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聚丙烯酰胺在污水处理中的应用工艺和流程

  曾几何时,廉价而又丰富的水资源,现在则因有限而作为贵重资源加以重新评价。更为迫切的是,日益短缺的水资源正面临着空前严重的水污染,已成为影响人类生存环境和未来发展的主要课题。开展废水的重复利用(密闭系统),以及推进开发从废水中回收有用物质的技术等,正在成为节省资源、节省能量的水处理和水利用的时代强烈要求。

废水中的杂质可以分为溶解性物质和分散悬浮的不溶解性物质。溶解和不溶解的定义是难以划分的,但是,在供排水处理方面,一般把过滤后滤液中的物质称为溶解性物质,把残留在滤料上的物质称为悬浮物质,而加以区别。此外,把分散悬浮的物质,也按其大小或比重的不同分为胶体、悬浮物质(通常写作SS)和粗大悬浮物等。

废水处理,就是把废水系统中的有害杂质和混浊性物质分离出去,并作进一步的处理。其中有物理处理方法、化学处理方法和生物处理方法。

物理处理方法是不使用药剂,而只利用机械力和物理能的处理方法,可分为筛分、沉淀、浮选和过滤等工序。化学处理方法是在只用物理方法处理困难时,或者欲使沉淀、浮选、过滤等的单元操作进一步提高效率时,利用药剂的作用加速处理物质的分离或分解的方法。化学处理方法大致有以下分类:PH值调整、中和处理;凝聚处理;氧化还原处理;吸附处理;离子交换处理等。生物处理方法主要是为去除水中的有机物而使用的方法,是利用微生物的机能,分解BOD或COD成分而净化的方法,主要用于排水处理和污泥处理上,大致可分为好气性处理和厌气性处理。在实际工作中,上述三种方法往往综合应用,有物化法(物理、化学法结合)、生化法(生物、化学法结合)及三中方法的组合应用。下图表示有关污染物质的种类及处理方法,及适宜的药剂的一般组合。

至胜实业

在各种废水中,往往有各种污染物质混在一起,废水的性质取决于污染物质的的种类和含量,根据主要污染物质的种类有如下的分类。

有关各自的情况与配合,其处理方法表现如下:

(a)无机悬浮物的废水处理

    土建、钢铁和矿业等废水中,主要含有粘土类、细小的矿石等的无机悬浮物。对于这类废水处理,一般采用絮凝沉淀处理法。

(b)有机废水处理

    纸浆、食品、纤维、染料、石油化工,或机械、汽车工业等的废水,除悬浮物外,含有溶解性有机物或乳化油。这时的废水处理采用絮凝沉淀处理,或活性污泥处理和絮凝沉淀处理组合的办法。

(b)含有害物质的废水

    有害物质根据不同的种类和性质,分别适用于中和和氧化还原处理,或吸附和离子交换处理等等。对有害物质的处理,一般应考虑到对微生物的影响,首先去除有害物质,然后对其他污染物用絮凝处理和活性污泥处理等。

    絮凝处理是废水处理最关健的方法和手段,其关健中的关健是对絮凝剂种类和型号的选择。我厂以生产无机和有机高分子絮凝剂、造纸助剂和油田化学剂等三大系列产品为主,近年来,在天津大学、中国环境科学院有关专家、教授的指导下,引进日本栗田工业株式会社水处理药剂研究理论和成果,研制开发了YS、WS系列有机和无机高分子絮凝剂及其在废水处理中的应用技术,并经各类企业应用,废水处理达到了国家规定的排放标准。

    絮凝过程可以大致区分为由粒子表面的电荷中和而引起的不稳定倾向,及由于桥联作用使用不稳定的颗粒粗大化的絮凝倾向。但也有时把不稳定的颗粒称为一次絮凝物(或凝结絮凝物),把粗大化的絮凝物称为二次絮凝物。

一般在废水处理中所使用的絮凝剂分为:用作不稳定化的无机絮凝剂及用作絮凝化的高分子絮凝剂。而且,有时为了有良好的凝聚性、絮凝的沉降性和上浮性而同时使用助剂。这些絮凝剂的种类和作用如下表:

絮 凝 剂 的 种 类 及 其 作 用

 

  药 剂 名 称

  常 用 名 称

           作           用

  聚合氯化铝

  聚合硫酸铁

   聚合铝铁

   硫酸亚铁

     PAC

  无机絮凝剂

   Coagulant

    凝聚剂

     

    AI3+、Fe3+、Fe2+等多价阳离子中和悬浮颗粒的电荷,同时由于AI(OH)3等氢氧化物吸附颗粒,也产生部分絮凝作用

  

    消石灰

  

     ——

    主要用作中和剂,Ga2+具有中和电荷的作用(起无机絮凝剂的作用)

  

     海 水

 

     ——

    海水中的Mg2+、Ga2+起无机絮凝剂作用。常用于纸浆废水处理

 

 阴离子、非离子    型高分子絮凝剂

   絮凝剂

   聚合物

 Flocculant

 

    使无机絮凝剂容易絮凝的颗粒桥联,絮凝物变大

 

  阳离子型高分子絮凝剂

 

   脱水剂

 阳离子聚合物

 

    因中和悬浮颗粒的电荷和桥联,而具有絮凝物变大的作用,通常用于生物处理污泥脱水

低分子量的阳离子型高分子絮凝剂

聚阳离子

低分子量阳离子聚合物

    具有中和悬浮颗粒的电荷和阴离子性溶解物质的不溶化作用,但是絮凝作用小。用于代替特定脱水机用的脱水剂和无机絮凝剂

对由于聚合氯化铝等无机絮凝剂引起的电荷中和作用及溶解性物质的不溶化作用,以及由高分子絮凝剂产生的桥联作用来说我们用下列模型图表示其凝聚过程。

  单独使用阳离子系高分子絮凝剂,有时也使电荷中和和絮凝化同时进行,进行絮凝处理。该方法大多主要用于去除砂砾、纸浆和纤维碎片等较大悬浮物,以及适用于污泥浓缩、脱水等。此外,为了使木质素和染料等染色的溶解性有机物质不溶解,也有时使用低分子量的阳离子系高分子絮凝剂。另外,在矿石的浮选中,随时作为助剂用表面活性剂和各种黄原酸盐。

一、无机絮凝剂的性质和使用方法

    作为无机絮凝剂,一般使用二价以上的金属盐。一价的钠、钾盐的电荷的中和力弱,生不成不溶性氢氧化物,所以,一次絮疑化的作用也弱。但是,随着离子价增高,电荷中和力变强,生成不溶性氢氧化物,具有捕捉污物的性质(一次絮凝化),所以效果也变好。我们把这个价数和电荷中和而引起的污物凝聚力称为凝结价,其关系遵守舒尔茨——哈代法则(即原子价法则)。

    一般在废水处理中所用的无机絮凝剂的种类和特点如下表:

                     

                  无 机 絮 凝 剂W S 系 列 产 品 的 种 类 和 特 点

 

  种     类

 

  PH有效范围

            特                点

    优       点

    缺         点

硫酸铝

AI2(SO43

液体AI2O3(8%)

固体AI2O3(16%)

 

 PH使用范围

4--11

   PH 5--7

 

便宜

除浊性高,腐蚀性、刺激性少

 

絮凝物轻,在PH8以上效果低

聚合氯化铝

液体AI2O3  9-11%

固体AI2O3 28-32%

 

   PH 4-10

凝聚性比矾土好

中和剂(碱)少量即可

(或者不要)

 

比矾土价高,絮凝物轻

PH8以上效果低

  聚      铁

(聚合氯化铁)

(聚合硫酸铁)

   氯化亚铜

 

 

  PH 4-12

 

 絮凝物重(易沉降)

 即使碱性下也有效

 

需要大量中和剂(碱)      腐蚀性强

价格稍高

 

   硫酸亚铁

 

   PH 8-12

 

   便宜,絮凝物重

有效PH在碱性范围内、范围窄,除浊性稍差

   

   聚合铝铁

  

   PH 4-12

兼具聚合氯化铝、聚合硫酸铁的特点,适应范围广,絮凝速度快

 

  价格高,有腐蚀性

使用这些无机絮凝剂时,应注意如下事项。

    (a)PH调整

    上表所列的无机絮凝剂,有各自适用的PH范围,其适宜的PH值通常是生成不溶性氢氧化物的PH范围,例如:用铝矾土和PAC时,最佳PH=5—7.5,在此范围内,最容易生成一次絮凝物。

    (b)絮凝搅拌

为提高絮凝剂跟悬浮物的接触次数,充分进行电荷中和反应,需要加强搅拌的强度和时间。

(c)投加顺序

一般是在投加无机絮凝剂后,进行PH调整,使其充分反应后,再投加高分子絮凝剂。此外,也有时投加无机絮凝剂和PH调节剂,但是当电荷中和受到重视要胜过由氢氧化物引起的一次絮凝化,则最好在投加无机絮凝剂后,再添加PH调节剂。

二、高分子絮凝剂的种类和性质

    为了充分发挥高分子絮凝剂在水中的良好效果(桥联作用),它们应具有如下性质:

    (a)应是水溶性

    就水中悬浮颗粒的总体来说,为了均匀地作用,需要在水中均匀地分散、溶解。

    (b)应有吸附活性基

    通过吸附活性基,使悬浮颗粒或在一次絮凝物上附着,或使反应的颗粒进行聚集(絮凝化),活性基的种类有非离子型、阴离子型、阳离子型。

    (c)在水中应有广泛的分布

    为使尽可能多的颗粒集聚、生成粗大的絮凝物,需要高分子絮凝剂本身在水中具有广泛的分布。扩大分布的因素主要是加大分子量以及调节扩大分子作用的某种活性基的含量。

YS系列就是兼具这种性质的有机高分子,按照废水的不同性质和种类而分别加以使用,它不仅用于废水的絮凝处理,而且也广泛用于污泥的浓缩、脱水及用于回收生产过程中的原料等,YS系列高分子絮凝剂的一般性质和特点见下表:

                       ZSPAM系列高分了絮凝剂的一般性质


目前,国内污泥脱水剂(阳离子高分子聚合物)的生产还刚刚起步,品种规格较少,我厂引进法国的生产技术,主要原材料也从法国进口,现生产多个品种牌号的脱水剂。现简要介绍脱水剂的种类和使用方法。
注:VSS为污泥的挥发性悬浮固体,SS为污泥的总悬浮物含量,VSS/SS为SS中的有机物比例。

(1)脱水剂应具备的性质

污泥的主要成分,即微生物絮凝物带有负电荷,为使其凝聚,必须用阳离子型的脱水剂。而用离心脱水机和皮带压滤机,形成粗大的不易破碎的絮凝物,分子量在10万至1000万以上,甚至2000万以上的分子量,目前主要用甲基丙烯酸氨基酯和丙烯酸氨基酯类的高分子以及聚丙烯酰胺的曼尼希变性物。

其理由概括为以下二点。

①高分子量的产品容易得到(其中也有2000万以上的分子量)。

    ②前者是与丙烯酰胺的共聚物,后者通过调整阳离子变性条件,可得到不同阳离子度的产品。

测定脱水剂的阳离子度的方法,常用胶体滴定法。按阳离子度,分为高、中、低阳离子。

(2)污泥性质与脱水剂的关系

污泥性质项目中的VSS/SS的值,对脱水剂的种类、效果有很大影响。即VSS/SS大时:

①要求阳离子度高的脱水剂。

②应增加脱水剂投加量。

在排水混合产生污泥的场合,不考虑VSS/SS,而用聚丙烯酰胺的曼尼希变性物可以收效。

SS浓度高时,高分子量的脱水剂有效,而SS浓度低时,分子量较低的的脱水剂有效。纤维质/SS多的污泥,滤饼含水率低,但是,与使用的脱水剂无关。

当混入絮凝污泥(多含氢氧化铝)时适用的脱水剂向低阳离子度側移动,使用曼尼希系脱水剂有效。

污泥的PH与脱水剂的阳离子度、分子量无关。但是,应注意到,PH高时,官能团为叔胺或叔胺以下结构的脱水剂,其效果下降。而甲基丙烯酸氨基酯和丙烯酸氨基酯类脱水剂,通常其官能团为季铵型。

(3)脱水机种类与脱水剂的关系

    因为离心脱水机是在2000-3000G的高离心力下,进行固液分离,与皮带压力机相比,用高分子量的脱水剂,可能形成坚固的絮凝物。而对皮带压力机来说,分子量过高时,脱水剂的粘性残留在絮凝物上,从而使滤饼在滤布上的剥离性差。

若用阳离子观察,对于同样的VSS/SS皮带压力机要求阳离子度高。另外,对于脱水剂的投加量,离心脱水机用量多。

(4)脱水剂的有效使用方法

可列举如下各项:①应了解被处理污泥的质量和其变化,②应选定适于污泥性质和脱水机种类的脱水剂,③应注意脱水剂的注入点,反应条件,投加量,④应精心脱水剂的溶解、贮存。

(a )选择实验

以离心脱水机为例:

①CST(毛细管吸进时间)

在强搅拌下,测定絮凝了污泥的滤液沿着毛细管上升的速度。

②重力脱水性、沉降性实验

在强搅拌下,测定凝聚污泥的滤水性,絮凝物的沉降性。

    ③压榨实验

把由上述重力脱水得到的滤饼,进行压榨脱水,测定滤滤饼的水分。

对于皮带压力型脱水机而言,对凝聚污泥的重力脱水性,及其滤饼的压榨脱水,以及含水率和对滤布的剥离性进行测定。但有时也用加压过滤实验进行评价。

    (b)用于实际装置的注意事项

①离心脱水机

当污泥的浓度等性质发生变化时,离心脱水机可以比较稳定的进行处理。脱水剂投加量超过一定比例时,虽然SS的回收稳定(有时用高投加量,回收也变坏),但应考虑滤饼的含水率和处理费用(加药量)及稳定处理等问题,所以,最好是维持适当的投加量。此外,根据运行条件的变化,可以得到如下结果,但需设定相应目标的条件。

 

                       离心脱水机的运行条件和效果

   项          目

     操作条件和效果

     决定效果的因素

 

     水池的深度

增大深度     提高处理量回收率,增加含水率减少脱水剂投加率

增减固液分离时间(滞留时间)

螺旋和内筒的转数之差(滤饼输送速度)

增大速度      提高处理量,增加含水率

增减滤饼的排除速度

搅乱压密滤饼的大小

 

     脱水剂加药点

脱水机内      向投加率降低的方向

反向槽      向投加率增加的方向

反应速度快的脱水剂(污泥)投加机内有效,慢的脱水剂(污泥)投加反应槽有效

 

②皮带压力型脱水机

皮带压力机的特点是,脱水剂投加量少,滤饼含水率也低,因为最佳投加量范围窄,所以需要精心进行加药管理。此外,根据运行条件,脱水效果会发生变化,如下表:

 

                       皮带压力机脱水机的运行条件和效果

      项        目

    操作条件和效果

         管理内容

 

     滤布移动速度

增大速度      提高处理量,增加含水率

在目标处理量的范围内,使滤布速度变慢,谋求降低含水率

  滤布张力(压挤面压力)

提高张力      降低含水率,但是,由于剥离困难,往往得到相反的效果

在剥离没有恶化的范围内,提高张力

 

   脱水剂反应槽搅拌力

提高搅拌强度      絮凝物小(处理量降低)提高剥离性,降低含水率

 

根据处理量和剥离性的平衡

(a)脱水剂的溶解水水质和溶液的保存

作为溶解水水质严重影响脱水剂的一些水质项目有,M碱度(100ppm以上),磷酸根离子等。作为脱水剂,其倾向是阳离子越低,就越容易受影响。最近,在污水处理厂,有把处理水作为溶解水使用的情况,但是,这需考虑缩短溶液的贮存时间。

溶液的贮存时间,原则上希望控制在一天之内,但是,用低阳离子度时最长也要控制在二天之内,用高阳离子度时最长要控制在七天之内。

    ZS系列高分子絮凝剂,有粉未状(或者粒状)的和液体状的,这些絮凝剂所含成分的浓度不一样。一般来说,粉末状的在90%以上,液体状的5——10%左右,由于液体状的絮凝剂每种成分的运输费用高,应该考虑特殊的运输方式和贮存方法、输送距离等的生产、物料系统。而粉末状的絮凝剂可用一般的输送方法输送和贮存,不论用量多少都可以流通。因此,粉末状的絮凝剂在废水处理上占多数。

使用粉末状的ZS系列高分子絮凝剂时,通常用自动送粉器或者简易分散器等定量送粉,使其在一定量水中分散溶解搅拌之后,再注人废水,其一般流程如下图:

使用粉末状ZS系列高分子絮凝剂,一般应注意如下事项:

   (a)分散溶解时的注意点

 

在溶解粉末状高分子絮凝剂时,如只是简单地将其加入水中,就会形成块状(所谓“面团”),即使长时间搅拌也不溶解。不仅徒劳,而且往往引起加药泵的堵塞事故,因此,一般采用溶解水和粉末接触分散呈薄膜状态的分散器,在自动送粉器中,一般装有分散器,但是,在用手工分散时,使用如下图所示的简易分散器:

聚丙烯酰胺高分子絮凝剂,因品种和粒度不同,通常需要15—90分钟的溶解搅拌时间,一边长时间剧烈搅拌,一边用泵循环溶解,有时引起分子的断裂和变质,进而引起效果不良,下表是效果下降的实例。

                            循环泵引起效果下降的实例

 

   投 加 量(ppm)

  絮凝物直径(mm)

  沉降速度(m/h)

  

   第一溶解槽

    0.98

    1.30

      3-7

      4-7

      14.4

      18.0

  

   第二溶解槽

0.98

1.30

      3-7

      3-7

      12.0

      14.4

    

    泵 出 口

0.98

1.96

1-4

2-5

       <5

       8.5

 

现在,市面有一种粉末添加系统对粉末进行特殊加工,由于溶解需要的时间极短,分散后,不需溶解搅拌直接注入废水中,该系统不需要溶解搅拌槽。

    (c)有关溶解水的水质

    水溶性有机高分子,一般受溶解水水质的影响,使分子的扩散受到抑制,也使离子基的离解受到抑制,引起活性下降。在使用 ZS系列高分子絮凝剂时,也同样会因为溶解水的性质而受到不良影响,往往引起溶液粘度下降和效果不良。给予这样不良影响的物质主要是钙和铁盐等多价金属盐类和氧化剂等。其产生影响的浓度因高分子絮凝剂的品种和物性而异。

    因此,对于高分子絮凝剂在水中处于较大分散的状态,发挥有效的作用而言,最好使用纯水和软水,当以工业用水和处理水作为溶解水时,必须事先进行水质分析和测定溶液物性以及确认效果等等。

    (d)投加顺序和絮凝搅拌

    投加顺序基本是在投加无机絮凝剂和进行PH调整后,投加高分子絮凝剂。

    絮凝剂搅拌应首先使高分子絮凝剂在废水中分散,然后进行剧烈搅拌,以使颗粒和一次絮凝物吸附反应,搅拌时间宜短。其后,进行缓慢而微弱的搅拌,使絮凝物生长,变得粗大。假如剧烈搅拌和微弱搅拌交叉进行,絮凝物不仅不生长,反面被破坏了,因此,投加顺序和搅拌顺序也是使效果提高的重要因素。

   四、凝聚试验方法(现场实验)

   (a)烧瓶试验

烧瓶试验是为了得到判定最佳絮凝剂的品种和所需投加量,预测因处理水水质和凝聚而产生的污泥体积(淤泥体积)等,以及有关絮凝处理的一切资料数据,例如:在判断絮凝沉淀处理的效果时,通常收集下表的数据,此时,全面设计搅拌叶片的转数和搅拌时间等的操作程序和试验条件及最佳与生产装置的处理方式和目的等。

                           烧瓶实验用数据图表

序号

        药剂名和投加量

  絮凝物的状态

       处理水质

品名

加量

品名

加量

品名

加量

形成时间s

大小

沉降速度

淤泥容积

PH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                             

注:投加量以ppm为单位,沉降速度m/h,淤泥容积%V,形成时间s。

(b)柱式浮选试验

    柱式浮选试验主要用于判断絮凝浮选的效果,通常收集如下表所示的数据,此外,操作程序与上述烧瓶试验一样,同时结合生产装置的处理方式和目的进行设计。

柱式浮选试验用数据图表

                         柱式浮选实验用数据图表

 

序号

      

       药剂名和投加量

 加压水

 实  验

 

   絮凝物的状态

 

     处 理 水 质

品名

加量

品名

加量

品名

加量

水别

比率

上浮  速度

容积比

稳定性

 

PH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

注:投加量ppm,上浮速度m/h,容积比%V。

    (c)当以絮凝物的沉降致密性和过滤性等的特定数据来判定其效果时,可根据不同的目的,使用沉降管和过滤器等的试验用具。