提高高密度沉淀池硬度去除效果的研究

石油化工402015年18期提高高密度沉淀池硬度去除效果的研究周新宇刘明涛张辉神华包头煤化工有限责任公司，内蒙古包头014030摘要：本文针对高密度沉淀池用于气化废水预处理中硬度去除效果不佳、池体斜管结垢严重等问题，本中试实验采用高密池中试实验装置对现有高密度沉淀池进行模拟，调整了加药方案，对改进后加药方案的硬度和浊度处理效果进行了长期监测，并通过挂片实验观察设备的结垢情况，综合考察新加药方案对气化废水的除硬的实用性，为实际运行和优化提供理论支持和技术参考。关键词：高密度沉淀池；硬度去除；氢氧化钠；硬度处理中图分类号：TU991.2文献标识码：A文章编号：1671-5799(2015)18-0040-031引言高密度沉淀池是一种基于斜管沉淀和污泥循环回流技术的新型澄清池，通过将多种药剂投加、污泥回流、机械混合、机械絮凝、接触絮凝、高效沉淀、污泥浓缩等功能有机结合在一起，实现了相互协调、高效处理的功能。如今高密度沉淀池在我国的应用越来越广泛，实用性也是较强，但也存在硬度去除效果不佳的问题，所以又必须要对高密度沉淀池硬度效果去除的方案进行深入的研究，从而提出更加有效地方案。2高密度沉淀池硬度去除加药方案优化研究通过烧杯实验对处理气化废水的除硬效果进行了分析，对NaOH、Ca(OH)2、Na2CO3所组成的几种加药方案的投加量进行了比较分析，得出较优的投加量。2.1NaOH加药方案由NaOH加药试验得到，随着pH的增加，水体的总硬去除率增加，增速减缓，分析原因，pH的增加在抑制分散剂的作用同时，也与水体中的碳酸氢根进行了反应，形成碳酸根离子将水中的钙硬沉淀下来，而高pH条件下氢氧化镁的形成不仅去除了水中的镁硬，也为混凝提供了助凝的作用。结果表明，在pH=10.5时，仅调节pH就可达到较高的硬度和浊度处理效果，但是随着pH的增加，单位pH所需要投加大量的NaOH，所以在保证出水水质的前提下，选择合适的pH调节点，降低药品投加量是很有必要的。后续实验将选择pH=9.5作为pH调节点，当出水硬度过高时，考虑调节pH=10。对NaOH投加量进行滴定分析结果:单位氢氧化钠溶液导致污水pH增幅先减少后增大，在9.2-9.6之间增幅最小，即曲线最陡，可见该pH范围内有大量耗碱反应发生，该结果可对实验中氢氧化钠的投加量判断提供参考，结果表示调节pH=9.5所需氢氧化钠约为1.3g/l，调节pH=10所需氢氧化钠约为1.8g/l，药剂投加量过大，故需考虑投加其他药剂以减少氢氧化钠投加。2.2石灰乳加药方案由石灰乳加药试验结果得到，随着石灰乳投加量的增加，水体的总硬并没有去除，反而有所增加，分析原因，当石灰乳进入水体时，形成的OH-优先与水中的NH4+反应生成氨气逸出，而石灰乳中的Ca2+并没有形成沉淀析出，导致了水体中的钙硬增加。因此，石灰软化法不适用于气化废水的除硬处理。表1碳酸钠投加实验样品调节PHPAC石灰乳碳酸钠PAM原水总硬/浊度出水总硬/浊度总硬去除率1/20/2000.51085/92.7920/54.315.21%2/20/5000.51085/92.7860/59.420.74%3/20/10000.51085/92.7795/49.626.73%4/20/15000.51085/92.7725/58.533.18%5/20/20000.51085/92.7585/60.146.08%注：1、除pH和浊度外，单位均为mg/L；2、进水其他指标pH=8.21，碱度=985mg/L2.3碳酸钠加药方案由表1可知，随着碳酸钠投加量的增加，水体的总硬逐渐减小，但是下降缓慢，即便是加药量达到2000mg/L时，处理率仅为46.08%，出水硬度无法达到相应要求。分析原因，一方面碳酸根和碳酸氢根存在动态平衡，碳酸的溶解受到了缓冲作用，另一方面水体中的分散剂成分也在一定程度上阻碍了碳酸钙沉淀的形成。表2aOH+石灰乳投加实验样品调节PHPAC石灰乳碳酸钠PAM原水总硬/浊度出水总硬/浊度总硬去除率19.5200/0.51065/80.1440/6.5358.69%29.520200/0.51065/80.1385/18.463.85%39.520400/0.51065/80.1560/2.7647.42%49.520600/0.51065/80.1575/8.2546.01%59.520800/0.51065/80.1605/10.143.19%69.5201000/0.51065/80.1780/18.026.76%注：1、除pH和浊度外，单位均为mg/L；2、进水其他指标pH=8.18，碱度=1020mg/L2.4“NaOH+石灰乳”加药方案由表4可知，相对于空白，加入石灰乳的各个水样中，仅有加入石灰乳200mg/l的水样去除率大于空白，随着石灰乳投加量的增加，总硬去除率不断降低，且都小于空白，故说明当石灰乳投加量大于400mg/l时，石灰投加过量，使得水样中硬度增加。而即便是在200mg/L时，石灰投加对水体的硬度去除率的贡献不大，但考虑到石灰乳为悬浊液，或可对结垢情况有一定的缓解作用。表3NaOH+碳酸钠投加实验样品调节PHPAC石灰乳碳酸钠PAM原水总硬/浊度出水总硬/浊度总硬去除率19.520/00.5990/69.5455/8.2754.04%29.520/1000.5990/69.5415/6.2558.08%39.520/2000.5990/69.5340/4.9865.66%49.520/3000.5990/69.5290/9.7370.71%59.520/4000.5990/69.5295/5.0170.20%注：1、除pH和浊度外，单位均为mg/L；2、进水其他指标pH=8.35，碱度=895mg/L中国科技期刊数据库工业A2015年18期412.5“NaOH+碳酸钠”加药方案由表3可知，相对于空白，加入碳酸钠均能提高总硬的去除率，随着碳酸钠投加量的提高，总硬去除率升高，当投加量大于200mg/l时，上升趋于平缓，最终去除率达到70%左右。对比分析，取300mg/L为最优投加量。表4NaOH+石灰乳+Na2CO3投加实验样品调节PHPAC石灰乳碳酸钠PAM原水总硬/浊度出水总硬/浊度总硬去除率110201001000.51090/75.4295/16.472.94%210201002000.51090/75.4220/14.979.82%310201003000.51090/75.4210/3.8480.73%410201004000.51090/75.4225/3.1479.36%注：1、除pH和浊度外，单位均为mg/L；2、进水其他指标pH=8.61，碱度=960mg/L2.6“NaOH+石灰乳+Na2CO3”加药方案由表4可知，当pH=10时，碳酸钠的总硬去除率在投加量为300mg/L时达到最大，结合实验结果，碳酸钠的投加量设定为300mg/L。该方案可作为挂片实验的备选方案。3数据分析3.1挂片加药方案确定单纯投加石灰乳或碳酸钠的加药方案均无法达到后续工艺所需的硬度去除要求，故不适用于该除硬系统。只有对水体进行pH调节后，硬度才能有较高的去除率。在调节pH的条件下，现有PAC和PAM的投加量均能够达到相应的浊度去除要求（NTU20），药剂投加量分别为PAC=20mg/L，PAM=0.5mg/L。只有对水体进行pH调节后，硬度才能有较高的去除率。进行pH调节的几套加药方案中，以“NaOH+Na2CO3”和“NaOH+石灰乳+Na2CO3”为挂片加药方案除硬效果最好，两套方案不同之处在于石灰乳的投加，虽然石灰乳对除硬的贡献不大，但是由于其可能会缓解设备结垢情况，所以也有进行挂片实验的必要。3.2硬度去除效果分析（1）“NaOH+碳酸钠”加药方案。行期间，进水总硬度在900～1200mg/L之间波动，经验证性实验发现，水体总硬度中钙硬的比例约为80%～95%。进水pH范围为7.98～8.38，属于偏碱性水体，该pH下水体中的碱度以HCO32-为主。每天对pH进行一次加药调节，受到进水pH波动、进水氨氮含量变化、配药误差等因素的影响，出水pH波动较大，出水pH与硬度去除率之间呈现明显的相关性，随着pH的升高，去除率有所提升。分析发现当出水pH为9.0～9.5时，硬度去除率在40%-55%之间；当出水pH为9.5～10.0时，硬度去除率在55%-70%之间；当出水pH为10.0～10.5时，硬度去除率在70%-80%之间，出水硬度小于300mg/L；如果继续提高pH至大于10.5时，硬度去除率在90%左右，出水硬度可达到100mg/L以下。（2）“NaOH+石灰乳+碳酸钠”加药方案。置运行期间，进水总硬度在900～1100mg/L之间波动，出水硬度稳定在400mg/L以下，硬度去除率均大于60%，分析发现当出水pH为9.5～10.0时，硬度去除率在60%-75%之间，当出水pH为10.0～10.5时，硬度去除率在70%-90%之间。与“NaOH+碳酸钠”加药方案相比，不同出水pH下硬度去除率相当，随pH的升高硬度去除率均上升明显，与烧杯实验结果相呼应。3.3浊度去除效果讨论（1）“NaOH+碳酸钠”加药方案。置运行期间，进水浊度普遍较高，一般在90～120NTU之间，部分时段可达170左右。加药方案对水体浊度的去除较为稳定，出水浊度可稳定在20NTU以下，大大优于现有除硬系统，处理效果满足后续工艺需求。除PAC和PAM的作用外，NaOH的投加对浊度的去除起到主要作用，分析认为是由于pH升高破坏了胶体和分散剂的稳定性而生成的Mg(OH)2起到了助凝的效果。（2）“NaOH+石灰乳+碳酸钠”加药方案装置运行期间，进水浊度波动较大，呈现下降的趋势。出水浊度可稳定在10NTU以下，处理效果优于“NaOH+碳酸钠”加药方案。3.4COD、氨氮去除分析（1）COD去除情况分析。密池工艺对于煤气化废水中COD有一定的去除，COD去除在20mg/L左右，去除率较小，从工艺的角度分析：高密池工艺主要是通过投加石灰乳/氢氧化钠溶液+碳酸钠溶液及相应的絮凝剂进行混凝反应、沉淀降低水中的浊度和硬度，同时也会通过混合絮凝会降低水中部分非溶解性COD；而水中非溶解性的COD占水中COD比例的不同，高密池工艺的COD去除效果便不相同；这也可以推理说明煤气化废水中非溶解性COD所占比例很少，所以高密池对于煤气化废水中COD的去除效果不理想；（2）氨氮去除情况分析。验中高密池进水、出水的氨氮数值基本相同，可以看出高密池对于煤气化废水中的氨氮并无去除效果；废水含有300mg/L的氨氮，属于中浓度氨氮，可以通过氨氮吹脱塔降低废水中氨氮的含量，一般需要将废水的pH调制11以上，而且需要合适气液比时，才有较好的去除效果，而高密池反应调节只是将废水pH值调至10～10.5即可，而且并没有具备脱氨的条件，所以水中氨氮并无明显的去除。3.5挂片实验分析两种加药方案中，同种挂片的结垢速率均随水体流向逐渐减少。分析发现，整个装置对硬度的去除主要是在NaOH投加的投加阶段，pH调节后在混合池1中产生大量的碳酸钙和氢氧化镁，随水流往后续池体流动的过程中，一部分成垢物质经絮凝作用形成了较大的絮体随水体流动，而一部分成垢物质由于沉淀作用被设备所截留，导致水体中成垢物质浓度随水流方向逐渐减小，使得结垢的倾向逐渐减缓。对比碳钢和不锈钢挂片发现，在装置混合区1和2中，两个池体中不锈钢挂片的结垢速率均大于碳钢挂片。而在絮凝区中不锈钢挂片的结构速率要小于碳钢挂片。猜测原因可能是两个方面首先，混合区1和2中搅拌强度相对较大，水体中空气含量较高，导致碳钢挂片受到了一定腐蚀作用使得质量有所减少，而絮凝区腐蚀作用相对较小；其次，随着成垢物质浓度不断提高，碳钢和不锈钢的结垢倾向将会趋于一致，当浓度达到一定值时，在低浓度时巨大的结垢差异将不明显。两组加药方案连续运行15天，称量挂片增重后，计算所得结垢速率。通过对比发现，“NaOH+Na2CO3”加药方案中，各挂片的结垢速率均大于实际除硬