除硬度为目标的工业水厂工艺流程及药剂投加

郁振标,侯晓帮,吕 淼,邬亦俊,陆 旭,任 军,4,丁 炜,杨燕霞,4

(1.南通水务集团有限公司,江苏南通 226007;2.上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司,上海 200092;3.上海水业设计工程有限公司,上海 200092;4.南通市江海水务有限公司,江苏南通 226007)

江苏省南通市某纺织工业园区距离南通市区较远,园区用水由南通市长江水源水厂经过长距离输送、转供,到户生活用水水价为3.05元/m3,工业用水为4.27元/m3,用水成本高。随着工业园的建设发展,企业入驻增加,对生产用水提出了硬度等指标较生活饮用水更为严格的要求。为降低企业用水费用,节约优质自来水资源,决定在园区分质供水,就近取水自建一套工业水系统,出水水质参考《印染工厂设计规范》(GB 50426—2016)要求,且硬度控制到150 mg/L(以CaCO3计,下同)以下[1]。由于原水就近取自河网水系的排海段,距离入海控制闸仅2 km,河道流动性差,又有海水渗透侵入,水质较差,离子含量高且变化幅度大,硬度高达340 mg/L。原水硬度高且不稳定,而水厂出水硬度需控制在较低水平,处理难度高,可借鉴案例少。工业水厂总规模为12万m3/d,一期规模为3万m3/d,采用机械混合折板絮凝平流沉淀池+V型滤池的处理工艺,采用石灰、Na2CO3及CO2等药剂多点位组合投加的方法,使得出水硬度基本控制在120 mg/L左右,确保达到小于150 mg/L的目标要求。项目单位处理成本为2.23元/m3,单位处理经营成本为1.47元/m3;其中硬度去除措施的单位处理经营成本为0.45元/m3,相比从南通市区转供的长江水源水工业用水单价(4.27元/m3),该项目经济性强、效益明显,获得用水企业认可,后续还将继续扩建。

1 工业水厂处理工艺

1.1 设计水质

通过调研并结合出水标准,该工程设计进水、出水水质情况如表1所示。

表1 该工程设计进水、出水水质

1.2 除硬度工艺原理

一般来说,水的硬度是暂时硬度和永久硬度的总和。水的暂时硬度是由含有酸式碳酸盐[如Ca(HCO3)2或Mg(HCO3)2]引起的。水的永久硬度则是由钙和镁的硫酸盐或氯化物引起的。

水中硬度可以通过煮沸法、化学法、离子交换法、膜法等方法[2-3]去除。其中,煮沸法仅用于去除水的暂时硬度,难以去除永久硬度。若水的硬度是永久硬度,往往使用其他几种处理方法。然而离子交换法、膜法所需设备复杂,投资及运行成本较高[4],考虑到设备投资及运行成本,在化学法、离子交换法、膜法中,该工程推荐采用化学法[5]。

研究[6]表明,石灰软化法用于处理暂时硬度高、永久硬度低、碱度高的水。对硬度高、碱度低,即永久硬度高的水,可采用石灰-纯碱软化法,即加石灰的同时再投加适量的纯碱(Na2CO3,又称苏打),会发生如式(1)～式(7)的反应。

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)

从以上化学方程式可看出,水中的硬度可以先随着投加的石灰及Na2CO3转变为难溶于水的CaCO3、MgCO3、Mg(OH)2等沉淀物,后经水厂处理工艺中的沉淀池及砂滤池的沉淀、过滤截留可得到有效去除[7]。

1.3 除硬度工艺及对策

针对硬度、浑浊度、色度等主要处理对象,工业水厂处理工艺及加药情况如图1所示。

图1 处理工艺流程

工艺及药剂投加的基本思路:石灰和Na2CO3投加在沉淀池之前,水中的硬度转变成难溶于水的沉淀物,且大部分在沉淀池中沉淀去除,后经砂滤池把关确保出水达标;之后通过投加CO2回调pH。该工艺可保证出水硬度达标,同时将出厂水其他指标控制在标准内。设计中石灰、Na2CO3、CO2都设置了2～3个投加点,以便于多点位投加、不同投加量组合,并通过试验调试确定最佳投药组合。工艺主要特点及参数如下。

(1)工业水厂设置砂滤池的考虑。出水水质中浑浊度仅要求3 NTU,平流沉淀池完全能够达到该目标,但矾耗较高。考虑到原水主要去除硬度、浑浊度、色度、铁等指标,有砂滤池把关效果会更好,控制管理难度会降低,投药量也会减少。因此,在沉淀池之后增加了砂滤工艺。由于沉淀过滤共同作用,将沉淀时间减少到90 min,滤池滤速提高到9.58 m/h。

(2)多药多点灵活应对的考虑。采用的除硬度药剂主要有石灰、Na2CO3和CO2,工程采用多药剂、多投加点设置。石灰投加预留了管道混合器和混合池两个投加点;Na2CO3投加预留了混合池和沉淀池末端两个投加点;CO2投加预留了滤池前和滤池后两个投加点。可灵活应对各种情况,保证硬度达标。

(3)自动加药,确保效果。除硬度加药量和加药点是关键,为保证精确计量精确投加,采用自动加药模式。设计石灰最大投加能力为250 mg/L,投加质量分数为7.0%;设计Na2CO3最大投加量为250 mg/L,投加质量分数为15%。投加的石灰和Na2CO3均为碱性,出厂水pH偏高,投加CO2进行pH调节,控制出厂水pH。设计CO2最大投加量为80 mg/L。

1.4 小试数据

本工程使用的药剂有石灰、Na2CO3、CO2、PAC(混凝剂)及次氯酸钠(消毒剂)。为达到最好的处理及投加效果,通过小试确定最佳药剂投加方案。

小试的检测指标采用《生活饮用水标准检验方法》系列推荐方法,其中硬度采用乙二胺四乙酸二钠滴定法,pH采用玻璃电极法,浑浊度采用散射法。

每种工况进行4组试验,最终出水硬度取3组结果平均值,取其标准差并绘制结果曲线。

1.4.1 最佳石灰投加量试验

在固定Na2CO3、PAC投加量的情况下,研究不同石灰加药量下,水质数据变化情况,得出最佳石灰加药量,详细情况如表2及图2所示。

图2 石灰投加量对出水硬度的影响

表2 石灰投加量对出水硬度的影响

从试验结果可见:石灰投加直接影响出水硬度,随着石灰投加量的增加,出水硬度不断降低。但出水pH会随着石灰投加量增多而上升,导致后续为回调pH时CO2使用量变大,引起成本上升。因此,石灰投加量在出水硬度可控的情况下,不宜太高。石灰投加量超过200 mg/L后,增加石灰投加量对降低出水硬度的效果降低。建议根据进水硬度情况,结合出水硬度要求,控制石灰投加量在不大于200 mg/L的较小范围。考虑到去除曲线的斜率变化情况,建议后续试验中石灰投加量控制在180 mg/L。

1.4.2 最佳Na2CO3投加量试验

在固定石灰、PAC投加量的情况下,研究不同Na2CO3加药量下,水质数据变化情况,得出最佳Na2CO3加药量,详细情况如表3及图3所示。

图3 Na2CO3投加量对出水硬度的影响

表3 Na2CO3投加量对出水硬度的影响

从试验结果可见:随着Na2CO3投加量的增加,出水硬度呈现先升高后降低的趋势;Na2CO3投加量大于120 mg/L后,出水硬度开始下降,后期出水硬度低于拐点前出水硬度。但随着Na2CO3投加量增加,会引起出水pH增加,CO2使用量变大。建议Na2CO3投加量为(80±20)mg/L。

1.4.3 最佳PAC投加量试验

在固定石灰、Na2CO3投加量的情况下,研究不同PAC加药量下,水质数据变化情况,得出最佳PAC加药量,详细情况如表4及图4所示。

图4 PAC投加量对出水硬度的影响

表4 PAC投加量对出水硬度的影响

从试验结果可见:随着混凝剂PAC浓度增加,出水硬度呈现下降趋势,该现象说明混凝沉淀效果影响出水硬度。结合出水浑浊度及硬度分析,建议PAC投加量为(40±10)mg/L。

1.4.4 最佳投加组合方案试验

在固定石灰、Na2CO3、PAC这3种研究投加量的情况下,研究不同药剂组合情况下,水质数据变化情况,得出最佳组合投药方案,详细情况如表5所示。

表5 不同药剂组合对出水硬度的影响

共试验了7种组合方案,结果表明:方案(7)中3种试剂均投加的情况下效果最好,出水硬度最低,达到47 mg/L;方案(1)石灰和Na2CO3均不投加时,出水硬度最高,基本没有去除能力;方案(2)、方案(3)及方案(6)的试验结果显示,混凝剂是否投加及混凝效果优劣对出水硬度影响较大。

1.4.5 最佳投加点位试验

对石灰、Na2CO3和CO2在不同投加点的效果进行了对比试验(A与B对比,A与C对比,A与D对比),详细情况如表6及图5所示。

图5 不同投加点位对出水硬度的影响

表6 不同投加点位对出水硬度的影响

根据试验结果,从出水硬度的角度得出如下结论。

(1)石灰投加在管道混合器的效果优于投加到混合池效果。主要原因是增加了反应时间,同时石灰和Na2CO3分开投加。

(2)Na2CO3投加在混合池的效果优于投加到沉淀池末端。主要原因是增加了反应时间,同时充分发挥了沉淀池的沉淀分离作用。

(3)CO2投加在滤池出水管相比投加到进水管效果有较为明显的提升。主要原因是:前期投加石灰和Na2CO3后,硬度形成的沉淀物随絮凝沉淀在沉淀池大量去除,同时难沉淀部分会在滤池中去除。然而CO2投加在滤池前会降低水的pH,将已经产生的CaCO3、MgCO3等沉淀物再次溶解在水中,降低滤池的除硬度效率,增加出水硬度。主要发生的反应如式(8)～式(9)。

CO2+ CaCO3+ H2O=Ca(HCO3)2

(8)

CO2+ MgCO3+ H2O=Mg(HCO3)2

(9)

2 工程运行效果及成本分析

2.1 运行效果

本工程于2022年11月建成通水,经过调试后可稳定运行,出水水质达标,进出水及药剂投加情况具体如表7所示。

表7 稳定运行期进、出水水质及药剂投加

自2023年以来,进水硬度为240～300 mg/L,出水硬度维持在100～138 mg/L,出水比较稳定,同时其他指标均能满足《印染工厂设计规范》(GB 50426—2016)要求。

运行前期,石灰及Na2CO3加药量稍有保守,后期随着运行经验的增加,石灰投加量稳定在180 mg/L,Na2CO3投加量稳定在80 mg/L,PAC投加量稳定在40 mg/L,各种药剂投加量与试验成果基本一致。

CO2投加在滤后出水总管,根据原水pH情况,投加量在28～51 mg/L。

2.2 成本分析

本工程总规模为12.0万m3/d,一期建设规模为3.0万m3/d。一期工程总投资为17 759.24万元,其中工程费用为11 487.14万元;单位处理成本为2.23元/m3,单位处理经营成本为1.47元/m3。与硬度去除密切相关的药剂中,石灰单价为990元/t,Na2CO3单价为2 750元/t,CO2单价按845元/t,CO2储罐租赁费按6.2万元/年,药剂投加的单位成本为0.45元/m3。

3 小结

(1)根据试验及实际运行情况,“多点前石灰投加+同步Na2CO3投加+后CO2投加”工艺对硬度的去除具有显著的效果。为保证出水硬度达标,石灰、Na2CO3及PAC均需投加。石灰最佳投加点位是管道混合器;Na2CO3最佳投加点位是混合池;CO2最佳投加点位是滤池出水管。

(2)石灰投加直接影响出水硬度,但pH会随着石灰投加量增多而上升,导致后续CO2使用量变大,引起成本上升。建议根据进水硬度情况,结合出水硬度要求,控制石灰投加量在不大于200 mg/L的较小范围。随着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,硬度呈现下降趋势,后期出水硬度低于拐点前出水硬度。但随着Na2CO3投加量增加,会引起出水pH增加,CO2使用量变大;建议Na2CO3投加量为(80±20)mg/L。随着混凝剂PAC投加量增加,出水硬度呈现下降趋势,该现象说明混凝沉淀效果影响出水硬度。结合出水浑浊度及硬度分析,建议PAC投加量为(40±10)mg/L。

(3)在进水硬度为240～300 mg/L时,投加石灰、Na2CO3和PAC的质量浓度分别为180、80 mg/L和40 mg/L,可有效且经济地完成对硬度的去除。CO2的投加量为51 mg/L,可将出水的pH值控制在7.5～8.5。

(4)本工程一期规模为3.0万m3/d,项目单位处理成本为2.23元/m3,单位处理经营成本为1.47元/m3,药剂投加的单位成本为0.45元/m3,经济社会效益明显。

(5)建议后续进一步研究上述投药对水厂污泥产量及性质的影响,并深入对比各种除硬度方案的系统成本。