宛西制药动力车间的20 t/h锅炉原水从西峡鹳河中取水,河水中含有泥沙、黏土等悬浮物和胶体,在对原水进行深度处理之前,必须将其除去。悬浮物颗粒的直径大于0.1 μm,而胶体的颗粒直径处于0.001～0.1 μm之间。大颗粒悬浮杂质可以通过自然沉降的方法去除,而微小粒径的悬浮物和胶体杂质是难以用自然沉降的方法去除的。在水中投入某些絮凝剂来破坏胶体和细微颗粒在水中形成的稳定体系,使其相互聚合成较大的絮凝体,然后予以分离。向原水中投加絮凝剂聚铝(PAC)沉淀水中胶体,再经阳离子交换、除氧处理作为锅炉给水,该工艺成熟,技术完善,一直运行良好。但在冬季12月份至来年1月份时,原水取水浊度在5～50 NTU左右,经聚铝絮凝后的余浊仍较大,且炉水取样呈浑浊状。停车检修时锅底有白色松软状垢物,经排污可将其冲走。经分析,炉水虽混浊但硬度仍为零,碱度符合标准,说明阴阳离子树脂正常,问题在于絮凝沉淀不彻底。
炉水浑浊大大增加了除盐系统的离子交换树脂堵塞的可能,缩短离子交换树脂的寿命,一旦树脂失效,锅炉结垢,将带来较大经济损失,因此企业迫切需要改进锅炉原水的处理工艺。
针对此问题可添加超滤装置,利用超滤膜为过滤介质,以压力差为驱动力,溶剂水和小溶质粒子透过膜到达低压侧,大粒子组分被膜阻挡。超滤能够有效地去除水中的悬浮物、胶体、有机大分子、细菌、微生物等杂质。但企业生产繁忙,且添加一套设备价值不菲。因此,从絮凝剂受温度的影响和絮凝剂联用等方面进行了研究,以期解决问题。
1 材料与方法
1.1 试验材料
(1)锅炉内垢样采自停车检修时锅筒内壁。
(2)试验用河水采自鹳河的取水口。主要水质状况为： 浊度26 NTU,pH 7.5～8.5。
(3)无机絮凝剂：聚合氯化铝(PAC,简称聚铝),聚合硫酸铁(PFS,简称聚铁)。有机絮凝剂：聚丙烯酰胺(PAM,相对分子质量>300万)。
(4)试验仪器。WGZ-200 数显浊度仪,上海沪粤明科学仪器有限公司;DBJ-623电动搅拌器,宁波海工集团公司。
1.2 试验方法
(1)混凝剂的配制。聚铝和聚铁均用去离子水配成10 g/L溶液,有机絮凝剂聚丙烯酰胺配成0.1%溶液。
(2)采样。取100 mL 河水水样放入250 mL 烧杯中进行絮凝试验,并观察矾花形成过程。试验结束静沉20 min 后在距离液面1 cm 处取样用于水质分析。
(3)水质分析。浊度采用WGZ-200数显浊度仪进行测定。
2 结果与讨论
2.1 絮凝剂单独使用效果随温度的变化
考察温度对聚铝处理后水的余浊的影响,结果如图 1所示。
图 1 温度对聚铝处理后水的余浊的影响
由图 1可见,温度对聚铝的影响较大,随着温度的降低,聚铝的絮凝效果快速下降。当水温较低(5 ℃)时,浊度较高;水温在20 ℃以上,絮凝效果较好。且聚铝的投加量不是越多越好,投加量为2~4mg/L,余浊下降,投加量达到6 mg/L,余浊反而上升,一般在冬季投加3～4 mg/L即可。
聚铝的絮凝经历了水解、絮凝和沉淀的过程。水解反应是吸热反应,当水温过低时,水解困难。当水温低于5 ℃时,铝盐的水解速度极慢,絮凝作用显著降低,并且水中微粒的布朗运动减弱,不利于絮凝体的成长和微粒间碰撞、凝聚,其沉降性能变差。当温度升高时,絮团比较紧密,易于沉降。水温升高,使得水解容易,而且布朗运动增强,胶粒间碰撞机会增大,絮凝效果变好。一般说来,聚铝的使用温度为水温20~30 ℃为宜〔1〕。
考察温度对聚铁处理后水的余浊的影响,结果如图 2所示。
图 2 温度对聚铁处理后水的余浊的影响
由图 2可见,聚铁的适用温度更广,且聚铁的絮凝效果比聚铝稍好。聚铁在水溶液中能提供大量的高凝聚力聚合铁离子,其有显著的吸附架桥和网捕作用,聚铁比聚铝絮凝能力强、效果好〔2〕。
考察温度对聚丙烯酰胺处理后水的余浊的影响,结果如图 3所示。
图 3 温度对聚丙烯酰胺处理后水的余浊的影响
由图 3可见,聚丙烯酰胺受温度影响最小,且在较小的投加量下取得较好的效果。这是由于聚丙烯酰胺相对分子质量大,本身具有较大枝杈结构,且有很强的极性,因而有强吸附架桥作用,使原水中微小的胶粒得以迅速凝聚,因而受温度影响小。
单独使用聚铝在低温时絮凝效果不好,在冬季絮凝沉淀不彻底,部分胶体会通过锅炉水处理系统进入锅筒内,长时间富集后造成炉水混浊。
2.2 絮凝剂联用效果随温度的变化
2.2.1 聚铝与聚铁协同作用
按聚铝和聚铁质量比1∶1投加到水中,总质量浓度为4 mg/L,考察温度对处理后水的余浊的影响,结果如图 4所示。
图 4 温度对聚铝和聚铁联用处理后水的余浊的影响
由图 4可见,聚铝和聚铁混合使用比单独使用效果要好,且受温度影响较小。聚铁和聚铝作为无机高分子絮凝剂,各有特点：聚铁生成的絮体密实,沉降速度快,强度好,但矾花小;而聚铝生成矾花大,但生成絮团较慢,矾花轻,疏松,沉降慢〔3, 4〕。联合投加聚铝和聚铁,可获得对单一混凝剂取长补短的效果：聚铁在水中生成细而重的矾花;聚铝以其为核心,会生长成粗大的矾花,所以絮凝效果好〔5〕。
2.2.2 聚铝与聚丙烯酰胺协同作用
按聚铝和聚丙烯酰胺质量比3∶1投加到水中,总质量浓度为4 mg/L,考察温度对处理后水的余浊的影响,结果如图 5所示。
图 5 温度对聚铝和聚丙烯酰胺联合处理后水的余浊的影响
由图 5可见,加入聚铝的同时投加聚丙烯酰胺来加强絮凝效果,其作用是聚丙烯酰胺的吸附架桥改善聚铝的絮体结构,使得聚铝细小而松散的絮体变得粗大而密实,架桥成为更大的絮凝体,增强了电中和和吸附架桥的作用〔6〕。
2.3 絮凝剂联用工艺的工业应用效果
在2013年冬季,综合考虑絮凝效果和原料成本,宛西制药动力车间采用聚铝和聚铁联用工艺(质量比1∶1,总质量浓度为4 mg/L)来絮凝沉淀低温原水,其他工艺设备不变,炉水采样不再混浊,停车检修打开人孔检查没有污垢残留。这种方法无需添加超滤设备,避免了昂贵的投资和停工安装设备所带来的其他损失,以较低的成本提高原有絮凝沉淀设备的效果,经济效益好。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。
3 结论
温度对絮凝剂的絮凝效果影响大小顺序：聚铝>聚铁>聚丙烯酰胺,聚铝和聚铁、聚铝和聚丙烯酰胺联用受温度影响较小,絮凝效果比单独使用效果好。在冬季采用聚铝和聚铁联用工艺处理锅炉低温原水,炉水不再混浊。这种方法无需添加超滤设备,以较低的成本提高原有混凝沉淀设备的絮凝效果。