雷聲楊

(中電建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518107)

水資源問題是關(guān)系到人類前途和命運(yùn)的關(guān)鍵問題，是人類賴以生存和社會發(fā)展的重要物質(zhì)資源[1]。我國水資源稀缺，地下水作為我國重要的供水來源，而全國大部分地下水供水地區(qū)受到了不同程度的污染，其中總硬度超標(biāo)嚴(yán)重。藥劑軟化法因其成本較低，是我國目前除硬度的主要技術(shù)，但由于其處理后出水濁度難以控制，嚴(yán)重影響了居民飲用的感官感受。誘導(dǎo)沉淀結(jié)晶軟化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于國外水廠，且能夠較好地解決出水濁度問題[2]。本文基于誘導(dǎo)沉淀結(jié)晶原理，開發(fā)地下水除硬度高效固液分離裝置，解決目前國內(nèi)藥劑軟化法除硬度技術(shù)存在的問題，從而在國內(nèi)進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1 誘導(dǎo)沉淀結(jié)晶軟化技術(shù)

誘導(dǎo)沉淀結(jié)晶技術(shù)是新型的化學(xué)沉淀技術(shù)，其特點(diǎn)是在沉淀反應(yīng)體系中加入粒狀固體物質(zhì)以促進(jìn)沉淀結(jié)晶、沉降迅速進(jìn)行，使工藝時(shí)間大大縮短，從而克服了傳統(tǒng)化學(xué)沉淀法的缺陷[3]。固相雜質(zhì)加速晶核出現(xiàn)的作用實(shí)際上為誘導(dǎo)作用，將所用的固相物質(zhì)統(tǒng)稱為誘晶材料。該技術(shù)已在水質(zhì)軟化及工業(yè)廢水處理等領(lǐng)域得到應(yīng)用[4]。

誘導(dǎo)沉淀結(jié)晶技術(shù)的主要方式有流化床結(jié)晶、誘垢載體沉積式除垢和結(jié)晶沉淀—膜濾技術(shù)，其中流化床結(jié)晶法應(yīng)用最多。流化床結(jié)晶中使用的反應(yīng)器叫流化床結(jié)晶器( Fluidized bed crystallizers，簡稱：FBCS或FBC)，也叫粒丸反應(yīng)器( Pellet reactor)、流化床反應(yīng)器( Fluidized bed reactor,簡稱：FBR)[5-6]。其技術(shù)核心是在反應(yīng)器底部填充適當(dāng)?shù)牧钫T晶材料(一般為砂粒)，將水泵入反應(yīng)器底部以使誘晶材料處于流化態(tài)，通過加入沉淀劑使去除對象在誘晶材料上沉淀結(jié)晶，隨著沉淀結(jié)晶誘晶材料不斷增長、變重，逐漸沉到反應(yīng)器底部，定期排出一定大顆粒的誘晶載體同時(shí)補(bǔ)充新的誘晶載體保持反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行，排出的誘晶載體含水率低，不需脫水、干化處理[7-9]。

在結(jié)晶軟化工藝中，誘晶載體和軟化劑的選擇非常重要。作為誘晶載體的材料很多，如石英砂、膨潤土、硅酸鹽、天然植物、金屬工業(yè)下腳料、合成材料下腳料等均可作為誘晶載體[10]。常用的軟化劑有Ca(OH)2、NaOH和Na2CO3，軟化劑的選擇主要由原水水質(zhì)、運(yùn)行成本以及操作的難易程度決定。

誘導(dǎo)沉淀結(jié)晶軟化法與沉淀軟化法的基本作用原理相同，但工藝條件存在顯著差異，是一種新型的化學(xué)沉淀技術(shù)。其特點(diǎn)是在反應(yīng)體系中使用大量誘晶載體，促進(jìn)工藝過程快速進(jìn)行。結(jié)晶軟化工藝在水處理領(lǐng)域最早即用于水的軟化，其理論依據(jù)是結(jié)晶學(xué)中的誘導(dǎo)成核原理。在結(jié)晶反應(yīng)器中裝填適量的誘晶載體，再投加某些化學(xué)藥劑于原水中，使溶液中的碳酸平衡向生成CO32-的方向移動，水中CO32-和Ca2+以晶種為核心，在誘晶載體表面結(jié)晶析出，最后形成CaCO3晶粒，從而達(dá)到軟化水質(zhì)的目的[11]。

與傳統(tǒng)的化學(xué)沉淀法相比，誘導(dǎo)沉淀結(jié)晶工藝無需絮凝、沉淀等單元，具有占地面積小、反應(yīng)快、去除率高不易產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中具有廣闊的前景。

2 高效固液分離裝置的構(gòu)建

2.1 傳統(tǒng)藥劑軟化法的缺陷

藥劑軟化法由于具有原理簡單、應(yīng)用方便、不需復(fù)雜設(shè)備、廢水產(chǎn)率低、處理費(fèi)用相對較低等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。然而，在藥劑軟化過程中存在反應(yīng)速度較慢且反應(yīng)程度進(jìn)行不徹底等問題，如要達(dá)到較高的硬度去除效果需要投加較高劑量的軟化藥劑。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果也表明，現(xiàn)有的除硬度藥劑具有與地下水水質(zhì)處理需求針對性不強(qiáng)、去除效能較差、處理費(fèi)用尚需進(jìn)一步降低等方面的問題。且在處理過程中會產(chǎn)生大量的廢渣，易對環(huán)境造成污染。

2.2 誘晶軟化法的進(jìn)一步優(yōu)化

基于藥劑軟化法而發(fā)展出的誘導(dǎo)沉淀結(jié)晶軟化法有效解決了傳統(tǒng)藥劑軟化法所存在的基本問題，在國外獲得了大量的應(yīng)用，并取得了較好的應(yīng)用效果，然而目前尚沒有在國內(nèi)成功應(yīng)用的案例。結(jié)合結(jié)晶軟化法在國外的應(yīng)用情況以及國內(nèi)水廠對飲用水除硬度技術(shù)的需求，需要在技術(shù)引進(jìn)過程中重點(diǎn)針對以下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.1 針對結(jié)晶軟化法所用的軟化藥劑(除硬度藥劑)需進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化

國外的應(yīng)用結(jié)果表明，使用一定時(shí)間后需要更換誘晶材料以確保硬度去除效果，這無疑會造成運(yùn)行的中斷，同時(shí)增加處理成本、增加操作工序，對于其推廣應(yīng)用造成一定的影響。此外，結(jié)晶軟化單元的出水需要進(jìn)行進(jìn)一步處理以確保出水水質(zhì)。因此，結(jié)合軟化藥劑的投加方式，需要考慮針對軟化藥劑進(jìn)行復(fù)配形成新的軟化藥劑，以達(dá)到確保連續(xù)運(yùn)行、提升處理水質(zhì)的目的。

2.2.2 結(jié)晶軟化法的應(yīng)用條件和技術(shù)參數(shù)需要有針對性的優(yōu)化

針對我國典型高硬度地下水的基本水質(zhì)特征，合理控制處理出水水質(zhì)目標(biāo)，可以有效地降低處理成本、簡化操作程序、確保出水水質(zhì)安全。因此，需要針對結(jié)晶軟化法的基本應(yīng)用條件和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.3 結(jié)晶軟化法在實(shí)際應(yīng)用中的應(yīng)用裝置形式需要進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)

結(jié)晶軟化法在國外應(yīng)用的案例多采用結(jié)晶軟化裝置加后續(xù)過濾處理的方式，設(shè)備占地面積大、操作復(fù)雜，不適用于目前國內(nèi)部分地區(qū)水廠人員較低的操作管理水平。因此，需要結(jié)合國內(nèi)水廠實(shí)際狀況，開發(fā)占地面積小、操作管理方便的新型、高效處理裝置。

2.3 高效固液分離裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)地下水除硬度工藝的基本工藝單元組成，除硬度設(shè)備應(yīng)該具備加藥混合單元、沉淀物析出單元、誘晶及固液分離單元、過濾單元以及反沖洗、廢水廢渣處置等5個主要的組成單元，其中沉淀物析出、誘晶及固液分離和過濾單元等3個部分是裝置的主體處理組成部分。為降低裝置的占地面積，增加集約化程度，充分結(jié)合3部分的基本性能要求和工藝特點(diǎn)，形成了一體式除硬度裝置，其基本裝置構(gòu)型如圖1所示。

圖1 高效固液分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖

裝置高效固液分離單元整合了沉淀物析出單元、誘晶強(qiáng)化除硬度單元的基本功能，并結(jié)合了顆粒物強(qiáng)化分離裝置而組成，是總硬度去除的主體場所。同時(shí)高效分離誘晶除硬度過程中所形成的顆粒物，確保裝置出水渾濁度在5 NTU以內(nèi)，為后續(xù)過濾單元的運(yùn)行創(chuàng)造條件。主要由四部分組成：進(jìn)水及藥劑混合區(qū)(沉淀物析出區(qū))、造粒流化床結(jié)晶區(qū)、初步分離區(qū)和斜管沉淀分離區(qū)。

3 高效固液分離裝置的處理效能

利用優(yōu)化后的高效固液分離裝置進(jìn)行連續(xù)性試驗(yàn)，運(yùn)行方式為連續(xù)進(jìn)水，進(jìn)水量為40 m3/h。運(yùn)行參數(shù)為：軟化藥劑(NaOH)投加量為100 mg/L，混凝劑(FeCl3)投加量5 mg/L，誘晶材料采用0.1～0.2 mm的石英砂顆粒，除硬度反應(yīng)停留時(shí)間為10 min，沉淀區(qū)停留時(shí)間30 min，濾速為6 m/h，運(yùn)行周期24 h。工藝連續(xù)運(yùn)行2個月，運(yùn)行效果如下所示。

3.1 總硬度

運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)，高效固液分離裝置對總硬度的去除效果如圖2所示。

圖2 高效固液分離裝置硬度去除效果

由圖2可看出，工藝對原水中的總硬度具有較好的控制效果，原水與藥劑經(jīng)過混合后進(jìn)入高效固液分離單元，高效固液分離裝置出水的總硬度已降低至300 mg/L左右，大部分原水中的硬度在本階段已經(jīng)基本去除；經(jīng)過石英砂過濾單元過濾后，濾后水的總硬度含量可降低至250～270 mg/L之間。在整個運(yùn)行期間內(nèi)，裝置運(yùn)行效果穩(wěn)定，各單元出水中的總硬度出水保持在特定數(shù)值區(qū)間內(nèi)，顯著降低了地下水中的高硬度對居民日常用水的影響。

3.2 pH

地下水除硬度裝置連續(xù)運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)，裝置各單元進(jìn)出水中的pH值變化情況如圖3所示?？梢钥闯?，地下水原水pH基本在7.2～7.3左右，高效固液分離單元出水的pH值升高至8.3左右，經(jīng)過過濾之后pH值降低至8.2左右。地下水除硬度裝置出水的pH值穩(wěn)定在8.1～8.3范圍內(nèi)，滿足我國現(xiàn)行生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)的限值要求(6.5～8.5)，不需要再進(jìn)行加酸回調(diào)。

圖3 高效固液分離裝置出水pH值的變化情況

3.3 渾濁度

裝置連續(xù)運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)，出水中渾濁度的變化情況如圖4所示?？梢钥闯觯铀幓旌虾笏臏啙岫蕊@著增加，可增加至90 NTU左右，主要是所加藥劑與水中的碳酸氫根反應(yīng)生成大量的沉淀物所導(dǎo)致；經(jīng)過高效固液分離單元后的出水渾濁度可控制在1.0～4.0 NTU的范圍內(nèi)，對顆粒物的去除率達(dá)到90%以上；經(jīng)過過濾單元處理后渾濁度則可降低至0.5 NTU以內(nèi)，滿足現(xiàn)行生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值要求(1 NTU)。

圖4 高效固液分離裝置出水渾濁度的控制效果

3.4 其他水質(zhì)指標(biāo)

除了上述水質(zhì)參數(shù)外，針對裝置進(jìn)出水進(jìn)行了其它主要水質(zhì)參數(shù)的測定，結(jié)果見表1。

表1 高效固液分離裝置進(jìn)出水主要水質(zhì)指標(biāo)檢測結(jié)果

由表1可以看出，除總硬度、pH值、渾濁度及鋁等指標(biāo)外，針對裝置出水所檢測的主要相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的限值要求。

綜上，高效固液分離硬度處理裝置適合我國國內(nèi)大部分硬度偏高且以地下水為飲用水源的地區(qū)，其處理效果較好，運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)相對較成熟，處理成本相對于其他水軟化工藝較低，可以進(jìn)一步在國內(nèi)進(jìn)一步研究推廣。

4 成本分析

4.1 建設(shè)成本

按5 000 m3/d處理規(guī)模計(jì)，裝置費(fèi)用(含混合器、計(jì)量泵及攪拌裝置)：130.0萬元；石英砂濾料：5萬元；連接管道及反沖洗水泵、風(fēng)機(jī)：8萬元；場地硬化及廠房搭建：7萬元；合計(jì)：150萬元，噸水建設(shè)成本約為300元/(m3/d)。建設(shè)成本低于目前常規(guī)工藝水廠建設(shè)的基本造價(jià)費(fèi)用。

4.2 運(yùn)行成本

針對優(yōu)化的除硬度工藝的運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行了運(yùn)行成本分析。藥劑費(fèi)：復(fù)合藥劑價(jià)格3 000元/噸，投加量80～100 mg/L；則每噸水的藥劑成本為：故藥劑費(fèi)為：0.24～0.30元/m3；

動力費(fèi)用：生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)裝置(1 000 m3/d)運(yùn)行系統(tǒng)中含有的機(jī)電設(shè)備詳見表2。

表2 高效固液分離裝置主要機(jī)電設(shè)備情況

動力費(fèi)：耗電量為102.2度/d，單位處理水量所耗電0.102度/噸，每度電約0.8元，故處理每噸水動力費(fèi)是0.081 6元。故處理每噸水的單位運(yùn)行成本不超過0.4元。

5 結(jié)語

(1)基于誘晶軟化原理，構(gòu)建了適合國內(nèi)地下水硬度去除的高效固液分離裝置；

(2)高效固液分離硬度處理裝置裝置對原水中硬度的去除率高達(dá)50%，pH值穩(wěn)定在8.1～8.3范圍內(nèi)，裝置濾后出水渾濁度可降至0.5 NTU以內(nèi)，其他各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足現(xiàn)行生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的限值要求；

(3)高效固液分離硬度處理裝置處理效果較好，運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)相對較成熟，處理成本較低，可以在國內(nèi)進(jìn)一步研究推廣。