除硬度為目標(biāo)的工業(yè)水廠工藝流程及藥劑投加

郁振標(biāo),侯曉幫,呂 淼,鄔亦俊,陸 旭,任 軍,4,丁 煒,楊燕霞,4

(1.南通水務(wù)集團(tuán)有限公司,江蘇南通 226007;2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司,上海 200092;3.上海水業(yè)設(shè)計(jì)工程有限公司,上海 200092;4.南通市江海水務(wù)有限公司,江蘇南通 226007)

江蘇省南通市某紡織工業(yè)園區(qū)距離南通市區(qū)較遠(yuǎn),園區(qū)用水由南通市長(zhǎng)江水源水廠經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離輸送、轉(zhuǎn)供,到戶(hù)生活用水水價(jià)為3.05元/m3,工業(yè)用水為4.27元/m3,用水成本高。隨著工業(yè)園的建設(shè)發(fā)展,企業(yè)入駐增加,對(duì)生產(chǎn)用水提出了硬度等指標(biāo)較生活飲用水更為嚴(yán)格的要求。為降低企業(yè)用水費(fèi)用,節(jié)約優(yōu)質(zhì)自來(lái)水資源,決定在園區(qū)分質(zhì)供水,就近取水自建一套工業(yè)水系統(tǒng),出水水質(zhì)參考《印染工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50426—2016)要求,且硬度控制到150 mg/L(以CaCO3計(jì),下同)以下[1]。由于原水就近取自河網(wǎng)水系的排海段,距離入海控制閘僅2 km,河道流動(dòng)性差,又有海水滲透侵入,水質(zhì)較差,離子含量高且變化幅度大,硬度高達(dá)340 mg/L。原水硬度高且不穩(wěn)定,而水廠出水硬度需控制在較低水平,處理難度高,可借鑒案例少。工業(yè)水廠總規(guī)模為12萬(wàn)m3/d,一期規(guī)模為3萬(wàn)m3/d,采用機(jī)械混合折板絮凝平流沉淀池+V型濾池的處理工藝,采用石灰、Na2CO3及CO2等藥劑多點(diǎn)位組合投加的方法,使得出水硬度基本控制在120 mg/L左右,確保達(dá)到小于150 mg/L的目標(biāo)要求。項(xiàng)目單位處理成本為2.23元/m3,單位處理經(jīng)營(yíng)成本為1.47元/m3;其中硬度去除措施的單位處理經(jīng)營(yíng)成本為0.45元/m3,相比從南通市區(qū)轉(zhuǎn)供的長(zhǎng)江水源水工業(yè)用水單價(jià)(4.27元/m3),該項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、效益明顯,獲得用水企業(yè)認(rèn)可,后續(xù)還將繼續(xù)擴(kuò)建。

1 工業(yè)水廠處理工藝

1.1 設(shè)計(jì)水質(zhì)

通過(guò)調(diào)研并結(jié)合出水標(biāo)準(zhǔn),該工程設(shè)計(jì)進(jìn)水、出水水質(zhì)情況如表1所示。

表1 該工程設(shè)計(jì)進(jìn)水、出水水質(zhì)

1.2 除硬度工藝原理

一般來(lái)說(shuō),水的硬度是暫時(shí)硬度和永久硬度的總和。水的暫時(shí)硬度是由含有酸式碳酸鹽[如Ca(HCO3)2或Mg(HCO3)2]引起的。水的永久硬度則是由鈣和鎂的硫酸鹽或氯化物引起的。

水中硬度可以通過(guò)煮沸法、化學(xué)法、離子交換法、膜法等方法[2-3]去除。其中,煮沸法僅用于去除水的暫時(shí)硬度,難以去除永久硬度。若水的硬度是永久硬度,往往使用其他幾種處理方法。然而離子交換法、膜法所需設(shè)備復(fù)雜,投資及運(yùn)行成本較高[4],考慮到設(shè)備投資及運(yùn)行成本,在化學(xué)法、離子交換法、膜法中,該工程推薦采用化學(xué)法[5]。

研究[6]表明,石灰軟化法用于處理暫時(shí)硬度高、永久硬度低、堿度高的水。對(duì)硬度高、堿度低,即永久硬度高的水,可采用石灰-純堿軟化法,即加石灰的同時(shí)再投加適量的純堿(Na2CO3,又稱(chēng)蘇打),會(huì)發(fā)生如式(1)～式(7)的反應(yīng)。

CaSO4+ Na2CO3= CaCO3↓+ Na2SO4

(1)

CaCl2+ Na2CO3= CaCO3↓+ 2NaCl

(2)

MgSO4+Na2CO3=MgCO3↓+Na2SO4

(3)

MgCl2+ Na2CO3= MgCO3↓+2NaCl

(4)

MgCO3+Ca(OH)2=CaCO3↓+Mg(OH)2↓

(5)

Ca(HCO3)2+Ca(OH)2=2CaCO3↓+2H2O

(6)

Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2=Mg(OH)2↓ +

2CaCO3↓ +2H2O

(7)

從以上化學(xué)方程式可看出,水中的硬度可以先隨著投加的石灰及Na2CO3轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶于水的CaCO3、MgCO3、Mg(OH)2等沉淀物,后經(jīng)水廠處理工藝中的沉淀池及砂濾池的沉淀、過(guò)濾截留可得到有效去除[7]。

1.3 除硬度工藝及對(duì)策

針對(duì)硬度、渾濁度、色度等主要處理對(duì)象,工業(yè)水廠處理工藝及加藥情況如圖1所示。

圖1 處理工藝流程

工藝及藥劑投加的基本思路:石灰和Na2CO3投加在沉淀池之前,水中的硬度轉(zhuǎn)變成難溶于水的沉淀物,且大部分在沉淀池中沉淀去除,后經(jīng)砂濾池把關(guān)確保出水達(dá)標(biāo);之后通過(guò)投加CO2回調(diào)pH。該工藝可保證出水硬度達(dá)標(biāo),同時(shí)將出廠水其他指標(biāo)控制在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。設(shè)計(jì)中石灰、Na2CO3、CO2都設(shè)置了2～3個(gè)投加點(diǎn),以便于多點(diǎn)位投加、不同投加量組合,并通過(guò)試驗(yàn)調(diào)試確定最佳投藥組合。工藝主要特點(diǎn)及參數(shù)如下。

(1)工業(yè)水廠設(shè)置砂濾池的考慮。出水水質(zhì)中渾濁度僅要求3 NTU,平流沉淀池完全能夠達(dá)到該目標(biāo),但礬耗較高。考慮到原水主要去除硬度、渾濁度、色度、鐵等指標(biāo),有砂濾池把關(guān)效果會(huì)更好,控制管理難度會(huì)降低,投藥量也會(huì)減少。因此,在沉淀池之后增加了砂濾工藝。由于沉淀過(guò)濾共同作用,將沉淀時(shí)間減少到90 min,濾池濾速提高到9.58 m/h。

(2)多藥多點(diǎn)靈活應(yīng)對(duì)的考慮。采用的除硬度藥劑主要有石灰、Na2CO3和CO2,工程采用多藥劑、多投加點(diǎn)設(shè)置。石灰投加預(yù)留了管道混合器和混合池兩個(gè)投加點(diǎn);Na2CO3投加預(yù)留了混合池和沉淀池末端兩個(gè)投加點(diǎn);CO2投加預(yù)留了濾池前和濾池后兩個(gè)投加點(diǎn)。可靈活應(yīng)對(duì)各種情況,保證硬度達(dá)標(biāo)。

(3)自動(dòng)加藥,確保效果。除硬度加藥量和加藥點(diǎn)是關(guān)鍵,為保證精確計(jì)量精確投加,采用自動(dòng)加藥模式。設(shè)計(jì)石灰最大投加能力為250 mg/L,投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%;設(shè)計(jì)Na2CO3最大投加量為250 mg/L,投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。投加的石灰和Na2CO3均為堿性,出廠水pH偏高,投加CO2進(jìn)行pH調(diào)節(jié),控制出廠水pH。設(shè)計(jì)CO2最大投加量為80 mg/L。

1.4 小試數(shù)據(jù)

本工程使用的藥劑有石灰、Na2CO3、CO2、PAC(混凝劑)及次氯酸鈉(消毒劑)。為達(dá)到最好的處理及投加效果,通過(guò)小試確定最佳藥劑投加方案。

小試的檢測(cè)指標(biāo)采用《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》系列推薦方法,其中硬度采用乙二胺四乙酸二鈉滴定法,pH采用玻璃電極法,渾濁度采用散射法。

每種工況進(jìn)行4組試驗(yàn),最終出水硬度取3組結(jié)果平均值,取其標(biāo)準(zhǔn)差并繪制結(jié)果曲線(xiàn)。

1.4.1 最佳石灰投加量試驗(yàn)

在固定Na2CO3、PAC投加量的情況下,研究不同石灰加藥量下,水質(zhì)數(shù)據(jù)變化情況,得出最佳石灰加藥量,詳細(xì)情況如表2及圖2所示。

圖2 石灰投加量對(duì)出水硬度的影響

表2 石灰投加量對(duì)出水硬度的影響

從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn):石灰投加直接影響出水硬度,隨著石灰投加量的增加,出水硬度不斷降低。但出水pH會(huì)隨著石灰投加量增多而上升,導(dǎo)致后續(xù)為回調(diào)pH時(shí)CO2使用量變大,引起成本上升。因此,石灰投加量在出水硬度可控的情況下,不宜太高。石灰投加量超過(guò)200 mg/L后,增加石灰投加量對(duì)降低出水硬度的效果降低。建議根據(jù)進(jìn)水硬度情況,結(jié)合出水硬度要求,控制石灰投加量在不大于200 mg/L的較小范圍。考慮到去除曲線(xiàn)的斜率變化情況,建議后續(xù)試驗(yàn)中石灰投加量控制在180 mg/L。

1.4.2 最佳Na2CO3投加量試驗(yàn)

在固定石灰、PAC投加量的情況下,研究不同Na2CO3加藥量下,水質(zhì)數(shù)據(jù)變化情況,得出最佳Na2CO3加藥量,詳細(xì)情況如表3及圖3所示。

圖3 Na2CO3投加量對(duì)出水硬度的影響

表3 Na2CO3投加量對(duì)出水硬度的影響

從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn):隨著Na2CO3投加量的增加,出水硬度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì);Na2CO3投加量大于120 mg/L后,出水硬度開(kāi)始下降,后期出水硬度低于拐點(diǎn)前出水硬度。但隨著Na2CO3投加量增加,會(huì)引起出水pH增加,CO2使用量變大。建議Na2CO3投加量為(80±20)mg/L。

1.4.3 最佳PAC投加量試驗(yàn)

在固定石灰、Na2CO3投加量的情況下,研究不同PAC加藥量下,水質(zhì)數(shù)據(jù)變化情況,得出最佳PAC加藥量,詳細(xì)情況如表4及圖4所示。

圖4 PAC投加量對(duì)出水硬度的影響

表4 PAC投加量對(duì)出水硬度的影響

從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn):隨著混凝劑PAC濃度增加,出水硬度呈現(xiàn)下降趨勢(shì),該現(xiàn)象說(shuō)明混凝沉淀效果影響出水硬度。結(jié)合出水渾濁度及硬度分析,建議PAC投加量為(40±10)mg/L。

1.4.4 最佳投加組合方案試驗(yàn)

在固定石灰、Na2CO3、PAC這3種研究投加量的情況下,研究不同藥劑組合情況下,水質(zhì)數(shù)據(jù)變化情況,得出最佳組合投藥方案,詳細(xì)情況如表5所示。

表5 不同藥劑組合對(duì)出水硬度的影響

共試驗(yàn)了7種組合方案,結(jié)果表明:方案(7)中3種試劑均投加的情況下效果最好,出水硬度最低,達(dá)到47 mg/L;方案(1)石灰和Na2CO3均不投加時(shí),出水硬度最高,基本沒(méi)有去除能力;方案(2)、方案(3)及方案(6)的試驗(yàn)結(jié)果顯示,混凝劑是否投加及混凝效果優(yōu)劣對(duì)出水硬度影響較大。

1.4.5 最佳投加點(diǎn)位試驗(yàn)

對(duì)石灰、Na2CO3和CO2在不同投加點(diǎn)的效果進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)(A與B對(duì)比,A與C對(duì)比,A與D對(duì)比),詳細(xì)情況如表6及圖5所示。

圖5 不同投加點(diǎn)位對(duì)出水硬度的影響

表6 不同投加點(diǎn)位對(duì)出水硬度的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,從出水硬度的角度得出如下結(jié)論。

(1)石灰投加在管道混合器的效果優(yōu)于投加到混合池效果。主要原因是增加了反應(yīng)時(shí)間,同時(shí)石灰和Na2CO3分開(kāi)投加。

(2)Na2CO3投加在混合池的效果優(yōu)于投加到沉淀池末端。主要原因是增加了反應(yīng)時(shí)間,同時(shí)充分發(fā)揮了沉淀池的沉淀分離作用。

(3)CO2投加在濾池出水管相比投加到進(jìn)水管效果有較為明顯的提升。主要原因是:前期投加石灰和Na2CO3后,硬度形成的沉淀物隨絮凝沉淀在沉淀池大量去除,同時(shí)難沉淀部分會(huì)在濾池中去除。然而CO2投加在濾池前會(huì)降低水的pH,將已經(jīng)產(chǎn)生的CaCO3、MgCO3等沉淀物再次溶解在水中,降低濾池的除硬度效率,增加出水硬度。主要發(fā)生的反應(yīng)如式(8)～式(9)。

CO2+ CaCO3+ H2O=Ca(HCO3)2

(8)

CO2+ MgCO3+ H2O=Mg(HCO3)2

(9)

2 工程運(yùn)行效果及成本分析

2.1 運(yùn)行效果

本工程于2022年11月建成通水,經(jīng)過(guò)調(diào)試后可穩(wěn)定運(yùn)行,出水水質(zhì)達(dá)標(biāo),進(jìn)出水及藥劑投加情況具體如表7所示。

表7 穩(wěn)定運(yùn)行期進(jìn)、出水水質(zhì)及藥劑投加

自2023年以來(lái),進(jìn)水硬度為240～300 mg/L,出水硬度維持在100～138 mg/L,出水比較穩(wěn)定,同時(shí)其他指標(biāo)均能滿(mǎn)足《印染工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50426—2016)要求。

運(yùn)行前期,石灰及Na2CO3加藥量稍有保守,后期隨著運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的增加,石灰投加量穩(wěn)定在180 mg/L,Na2CO3投加量穩(wěn)定在80 mg/L,PAC投加量穩(wěn)定在40 mg/L,各種藥劑投加量與試驗(yàn)成果基本一致。

CO2投加在濾后出水總管,根據(jù)原水pH情況,投加量在28～51 mg/L。

2.2 成本分析

本工程總規(guī)模為12.0萬(wàn)m3/d,一期建設(shè)規(guī)模為3.0萬(wàn)m3/d。一期工程總投資為17 759.24萬(wàn)元,其中工程費(fèi)用為11 487.14萬(wàn)元;單位處理成本為2.23元/m3,單位處理經(jīng)營(yíng)成本為1.47元/m3。與硬度去除密切相關(guān)的藥劑中,石灰單價(jià)為990元/t,Na2CO3單價(jià)為2 750元/t,CO2單價(jià)按845元/t,CO2儲(chǔ)罐租賃費(fèi)按6.2萬(wàn)元/年,藥劑投加的單位成本為0.45元/m3。

3 小結(jié)

(1)根據(jù)試驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行情況,“多點(diǎn)前石灰投加+同步Na2CO3投加+后CO2投加”工藝對(duì)硬度的去除具有顯著的效果。為保證出水硬度達(dá)標(biāo),石灰、Na2CO3及PAC均需投加。石灰最佳投加點(diǎn)位是管道混合器;Na2CO3最佳投加點(diǎn)位是混合池;CO2最佳投加點(diǎn)位是濾池出水管。

(2)石灰投加直接影響出水硬度,但pH會(huì)隨著石灰投加量增多而上升,導(dǎo)致后續(xù)CO2使用量變大,引起成本上升。建議根據(jù)進(jìn)水硬度情況,結(jié)合出水硬度要求,控制石灰投加量在不大于200 mg/L的較小范圍。隨著Na2CO3投加量的增加,出水硬度先是升高;Na2CO3投加量大于120 mg/L后,硬度呈現(xiàn)下降趨勢(shì),后期出水硬度低于拐點(diǎn)前出水硬度。但隨著Na2CO3投加量增加,會(huì)引起出水pH增加,CO2使用量變大;建議Na2CO3投加量為(80±20)mg/L。隨著混凝劑PAC投加量增加,出水硬度呈現(xiàn)下降趨勢(shì),該現(xiàn)象說(shuō)明混凝沉淀效果影響出水硬度。結(jié)合出水渾濁度及硬度分析,建議PAC投加量為(40±10)mg/L。

(3)在進(jìn)水硬度為240～300 mg/L時(shí),投加石灰、Na2CO3和PAC的質(zhì)量濃度分別為180、80 mg/L和40 mg/L,可有效且經(jīng)濟(jì)地完成對(duì)硬度的去除。CO2的投加量為51 mg/L,可將出水的pH值控制在7.5～8.5。

(4)本工程一期規(guī)模為3.0萬(wàn)m3/d,項(xiàng)目單位處理成本為2.23元/m3,單位處理經(jīng)營(yíng)成本為1.47元/m3,藥劑投加的單位成本為0.45元/m3,經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益明顯。

(5)建議后續(xù)進(jìn)一步研究上述投藥對(duì)水廠污泥產(chǎn)量及性質(zhì)的影響,并深入對(duì)比各種除硬度方案的系統(tǒng)成本。