酸堿中和法處理二氧化氯殘液的生產(chǎn)性試驗(yàn)

黃孟斌，王長平，向 偉，楊 峰，李羽頎，范 丹

(深圳市深水寶安水務(wù)集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518001)

深圳市上南水廠作為一家使用高純ClO2為前投加預(yù)氧化劑的水廠，一直致力于探索對殘液綜合處理的生產(chǎn)性技術(shù)研發(fā)，通過酸堿中和法聯(lián)合水廠排泥水處理系統(tǒng)，建立廢酸殘液減量化、資源化的處理工藝。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

中和試驗(yàn)探究采用水廠ClO2發(fā)生器產(chǎn)生的殘液進(jìn)行，采用H2SO4、H2O2、NaClO3制備ClO2氣體，反應(yīng)方程如式(1)。

2NaClO3+H2O2+2H2SO4→2ClO2+2NaHSO4+O2+2H2O

(1)

反應(yīng)后殘液呈黃綠色，屬酸性危險廢水，其檢測指標(biāo)如表1所示。

表1 殘液檢測指標(biāo)一覽表Tab.1 List of Residual Liquid Detection Indicators

1.2 試驗(yàn)裝置

目前，ClO2反應(yīng)殘液產(chǎn)生量最高為0.35 m3/d，殘液桶儲存1 d殘液量。石灰溶液為料倉自動配藥，石灰泵流量為2.80 m3/h。反應(yīng)桶結(jié)構(gòu)參考重力污泥濃縮池原理設(shè)計(jì)，采取邊進(jìn)邊出方式，水力停留時間為4 min。

石灰溶液按照0.7%濃度配置，殘液為原液，兩種溶液按照一定比例泵入反應(yīng)桶內(nèi)，進(jìn)行酸堿中和反應(yīng)后溢流進(jìn)入500 L儲藥桶。緊接著泵入水廠污泥調(diào)節(jié)池，與水廠排泥水混合后，進(jìn)行污泥脫水和泥餅外運(yùn)處置。工藝流程如圖1所示。

圖1 殘液中和處理裝置圖Fig.1 Device of Residual Liquid Neutralization Treatment

1.3 試驗(yàn)方法

Ca(OH)2+H2SO4→CaSO4+2H2O

(2)

Ca(OH)2+2NaHSO4→Na2SO4+CaSO4+2H2O

(3)

水廠排泥水處理設(shè)施實(shí)際規(guī)模為900 m3/d，殘液中和后反應(yīng)液產(chǎn)生量為70 m3/d，占排泥水量的7.80%。經(jīng)過排泥水混合稀釋后，反應(yīng)液pH值上升至7.20左右，達(dá)到污泥調(diào)節(jié)池上清液回收或外排水質(zhì)條件，最終實(shí)現(xiàn)殘液的零排放、無害化處理。

2 結(jié)果與討論

殘液處理系統(tǒng)于2019年7月10日投入運(yùn)行，分析運(yùn)行前后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，探究最合理的石灰殘液比以及反應(yīng)液對水體的影響。

2.1 反應(yīng)比例選擇

設(shè)定石灰投加泵流量為2.80 m3/h，統(tǒng)計(jì)不同石灰濃度前提下的殘液流量和處理后溶液pH的變化關(guān)系(圖2)。

圖2 不同石灰濃度的殘液流量與pH的變化曲線Fig.2 Variation of Residual Liquid Flow and pH Value under Different Lime Concentrations

由圖2可知，隨著殘液流量的增加，反應(yīng)后溶液pH逐漸降低，且隨著石灰濃度的升高，pH也逐漸上升。石灰濃度為1.10%的變化趨勢與1.30%接近，且考慮管道以及泵體設(shè)施石灰雜質(zhì)或結(jié)垢堵塞問題的存在，選擇1.10%的石灰濃度進(jìn)行反應(yīng)。一級pH值控制在4.00左右時，殘夜流量選擇20 L/h，可以滿足水廠ClO2反應(yīng)殘夜的處理量。

殘液處置系統(tǒng)是在水廠現(xiàn)有的石灰投加系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立的，水廠石灰采用額定流量為2.5 m3/h(常規(guī)運(yùn)行為2.8 m3/h)的變頻泵投加。在考慮現(xiàn)有石灰量和石灰濃度前提下，控制一級反應(yīng)后溶液pH值為4.00，反應(yīng)后溶液進(jìn)入污泥調(diào)節(jié)池，利用其排泥水稀釋作用，二級反應(yīng)后溶液pH值控制為6.50～9.50，達(dá)到回收水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。一級反應(yīng)后溶液pH值為4.00的殘液流量處理量，滿足水廠的殘液產(chǎn)生量。若pH值<4.00，則處理量無法滿足水廠生產(chǎn)；pH值>4.00，則石灰流量增加，易造成石灰管道堵塞。

2.2 二級控制分析

對運(yùn)行后1個月的反應(yīng)桶溶液、排泥水原液以及混合后上清液pH值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析其數(shù)值變化規(guī)律(圖3)。

圖3 不同單元的pH變化曲線Fig.3 pH Values of Different Units

2.3 底泥含水率變化

對運(yùn)行前后的污泥調(diào)節(jié)池底泥含水率變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

圖4 改造前后的底泥含水率曲線圖Fig.4 Sediment Moisture Content Curve before and after Reconstruction

3 經(jīng)濟(jì)性分析

水廠殘液產(chǎn)生量穩(wěn)定在0.345 m3/d，則按照中和比例為0.36 kg/L。按照石灰單價為300元/t計(jì)算，中和成本為0.10元/L，中和裝置用電成本為0.04元/L，計(jì)算處理殘液的成本為0.14元/L。而改造前水廠殘液的外運(yùn)處理費(fèi)用涵蓋在H2SO4的購買費(fèi)用里(H2SO4單價由1 500元/t增加到3 550元/t)，換算出殘夜處理成本為2.05元/L，改造后殘液處理成本降低93.17%(表2)。

表2 改造前后處理成本對比列表Tab.2 Comparison of Treatment Costs before and after Reconstruction

比較生產(chǎn)運(yùn)行成本投入，酸堿中和方法處置殘液的方式具有較大優(yōu)勢，表3為酸堿中和法和目前研究較多的幾種方法成本對比概況[5]。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 產(chǎn)品效益

通過優(yōu)化設(shè)備選型及運(yùn)行條件選擇，將所有設(shè)備置于集裝箱式平臺上，集自控和工藝于一體，配合自來水廠自有的污泥處理設(shè)施，建立一套日處理量為400～600 L/d的技術(shù)成熟的可移動式ClO2反應(yīng)殘液處理系統(tǒng)。設(shè)備簡易，操作維護(hù)便利，該殘液處理系統(tǒng)可參考ClO2發(fā)生器配套的硫酸亞鐵還原裝置模式，作為ClO2發(fā)生系統(tǒng)的附屬產(chǎn)品推出。目前尚無經(jīng)濟(jì)有效的殘液處置設(shè)備，該系統(tǒng)具有極強(qiáng)的市場化應(yīng)用價值。

表3 不同殘液處理方法成本比較一覽Tab.3 Comparison of Costs for Different Residual Liquid Treatment Methods

4.2 設(shè)備智動化

本套設(shè)施應(yīng)用閉環(huán)自動控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動化反應(yīng)處理。將反應(yīng)后pH值設(shè)為3.00～5.00，計(jì)算給定值與實(shí)際反應(yīng)值的差值。根據(jù)差值調(diào)整殘液打料泵的頻率，進(jìn)行PID(閉環(huán)自動控制技術(shù))調(diào)節(jié)，各投加泵根據(jù)桶液位實(shí)現(xiàn)自動啟停，真正意義實(shí)現(xiàn)一鍵啟動。

圖5 設(shè)備PID控制工藝流程圖Fig.5 Process Flow Chart of Device PID Control

5 結(jié)語

(1)本文根據(jù)殘液分析檢測數(shù)據(jù)，探究酸堿中和法處理ClO2反應(yīng)殘液的最佳反應(yīng)條件，建立ClO2反應(yīng)殘液的處理工藝：殘液+石灰→中和反應(yīng)→污泥混合調(diào)節(jié)→污泥脫水外運(yùn)，最終實(shí)現(xiàn)殘液連續(xù)、穩(wěn)定、無害化處理。

(2)酸堿中和法聯(lián)合排泥水處理工藝處理殘液可產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益，處理成本為0.14元/L，改造后處理成本降低93.17%。

(3)反應(yīng)后液體全部進(jìn)入污泥調(diào)節(jié)池，底泥含水率降低0.90%，PAM藥劑成本下降0.44元/t，且最終以污泥外運(yùn)方式解決，無任何廢液產(chǎn)生，產(chǎn)生了較好的環(huán)境效益。