再生水混凝处理工艺

2017-03-15 10:07:06 5

  再生水回用倍受关注的问题之一就是输配过程中管网的腐蚀,管网腐蚀的程度、种类与再生水处理工艺及出水水质直接相关。因此需从根源上优化再生水处理工艺,控制再生水管网腐蚀[1]。国际上常用拉森指数{LR,LR=([Cl-]+2[SO42-])/[HCO3-]}来衡量铁管的腐蚀性。LR考虑了Cl-和SO42-等无机阴离子对腐蚀的影响[2],LR越低,水的腐蚀性越小。Lason认为LR在 0.2~0.3 以下时,对铁管的腐蚀性较小。D. T. Merrill等[3]认为LR<0.5属于可接受范围,王洋等认为拉森指数>1时水具有严重的腐蚀性,Cl-、SO42-对腐蚀影响较大[4]。然而现阶段再生水的拉森指数往往>1,出水有严重的腐蚀倾向,尤其是传统的再生水处理工艺很难有效去除Cl-、SO42-等阴离子,因此优化传统再生水处理工艺,控制拉森指数,进而控制再生水管网腐蚀是至关重要的。混凝是传统再生水处理工艺的关键环节之一,混凝效果直接影响后续流程的运行工况及最终出水水质[5]。笔者以控制城市再生水的输配水管线腐蚀为目标,从混凝剂种类、投加量出发,调节并确定混凝过程的最佳运行工况,以降低腐蚀性离子含量,控制拉森指数,减轻管网腐蚀。

  1 实验材料与方法

  1.1 原水水质

  实验水样为某再生水厂原水,即污水处理厂二级出水,再生水厂采用常规处理工艺,其处理单元水质如表1所示。

  1.2 材料与方法

  混凝是控制配水管网腐蚀的重要环节之一[6]。混凝效果的好坏直接影响后续工艺的运行工况、出水水质以及处理成本[7]。传统的再生水处理工艺常用的无机混凝剂以铝盐、铁盐为主。实验对聚合氯化铝(PAC)、聚硅酸铝铁(PSAF)、聚合硫酸铁(SPFS)、三氯化铁(FeCl3)、硫酸铝[Al2(SO4)3]进行了筛选,选择最佳混凝剂及最佳投加量。混凝剂规格如表2所示。

  混凝静态试验采用ZR4-6型六联混凝试验搅拌机(深圳市中润水工业技术发展有限公司),搅拌机设置参数为快速300 r/min,转动1 min,慢速60r/min,转动15 min,静沉30 min。测定上层清液的浊度、Cl-、SO42-、HCO3-等,其中Cl-、SO42-采用CM-05多参数水质测定仪(北京双晖京承电子产品有限公司)测定,HCO3-采用中和滴定法测定。

  2 结果与讨论

  2.1 混凝剂筛选及最佳投加量的确定

  2.1.1 混凝剂投加量对浊度的影响

  在1.2所述条件下,分别投加不同量的PAC、PSAF、SPFS、FeCl3、Al2(SO4)3,考察混凝剂投加量与浊度的关系,如图1所示。

 图1 混凝剂投加量对浊度去除率的影响

  图1表明,SPFS对浊度的去除效果较差,其投加量较低时还会引起浊度增加;混凝剂投加量为0~12 mg/L时,PAC、Al2(SO4)3、PSAF、FeCl3对浊度的去除率呈逐步升高的趋势;投加量为12 mg/L时,PAC对浊度的去除率最高,为72.48%,此时浊度最低为0.28 NTU;继续增大投加量,PAC对浊度的去除率下降,水样浊度迅速上升,而Al2(SO4)3、PSAF、FeCl3对浊度的去除率呈稳定趋势,变化幅度很小;混凝剂>30 mg/L时,PAC、Al2(SO4)3、PSAF、FeCl3这4种混凝剂对浊度的去除效果均变差,去除率快速下降。总体来看,上述4种混凝剂对浊度的去除率随投加量的增加呈现先升高后趋于平稳或降低的趋势。低投加量下PAC降低水样浊度有明显优势。

  分析原因可能是投加量较低时混凝剂在水中难以形成絮体,或形成的絮体很小,密度与水接近而难以沉降,故出水浊度较高甚至增大;随着投加量的增加,絮体越来越大且密实,沉降速度明显加快,出水浊度逐渐降低;但投加量达到一定程度后,水样原有浊度已基本去除,增大投药量将引入新的浊度,絮体重新稳定而难以沉降[8]。

  2.1.2 混凝剂投加量对阴离子的影响

  Cl-、SO42-的积累对铁腐蚀有较大影响,高Cl-、SO42-含量会加剧金属管道表面的垢下腐蚀和点蚀,严重的可造成管道穿孔[9]。

  因此优化混凝工艺以控制再生水中的Cl-、SO42-,对控制再生水管网腐蚀至关重要。考察了混凝剂投加量与Cl-、SO42-、HCO3-的浓度关系,如图2所示。图2(a)表明,混凝剂投加量在2~12 mg/L时,随着混凝剂的增加,Cl-逐渐降低,其中铝盐混凝剂对Cl-的去除效果较铁盐混凝剂要好。Al2(SO4)3、PAC投加量为12 mg/L时,Cl-分别为105.07、103.74 mg/L,去除率分别达28.99%、29.89%。铁盐混凝剂处理后Cl-较高,尤其是FeCl3水解产生的Cl-被引入水样,导致水样中Cl-增高,从而引起拉森指数升高,可能加剧管道腐蚀。总体来看,随着混凝剂投加量的增加,Cl-呈现先迅速降低后平稳或增加的趋势。


 

 图2 混凝剂投加量与离子浓度的关系

  图2(b)表明,随着混凝剂投加量的增加,SO42-逐渐降低,混凝剂投加量在12 mg/L时Al2(SO4)3、FeCl3、PAC处理后水样的SO42-出现1个低值,由于硫酸铝混凝剂使用过程中会引入SO42-,因此硫酸铝对SO42-的处理效果较其他混凝剂差。随着混凝剂投加量的继续增加,SO42-出现反弹。由图2(c)可以看出,Al2(SO4)3处理后水样的HCO3-较高。总体来看,除铝盐外3种铁盐混凝剂处理后水样的HCO3-变化趋势相同。

  比较图2(a)、(b)可以看出,混凝剂投加量与Cl-、SO42-浓度的关系呈现相同变化趋势,即随着混凝剂投加量的增加,2种离子均呈现出先降低后逐渐升高的趋势;在适宜投加量下,2种离子的浓度均较低。产生这种现象的原因可能与混凝剂的机理有关。

  混凝剂用量低时主要作用机理是电性中和、吸附架桥,此时可获得较好的混凝效果;当混凝剂投加量较高时,作用机理主要为吸附架桥、网捕卷扫。由于Cl-、SO42-带负电,投加混凝剂后提供了大量正电荷与负电离子发生电性中和,有利于离子的去除,但投加量过大时,混凝剂与已形成的絮体带有同种性质的电荷,使絮体重新稳定而难以沉降,且混凝剂水解过程中又会引入新的离子,从而形成再稳或浓度上升现象。

  2.1.3 混凝剂投加量对拉森指数的影响

  考察了混凝剂投加量与拉森指数的关系,见图3。

 图3 混凝剂投加量与拉森指数的关系

  由图3可以看出,铝盐混凝剂的处理效果明显优于铁盐混凝剂,PAC投加量为12 mg/L时,拉森指数为0.999,明显低于再生水厂混凝沉淀出水的拉森指数(LR=1.436)。应用3种铁盐混凝剂时拉森指数较大,可能对管道产生较严重的腐蚀。在此基础上对2种铝盐混凝剂进行对比研究。

  2.1.4 混凝剂投加量与絮凝指数的关系

  智能光散射分析仪(iPDA)可通过光学方法在线监测絮体生成情况,其输出的R值能准确反映颗粒的絮凝性能,通常称为絮凝指数(FI)[10]。M. A.Yukselen等[11]指出,FI是反映絮体大小和数量的重要指标,FI随絮体的增大而增大。通过FI可分析水力条件变化时絮体尺寸的相对变化情况,能提供絮体增长、破碎、恢复的相关指示[12],且能对比不同絮凝剂和不同剪切条件下的絮凝效果。采用iPDA在线监测 FI的变化,每隔 2 s采集1次数据。混凝剂选用PAC和Al2(SO4)3,比较2种混凝剂在相同投加量下的絮凝效果,并对比其FI。

  PAC投加量为12 mg/L条件下,搅拌一开始FI即增大,表明絮凝随之开始;快速搅拌结束前(50~60 s)FI急剧上升,表明微小絮体迅速长大,之后逐渐稳定;慢速搅拌时FI有所上升,表明颗粒聚集度进一步增大;随着搅拌时间的延长FI呈稳定趋势,表明颗粒聚集度有所下降;停止搅拌絮凝结束后,FI呈现逐渐降低的趋势,表明絮体逐渐沉淀。在Al2(SO4)3投加量为12 mg/L条件下,FI变化无明显规律,表明微小絮体并未结合成较大絮体,比较松散,不易沉降。对比可知PAC混凝剂的FI明显高于Al2(SO4)3,说明投加PAC后微小絮体能够快速聚集形成较大絮体,易于沉降,有助于水中污染物的去除,因此PAC作为混凝剂更具优势。

  2.2 PAC最佳运行参数的确定

  2.2.1 最佳投加量

  絮体破碎是混凝处理或输送过程中常发生的现象,絮体破碎后会影响固液分离和后续处理效果[13]。絮体破碎主要包括破裂与破损2种形式,前者是指较大絮体断裂成多个尺寸相近的小絮体,不会增加水体中的颗粒浓度,后者是指絮体表面微小颗粒的脱落,从而导致絮体粒径的减小以及水体中微小颗粒的增加[14]。絮体破碎的程度主要取决于原水水质、水力条件、混凝剂种类及投加量等。破碎后的絮体在较小的水力条件下具有一定恢复能力,其恢复程度与絮体形成机理有关[15]。

  鉴于混凝剂投加量对絮体破碎再絮凝程度有一定影响,因此分别投加10、12、14 mg/L PAC,借助絮体破碎再絮凝过程来确定混凝剂的最佳投加量。由实验结果可知,PAC投加量为12 mg/L时,絮体生长平衡后的d50与破碎后再生长平衡后的d50较大,表明此投加量下絮体能很好地结合在一起,絮体更稳定,平均粒径更大,有助于絮体沉降,且破碎再絮凝后的絮体也较大,表明絮体恢复能力较强,出水水质更好。综上表明最佳混凝剂为PAC,最佳投加量为12 mg/L,此条件下形成的絮体较密实且易沉降,计算得出拉森指数<1,对管网的腐蚀倾向较小。

  2.2.2 搅拌时间与搅拌强度的影响

  投加混凝剂后,过低的搅拌强度不利于混凝剂的均匀分散及与颗粒物的充分接触;搅拌强度过高则容易将大颗粒固体搅碎成小颗粒,同样降低混凝效果。搅拌时间短,混凝剂与水中颗粒物的作用不够充分,不利于捕集胶体颗粒,且混凝剂分布也不均匀;搅拌时间过长又容易将已形成的絮状物搅碎,使其悬浮于水中,导致混凝效果下降。为保证混凝沉淀的效果,采用正交试验,通过监测水中浊度、Cl-、SO42-、HCO3-等来确定最佳运行工况,试验结果表明快速搅拌300 r/min、转动60 s、慢速搅拌60 r/min、转动15 min时,出水浊度较低,拉森指数也较低。

  2.2.3 沉淀时间的影响

  沉淀时间对混凝效果影响不大,当沉淀超过一定时间后混凝效果已趋于稳定,继续延长沉淀时间对混凝效果意义不大。经过实验确定沉淀30 min时出水各指标已基本稳定,因此确定最佳沉淀时间为30 min。通过实验筛选出最佳混凝剂为PAC,最佳投加量为12 mg/L,为达到最佳处理效果可采用的水力参数为:快搅60 s、速度300 r/min,慢搅15 min、速度60 r/min,沉淀时间为30 min。

  2.3 混凝优化效果与分析

  在上述最佳工况下对再生水厂原水进行处理,并与原水厂工艺进行对比,结果见图4。


图4 优化后工艺与原水厂工艺的比较

  图4表明,优化后工艺对Cl-、SO42-、COD、浊度的去除率均大幅增加,处理后COD降至24.32 mg/L,去除率达55.58%,浊度为0.24 NTU,去除率为80.08%。由于混凝沉淀是物理处理过程,对阴离子的去除能力有限,但Cl-、SO42-去除率也有所增加,分别达到31.95%、29.78%。HCO3-去除率下降,但本实验中HCO3-在一定范围内浓度较高,理论上计算拉森指数将减小,有利于管网腐蚀的控制。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  3 结论

  (1)PAC、Al2(SO4)3、FeCl3、PSAF对浊度去除率随投加量的增加呈现先升高后趋于平稳或降低的趋势。铝盐对再生水中浊度的去除率明显高于铁盐,在投加量<14 mg/L情况下PAC处理水样浊度有明显优势,PAC投加量为12 mgL时浊度去除率达72.48%。

  (2)随着混凝剂投加量的增加,Cl-、SO42-呈现先降低后平稳或增加的趋势。综合分析Cl-、SO42-、HCO3-以及拉森指数可知,PAC、Al2(SO4)3这2种铝盐混凝剂的处理效果较好,投加量较低且拉森指数较小,有助于减轻管网腐蚀倾向。

  (3)PAC投加量为12 mg/L时,絮凝指数随时间增加呈先快速增加后逐渐降低的趋势,说明絮体有明显增大的过程,絮体粒径大,结合微小絮体多,易于沉降,破碎再絮凝后的絮体也较大,表明絮体恢复能力较强,出水浊度较低。硫酸铝形成的絮体松散,不易沉降。PAC投加量为12 mg/L时可增大絮体尺寸,能有效控制出水水质。

  (4)经比选,再生水常规处理的最佳混凝剂为PAC,最佳投药量为12 mg/L,最佳运行工况为:快速搅拌60 s、速度300 r/min,慢速搅拌15 min、速度60 r/min,沉淀时间30 min。在此工况下运行,再生水厂沉淀出水的拉森指数理论值为0.999,显著低于再生水厂原工艺出水的拉森指数(1.436),该运行工况能有效控制管网腐蚀,减小后续工艺压力。

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