝實驗

在10 ℃低溫下,當攪拌機轉速達到110 r/min時,向1 L水樣中加入一定量的復配混凝劑,拌攪5 min,隨后在轉速30 r/min下緩慢攪拌20 min,然后停止攪拌,靜置沉降15 min,取上清液檢測相關指標。

2 結果與討論

2.1 復配鐵鹽混凝劑添加量對出水濁度和pH值的影響

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

圖1 添加復配混凝劑對出水濁度和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,且使用復配黃PAFC、白PAFC的出水pH值較使用復配黃PAC、白PAC低。

和采用黃PAC、白PAC相比,采用鐵鹽溶液復配的黃PAFC、白PAFC對原水進行處理,出水濁度明顯下降。這表明PAC與鐵鹽溶液復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,出水濁度持續下降。當黃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,達到水廠出水要求;當白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的絮凝效果優于白PAFC的絮凝效果。

2.2 助凝劑添加對出水濁度和pH值的影響

經過上述討論可以發現,黃PAFC和白PAFC可以降低原水出水濁度,尤其當黃PAFC添加量為50 mg/L時出水濁度可以達到水廠要求。在此基礎上添加助凝劑陰離子型聚丙烯酰胺PAM,探究助凝劑對低溫高濁高堿原水處理后出水pH值和濁度的影響,結果分別見表1和圖2。

表1 助凝劑添加后對出水pH的影響

圖2 助凝劑添加后對出水濁度和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,當黃PAFC和白PAFC添加助凝劑后,出水濁度分別達到1.03 NTU和1.76 NTU,且兩者的出水濁度基本相同,均達到水廠出水要求。綜上,復配鐵鹽混凝劑黃PAFC添加量為50 mg/L時的絮凝效果最好,且添加助凝劑后濁度明顯下降。

2.3 復配硫酸根混凝劑以及添加助凝劑對出水濁度和pH的影響

將黃PAC與硫酸根復配得到黃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,出水可以達到水廠要求。

2.4 選用復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,經核算最終成本仍舊降低。同時,采用黃PACS或黃PACS+陰PAM來強化混凝效果,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,降低運行成本和能耗,而且出水水質好,降低后續水處理負擔,達到節約能源和經濟實惠的目標。

3 結論

1)復配鐵鹽的黃PAFC和復配硫酸根的黃PACS在投加量為50 mg/L時,出水水質均達到水廠要求, 且黃PACS對低溫高濁高堿水的處理效果優于黃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直接對原水處理能夠降低該水廠能源消耗和運行成本。