水是生命之源,它孕育和滋養(yǎng)了地球上的一切生命,并從各個(gè)方面為人類社會(huì)服務(wù)。水資源的短缺和水環(huán)境污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅著人類的健康和安全,制約著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。水資源保護(hù)和水污染防治已成為人類能否實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵問(wèn)題,引起全世界的普遍關(guān)注,污水處理技術(shù)得到不斷發(fā)展。
現(xiàn)代污水處理技術(shù),按原理可分為物理處理法、化學(xué)處理法和生物化學(xué)處理法3大類。物理處理法是利用物理作用分離污水中呈懸浮固體狀態(tài)的污染物質(zhì),方法有篩濾法、沉淀法、上浮法、氣浮法、過(guò)濾法和反滲透法等?;瘜W(xué)處理法是利用化學(xué)反應(yīng)的作用,分離回收污水中處于各種形態(tài)的污染物質(zhì),包括懸浮的、溶解的和膠體的。主要方法有中和、混凝、電解、氧化還原、汽提、萃取、吸附、離子交換和電滲析等。生物化學(xué)處理法是利用微生物的代謝作用,使污水中呈溶解、膠體狀態(tài)的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無(wú)害物質(zhì)。主要方法可分為2大類,即利用好氧微生物作用的好氧法和利用厭氧微生物作用的厭氧法。
縱觀以上處理方法可見(jiàn),污水處理的實(shí)質(zhì)是對(duì)水中污染物進(jìn)行分離和轉(zhuǎn)化,而轉(zhuǎn)化的最終產(chǎn)物大多需經(jīng)分離予以除去,所以,分離是污水處理過(guò)程非常重要的一環(huán),直接影響到處理的效果和成本,顯然,強(qiáng)化分離過(guò)程對(duì)污水處理技術(shù)水平的提高具有重要意義。借助外加磁粉加強(qiáng)絮凝效果,提高沉淀效率,無(wú)疑是強(qiáng)化分離過(guò)程的有效手段。因此,筆者對(duì)磁性絮團(tuán)的形成機(jī)理和形成規(guī)律進(jìn)行了初步探討,通過(guò)試驗(yàn),取得了磁混凝沉淀工藝的最佳參數(shù),從而為磁混凝沉淀技術(shù)在水處理中的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
1磁混凝沉淀技術(shù)簡(jiǎn)介
所謂磁混凝沉淀技術(shù)就是在普通的混凝沉淀工藝中同步加入磁粉,使之與污染物絮凝結(jié)合成一體,以加強(qiáng)混凝、絮凝的效果,使生成的絮體密度更大、更結(jié)實(shí),從而達(dá)到高速沉降的目的。磁粉可以通過(guò)磁鼓回收循環(huán)使用。
整個(gè)工藝的停留時(shí)間很短,因此對(duì)包括TP在內(nèi)的大部分污染物,出現(xiàn)反溶解過(guò)程的機(jī)率非常小,另外系統(tǒng)中投加的磁粉和絮凝劑對(duì)細(xì)菌、病毒、油及多種微小粒子都有很好的吸附作用,因此對(duì)該類污染物的去除效果比傳統(tǒng)工藝要好。同時(shí)由于其高速沉淀的性能,使其與傳統(tǒng)工藝相比,具有速度快、效率高、占地面積小、投資小等諸多優(yōu)點(diǎn)。
以前,磁混凝沉淀技術(shù)在水處理工程中實(shí)際應(yīng)用極少,原因是磁粉的回收問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好地解決。現(xiàn)在這一技術(shù)難題已被成功解決,磁粉回收率可達(dá)99%以上,這樣,磁混凝沉淀工藝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)就得到了充分體現(xiàn),在國(guó)內(nèi)外得到了越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。目前,美國(guó)有15000t/d的市政污水處理項(xiàng)目采用了磁混凝沉淀技術(shù)。我國(guó)在城市污水處理、中水回用、自來(lái)水處理、河道水處理、高磷廢水處理、造紙廢水處理、油田廢水處理等方面對(duì)該技術(shù)的中試已經(jīng)完成,均取得了較好的結(jié)果。該技術(shù)的應(yīng)用已在油田廢水東營(yíng)勝利油田的一期工程(5000t/d)中開(kāi)始實(shí)施,在污水處理廠,日處理量5萬(wàn)t的磁處理工廠已建成并投入使用。
2磁絮凝作用機(jī)理初探
根據(jù)混凝機(jī)理,加入混凝劑主要是通過(guò)改變膠體或懸浮顆粒的表面性質(zhì),使膠體或絮團(tuán)的吸引能大于排斥能而促進(jìn)凝聚,而加入絮凝劑的作用主要是通過(guò)架橋作用使顆粒聚集增大的。
陳文松在他的論文中對(duì)磁絮凝的作用機(jī)理進(jìn)行了闡述,他認(rèn)為,含磁絮團(tuán)的形成與不含磁絮團(tuán)的形成過(guò)程一樣,都是在混凝劑的作用下完成的。對(duì)磁粉的ζ電位的測(cè)試結(jié)果表明,磁粉表面呈負(fù)電性(ζ=-10.5mV)。由此可以推斷,含磁絮團(tuán)的形成經(jīng)歷如下:首先,混凝劑水解產(chǎn)生的正離子由于吸附電中和作用聚集于帶負(fù)電荷的膠體顆粒和磁粉顆粒周?chē)?;然后,由于靜電斥力的消失,膠體顆粒與磁粉顆粒之間以及它們自身之間通過(guò)范得華引力長(zhǎng)大;最后,通過(guò)絮凝劑的架橋作用,進(jìn)一步將凝聚體絮凝成大絮團(tuán)而沉淀。由此可見(jiàn),有磁粉參與的磁絮凝反應(yīng)與沒(méi)有磁粉參與的絮凝反應(yīng)沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別,磁粉與其他的細(xì)微懸浮顆粒一樣,混凝劑的作用機(jī)理對(duì)它同樣起作用,已有的混凝理論對(duì)磁絮凝反應(yīng)同樣具有指導(dǎo)意義,所有的強(qiáng)化混凝措施都將促進(jìn)磁絮凝反應(yīng)的進(jìn)行。
3磁粉的回收
傳統(tǒng)的磁粉回收裝置有格柵型、鼓型、帶型等,最常用的為轉(zhuǎn)鼓式。它的主要部分由固定的磁系和在磁系外面轉(zhuǎn)動(dòng)的非磁性圓筒構(gòu)成。磁系的磁極極性沿圓周方向交替排列,沿軸向極性單一,磁系包角106~135°[3],圓桶是用來(lái)運(yùn)載黏附在其表面上的磁性物質(zhì),其工作原理如圖1所示。
圖1轉(zhuǎn)鼓式磁粉回收裝置工作原理圖
含有磁粉和污泥的污水從轉(zhuǎn)鼓的一端進(jìn)入分離裝置,固定磁極將磁性顆粒吸出并附著在滾筒表面,隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng),被帶至磁系邊緣的低磁區(qū),并從磁性物質(zhì)出口卸下,非磁性物質(zhì)則在重力的作用下,沿分離槽流至非磁性物質(zhì)出口排出,完成磁性物質(zhì)和非磁性物質(zhì)的分離過(guò)程。
4磁混凝沉淀技術(shù)的工藝流程及工藝參數(shù)
2007年年底,10000t/d的磁混凝沉淀試驗(yàn)裝置在污水處理廠進(jìn)行了為期2個(gè)月的試驗(yàn),取得了良好的效果。第2年,運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)的5萬(wàn)t/d的市政污水處理項(xiàng)目在該廠建成并投入運(yùn)行。筆者將以該工程為例,介紹磁混凝沉淀技術(shù)的工藝流程及最佳工藝參數(shù)的確定。
4.1工藝流程
磁混凝沉淀工藝流程見(jiàn)圖2。
圖2磁混凝沉淀工藝流程圖
污水經(jīng)格柵初步分離后,進(jìn)入處理裝置的1級(jí)混合池,同時(shí)向1級(jí)混合池投加混凝劑PAC,二者充分混合后進(jìn)入2級(jí)混合池,在此與回收的磁粉和回流污泥混合絮凝,然后進(jìn)入3級(jí)混合池,與在此加入的助凝劑PAM進(jìn)行反應(yīng),生成較大的絮體顆粒,最后進(jìn)入沉淀池快速沉降,出水進(jìn)入下一道處理工序。
經(jīng)沉淀池沉淀下來(lái)的污泥,部分經(jīng)污泥回流泵回流到2級(jí)混合池繼續(xù)參與反應(yīng),另一部分則經(jīng)高剪切機(jī)進(jìn)行污泥剝離,并進(jìn)入磁鼓進(jìn)行磁粉回收,回收的磁粉再次進(jìn)入2級(jí)混合池繼續(xù)參與反應(yīng),剩余污泥則進(jìn)入后續(xù)污泥處理系統(tǒng)。加藥間調(diào)配好的PAC和PAM溶液由加藥泵輸送至各加藥點(diǎn)。PAC投加到1級(jí)混合池。PAM投加到3級(jí)混合池。
4.2最佳工藝參數(shù)的確定
在污水處理中,COD、總磷、濁度是幾項(xiàng)最常用的指標(biāo),下面我們通過(guò)對(duì)這幾項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定,分析磁混凝沉淀工藝的最佳運(yùn)行參數(shù)。試驗(yàn)中,源水為清河污水處理廠總進(jìn)水?,F(xiàn)將基本工藝條件及參數(shù)列于表1。
表1基本工藝條件及參數(shù)
4.2.1加料順序?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行的影響
保持其他工況不變分別試驗(yàn)以下3種加料順序?qū)Υ判跄磻?yīng)的影響。①先加PAC,再加入磁粉,然后加PAM;②同時(shí)加入磁粉和PAC,然后加PAM;③先加PAC,再加PAM,最后加磁粉。其中每種物料的投加間隔時(shí)間為2min。針對(duì)以上3種加料順序分別測(cè)試上清液的濁度,結(jié)果列于表2。
表2上清液測(cè)試結(jié)果
從以上數(shù)據(jù)中可以看出,前兩種加料順序的效果基本相同,第3種顯然不可取。究其原因,應(yīng)該是磁粉加入太晚,趕不上參加混凝反應(yīng),未能形成磁性絮團(tuán)。
4.2.2攪拌條件對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響
保持其他參數(shù)不變,分別調(diào)節(jié)3個(gè)混合池中攪拌機(jī)的運(yùn)行頻率,記錄下各種組合下葉輪的轉(zhuǎn)數(shù)和相應(yīng)的污水水質(zhì)指標(biāo),得出如下結(jié)論:在1級(jí)混合池和2級(jí)混合池需要快速攪拌,以增加混凝劑、磁粉與污物的碰撞機(jī)會(huì),但是,攪拌速度并非越快越好,當(dāng)攪拌速度達(dá)到500r/min時(shí),與250r/min的效果相差不大,因此,在1級(jí)和2級(jí)混合池宜采用250r/min的攪拌速度。在3級(jí)混合池,宜采用較慢的攪拌速度,以免將生成的礬花打碎。該工藝條件下推薦80r/min的攪拌速度。
4.2.3混凝劑投加量對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響
保持其他參數(shù)不變,將PAM投加質(zhì)量濃度恒定,調(diào)節(jié)PAC的投加量(以Al2O3計(jì)),分別測(cè)試各種加藥量下的COD、總磷及濁度指標(biāo),并計(jì)算出各項(xiàng)污染物的去除率,將試驗(yàn)結(jié)果繪于圖3中。
從圖3中可以看出,系統(tǒng)對(duì)COD的去除率保持在75%以上,當(dāng)加藥量在25~30mg/L之間時(shí),COD的去除率在85%左右,隨著PAC投加質(zhì)量濃度的提高,COD去除率沒(méi)有明顯提高。
圖3COD、總磷及濁度去除率隨PAC投加量的變化曲線
當(dāng)PAC投加量在30mg/L以內(nèi)時(shí),系統(tǒng)對(duì)總磷的去除率隨著投加量的增加有顯著提高,去除率可以達(dá)到97%,當(dāng)投藥量超過(guò)30mg/L后,總磷去除率仍可隨加藥量的增加而提高,但趨勢(shì)放緩,維持在98%~99%之間,最高達(dá)99.3%。
系統(tǒng)對(duì)濁度的去除率基本都可以維持在95%以上,當(dāng)投藥量在25mg/L以內(nèi)時(shí),隨著投藥量的增加,濁度的去除率有明顯提高,可以達(dá)到99%,當(dāng)投藥量繼續(xù)增大,濁度去除率提高不明顯。
綜上,在PAM投加質(zhì)量濃度恒定的條件下,當(dāng)PAC的投加質(zhì)量濃度(以Al2O3計(jì))在25~30mg/L之間時(shí),各項(xiàng)污染物指標(biāo)都有較好的降低,隨著PAC投加質(zhì)量濃度的繼續(xù)增大,各項(xiàng)污染物去除率均沒(méi)有明顯提高,因此,最佳的PAC投加質(zhì)量濃度為25~30mg/L,此時(shí),COD、總磷、濁度的去除率分別為85%、97%、99%左右。
5總結(jié)
通過(guò)以上分析可以知道,磁混凝沉淀技術(shù)用于市政污水處理是非常有效和經(jīng)濟(jì)的。從污染物的去除效果上來(lái)講,因?yàn)橛写判晕镔|(zhì)參與混凝反應(yīng),形成的絮團(tuán)更緊密、結(jié)實(shí),且能吸附更多的污染物,因此,它比普通混凝沉淀工藝具有更好的污染物去除效果,尤其是對(duì)水中的油脂類污染物、總磷等的去除更是有著讓人滿意的效果。
由于有磁粉參與的混凝反應(yīng)生成的絮團(tuán)比普通混凝反應(yīng)生成的絮團(tuán)在密度上要大很多,所以其沉降速度要快很多,這樣,就可以大大縮短沉降時(shí)間,使池容大大減小,以清河污水處理廠磁處理設(shè)備為例,5萬(wàn)t/d的處理量,全部設(shè)施占地只有1000m2左右。我們知道,同樣的處理能力,如果采用普通混凝沉淀工藝,光沉淀池占地就需2000m2以上,因此,采用磁混凝沉淀工藝可以大大節(jié)省占地面積,減少基建投資。
由于其較小的池容,因此可以采用鋼結(jié)構(gòu)或其他材料作為設(shè)備的主體結(jié)構(gòu),可以采用工廠預(yù)制,現(xiàn)場(chǎng)安裝的方式,可大大加快施工進(jìn)度。以清河污水處理廠磁處理設(shè)備為例,5萬(wàn)t/d的處理設(shè)備從開(kāi)始定貨到安裝、調(diào)試到投入運(yùn)行共歷時(shí)5個(gè)多月,如果采用普通工藝是不可能做到的
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