复配型聚合氯化铝处理低温高浊高碱水研究

李浩列 王 磊 史立达

(中铝山东有限公司, 山东 淄博 255000)

0 前言

对于中小型水厂而言,水处理应考虑节约能源、运行费用等因素。新疆某水厂处理的原水温度低、浊度高且碱含量高,导致净化过程中出现矾花沉降困难、出水浊度偏高的问题,运行成本和能源消耗较高。

低温高浊高碱水的处理是水处理技术中的一个难题,原因在于低温时水中胶体间静电斥力增强,水的粘滞性增加,胶粒布朗运动下降,颗粒碰撞困难[1-3],导致混凝剂水解、絮凝和沉降效果不佳[4-5];浊度高时,水中颗粒总体碰撞次数虽增加,但有效碰撞比例下降;高碱度时,胶粒表面光滑,不易被吸附和捕捉[6]。

同时,与其他水处理技术相比,以混凝、沉淀、过滤、消毒工序组成的常规水处理技术,由于成本低、工艺成熟, 始终是给水处理最基本和最主要的手段[7]。在给水处理技术中,混凝剂的选择与使用是混凝沉淀工艺的关键和核心[8]。无机高分子混凝剂原料易得,成本及售价低[9],同时絮凝沉降速度快,用量少,抗腐蚀性好,在低温和广泛pH范围内具有高效絮凝效果[10],并且混凝处理操作方便,对设备的限制性较小[11],已被广泛应用于水处理行业。

在水处理厂实际生产中,常用聚铝类和聚铁类作为混凝剂。混凝时,聚铝类混凝剂形成的矾花体积大且疏松,但沉降速度慢;聚铁类混凝剂形成的矾花体积小而密实,沉降速度快,但不稳定[9-12]。多位研究学者发现,不同金属离子的盐溶液在一定条件下羟化聚合形成的大分子同时表现出不同金属盐的优点[13-16]。此外,含硫酸根的溶液与聚合氯化铝复配混凝性能好,稳定性高[17],不仅可用于工业废水处理,还可用于饮用水处理[18],并且对低温低浊原水处理效果特别好[19]。

目前,从强化混凝工艺角度出发采用复配混凝剂来处理低温高浊高碱水的研究较少。郝俊国等[6]对大庆某水厂进行生产性改造,并选用硫酸铝+活化硅酸(或聚丙烯酰胺)作为混凝剂,试验后该厂低温高浊高碱原水的出水浊度降至3 NTU以下。

为解决新疆某水厂低温高浊高碱原水矾花沉降困难、出水浊度偏高导致能源消耗较高的问题,本文将某公司功能材料厂生产的聚合氯化铝分别与铁盐溶液和硫酸铝溶液进行复配聚合,通过改变复配混凝剂投加量和添加助凝剂等方式强化混凝工艺效果,解决该水厂存在的问题。

1 实验部分

1.1 新疆某水厂简介

新疆某水厂原水为高山融雪水,融水季节河水温度10 ℃左右,静置24 h后,浊度为300～400 NTU。水处理工艺采用6台高效纳米纤维一体化净水设备,设计供水量为4 600 m3/d,现有3台设备运行,水处理能力为3 000～3 600 m3/d,要求出水浊度小于8 NTU,pH为6～8。水处理工艺流程为:原水-预沉池-次氯酸钠预氧化消毒-管道加药-管道混合-斜管区域反应沉淀-砂滤-次氯酸钠后处理-彗星式纤维精滤-出水。每1 000 t水聚合氯化铝投放量为80 kg(折10%液体),出现矾花不沉的现象。

1.2 制备絮凝沉淀水样

按1 L生水添加1.0 g高岭土比例模拟制备原水,浊度为370.2 NTU,pH为8.8,每次选取1 L试验水样并采用冰块以隔离方式降温至10 ℃。将温度计放入试验水样中检测温度,当温度上升0.2 ℃时随即开始加冰块,温度下降0.2 ℃时立即停止添加冰块。

1.3 混凝剂制备方法

某公司功能材料厂通过两步法(盐酸、氢氧化铝、铝酸钙粉)生产饮用水级聚合氯化铝(铝含量0%,盐基度75%,简称黄PAC),采用一步法(盐酸、氢氧化铝)生产高纯级聚合氯化铝(铝含量10%, 盐基度45%,简称白PAC)。本文采用含铁盐溶液、硫酸铝溶液与上述产品进行复配并进一步聚合,提高其盐基度,制备聚合氯化铝铁和聚硫氯化铝,简写为黄PAFC、白PAFC、黄PACS和白PACS。另外,添加助凝剂阴离子型聚丙烯酰胺PAM(浓度1‰,投加量均为3 mg/L),制备有机物复合的PAFC和PACS,简写为PAFC+阴PAM和PACS+阴PAM。

1.4 试验仪器

试验仪器为温度计、WGZ-1000AS浊度仪、ZR4-6混凝实验搅拌机。

1.5 絮凝实验

在10 ℃低温下,当搅拌机转速达到110 r/min时,向1 L水样中加入一定量的复配混凝剂,拌搅5 min,随后在转速30 r/min下缓慢搅拌20 min,然后停止搅拌,静置沉降15 min,取上清液检测相关指标。

2 结果与讨论

2.1 复配铁盐混凝剂添加量对出水浊度和pH值的影响

将含铁盐溶液分别与黄PAC和白PAC进行复配得到黄PAFC和白PAFC,黄PAC和白PAC中铁含量分别为0.181%和0.003%,复配后黄PAFC和白PAFC中铁含量增加至0.3%。采用复配前和复配后混凝剂处理模拟原水,结果如图1所示。

图1 添加复配混凝剂对出水浊度和pH的影响

从图1可以看出,使用黄PAC、白PAC和黄PAFC、白PAFC,出水pH均小于8,且使用复配黄PAFC、白PAFC的出水pH值较使用复配黄PAC、白PAC低。

和采用黄PAC、白PAC相比,采用铁盐溶液复配的黄PAFC、白PAFC对原水进行处理,出水浊度明显下降。这表明PAC与铁盐溶液复配后有利于低温高浊高碱原水的处理。随着黄PAFC和白PAFC 添加量增加,出水浊度持续下降。当黄PAFC添加量从20 mg/L增加至50 mg/L,出水浊度从11.53 NTU降至7.3 NTU,达到水厂出水要求;当白PAFC添加量从20 mg/L增加至50 mg/L,出水浊度从15.07 NTU降至10.07 NTU。这说明黄PAFC的絮凝效果优于白PAFC的絮凝效果。

2.2 助凝剂添加对出水浊度和pH值的影响

经过上述讨论可以发现,黄PAFC和白PAFC可以降低原水出水浊度,尤其当黄PAFC添加量为50 mg/L时出水浊度可以达到水厂要求。在此基础上添加助凝剂阴离子型聚丙烯酰胺PAM,探究助凝剂对低温高浊高碱原水处理后出水pH值和浊度的影响,结果分别见表1和图2。

表1 助凝剂添加后对出水pH的影响

图2 助凝剂添加后对出水浊度和pH的影响

从表1可以看出,黄PAFC和白PAFC添加助凝剂后,出水pH值分别为7.26和7.17,符合自来水厂要求。

图2表明,当黄PAFC和白PAFC添加助凝剂后,出水浊度分别达到1.03 NTU和1.76 NTU,且两者的出水浊度基本相同,均达到水厂出水要求。综上,复配铁盐混凝剂黄PAFC添加量为50 mg/L时的絮凝效果最好,且添加助凝剂后浊度明显下降。

2.3 复配硫酸根混凝剂以及添加助凝剂对出水浊度和pH的影响

将黄PAC与硫酸根复配得到黄PACS,并添加絮凝剂处理低温高浊高碱原水,观察浊度去除效果。根据上述讨论将投加量定为50 mg/L。聚合氯化铝铁和聚硫氯化铝以及添加助凝剂对出水浊度和pH值的影响见表2及图3。

表2 聚合氯化铝铁和聚硫氯化铝以及助凝剂添加后对出水pH的影响

图3 聚合氯化铝铁和聚硫氯化铝以及助凝剂添加后出水浊度的比较

从表2可以看出,采用黄PACS以及黄PACS+阴PAM处理原水后,出水pH分别为7.21和7.05,符合自来水厂要求。

从图3可以看出,与黄PAFC处理后出水浊度比较,采用黄PACS处理后出水浊度明显降低,为1.58 NTU,与采用黄PAFC+阴PAM处理后出水浊度基本相同;当黄PACS中添加助凝剂后,出水浊度降至0.34 NTU。

因此,黄PACS或黄PACS+阴PAM处理低温高浊高碱原水,出水可以达到水厂要求。

2.4 选用复配型聚合氯化铝能耗分析

以该水厂水处理能力为3 000～3 600 m3/d为例,采用原有工艺,每处理1 000 t水投药量为80 kg聚铝(折10%液体);采用黄PACS或黄PACS+阴PAM后,每处理1 000 t水投药量为50 kg(折10%液体),药耗降低37.5%,漂白粉使用量也较之前降低40%。虽然铁盐、助凝剂等药剂的添加增加成本,但漂白粉用量以及药剂投加量减少,经核算最终成本仍旧降低。同时,采用黄PACS或黄PACS+阴PAM来强化混凝效果,直接处理该水厂低温高浊高碱原水,出水浊度明显降低。因此,采用黄PACS或黄PACS+阴PAM,不仅降低混凝剂和漂白粉的药耗,降低运行成本和能耗,而且出水水质好,降低后续水处理负担,达到节约能源和经济实惠的目标。

3 结论

1)复配铁盐的黄PAFC和复配硫酸根的黄PACS在投加量为50 mg/L时,出水水质均达到水厂要求, 且黄PACS对低温高浊高碱水的处理效果优于黄PAFC的效果。

2)在黄PAFC和黄PACS中添加助凝剂阴离子型聚丙烯酰胺PAM,有助于降低低温高浊高碱原水的出水浊度,尤其黄PACS搭配阴PAM的出水浊度降至0.34 NTU。

4)对于低温高浊高碱原水而言,黄PACS与黄 PACS+阴PAM效果相近。

5)采用黄PACS或PACS+阴PAM直接对原水处理能够降低该水厂能源消耗和运行成本。