無機高分子絮凝劑的微絮凝－深床直接過濾淨水處理工藝的製作方法

2023-06-27 08:49:56

專利名稱：無機高分子絮凝劑的微絮凝－深床直接過濾淨水處理工藝的製作方法
技術領域：
本發明專利涉及一種適合於無機高分子絮凝劑高效絮凝反應特點的微絮凝一深床直接過濾工藝，該工藝適用於城鎮飲用水、工業給水或廢水回用深度處理領域，特別適用於以湖泊、水庫的低溫、地濁，富藻高色水質作為飲用源水的中小城鎮淨水處理。
隨著當前社會經濟的高速發展，人民生活水平與質量的提高，人民對飲用水質量問題倍加關注，各國飲用水水質標準也趨於更嚴格，更規範。因此，安全、衛生的飲用水淨化處理已成為當今國內外水處理領域研究的重點及熱門課題。
然而，由於當前工農業廢水的大量排放，已導致河流水質汙染問題日趨嚴重，飲用水源水質微汙染狀況日趨嚴重，尤其城鎮中、小河流已成為當地工業廢水及生活汙水的納汙地。因此，水庫、湖泊水質已成為當今世界範圍內重要飲用水源地。然而，水庫、湖泊的低溫低濁、低色、富藻水質的淨化處理又成為當前給水處理的重點及難點之一。
傳統給水淨化處理工藝在處理這類水質時的主要問題在於，由於水中顆粒數目少、碰撞效率低而導致去除效果差。因此，需要在混凝處理工況，通過投加粘土顆粒或增加混凝劑劑量來增強顆粒碰撞機率，這不僅顯著增加了藥劑費用，同時也導致汙泥量增加，繼而增加了後續工藝負荷。同時，傳統過濾工況的濾床較淺、濾料粒徑小，從而導致了截汙量小、運行周期短、產水率低等諸多問題。使用雙層濾料或多層濾料可以提高截汙量和濾速，但存在反衝洗困難，容易混層等缺點。此外，由於傳統凝聚劑反應速度慢且對源水化學條件較敏感，絮凝淨化效能低，這一切不僅造成現有水廠處理過程不暢，絮體上浮，濾池堵塞，處理費用顯著增加，而且還導致水質超標，產水率下降等一系列問題。
早在70年代，美國Wisner等人研究證明，直接過濾對此類水質淨化處理效果較好，而且可省去了傳統工藝中的絮凝反應與沉澱澄清步驟，明顯節省基建投資；且在合適水力條件下，可顯著節省藥劑投加量，延長過濾周期，減少汙泥負荷，因而可顯著節省操作運行費用。目前直接過濾工藝在美國、法國、澳大利亞等發達國家已得到較多的應用，儘管目前國內外都在研究開發直接過濾工藝技術，也有許多文獻報導，但國外直接過濾工藝均採用傳統硫酸鋁或氯化鐵作為凝聚劑，同時還需輔助陽離子型高分子絮凝劑，並以非離子型高分子絮凝劑作為過濾助劑。工藝過程較為複雜，投藥品種多而控制難，且存在有機高分子潛在毒性問題，因此不適合我國給水淨化處理。國內曾報導直接過濾工藝，濾床填充濾料深度一般僅現於1.2-2.0m，所用濾料粒徑均在1.2-1.8mm，濾速也僅為10-12m，因此其處理效果不甚顯著。
本發明目的在於提供一種適合於無機高分子絮凝劑高效絮凝反應特點的微絮凝—深床直接過濾淨水工藝，它適用於低溫、低濁、低色，富藻及有機物微汙染的水庫或湖泊水質，以及工業給水深度處理，含油廢水、城市汙水回用深度處理。該工藝也可用於現有傳統過濾工藝的技術改造。該工藝具有處理水質好，運行周期長，產水率大，運行穩定，並且可顯著節省基建費和降低藥劑運行費，適用自動控制等優點。
本發明工藝流程是被處理水與無機高分子絮凝劑通過在線管式混合器或機械攪拌槽短暫混合反應後(1-3分鐘)，直接進入深床濾池進行淨化處理。本發明主要特點在於1.它依據無機高分子絮凝劑(聚合氯化鋁，聚合氯化鐵，聚合矽鋁)中的多羥基聚合絡離子與水中膠體顆粒的強烈吸附/電中和凝聚脫穩，投加水中後即可迅速發生吸附凝聚脫穩而快速形成微絮體顆粒的特點，依據源水水質條件而通過計量泵與流動電流嚴格控制無機高分子絮凝劑的投加劑量，保證原水中雜質顆粒與絮凝劑發生強烈的電中和/吸附凝聚脫穩最佳投加劑量。
2.採用管式在線混合器，管式混合的水力條件控制為1-3分鐘，保證投藥後的原水進入濾池前只產生微絮凝礬花(粒徑範圍在50-100μm弱正電性的微絮體顆粒)，礬花增長和沉降過程在濾層中完成。因此濾池的截汙分布均勻，有效深度大，同時省去傳統工藝中的混合池和反應池，節省基建投資。
3.根據吸附在水中膠體顆粒表面上的無機高分子絮凝劑具有強烈的粘附架橋的絮凝特點以及由於水動力紊流運動在超大濾料間形成的微渦旋作用，採用均質超大濾料。濾料平均粒徑在2.0-4.0mm，不均勻係數為1.2～1.5。濾床深度在3-5米，濾料填充高度為1.5-3米。保證增加微礬花絮體顆粒間的碰撞機率以及粘附架橋能力而被有效攔截在濾料間隙中，從而保證料在出水水質優良條件下，濾池截汙能力明顯提高，運行周期和產水率顯著增加，而絮凝劑投加量則顯著減少。
本發明工藝技術試驗流程系統如附

圖1所示，裝置具體尺寸參數如下濾柱高500cm，內徑20cm，承託層20cm。無煙煤粒徑範圍為2.0-2.5mm和3.5-4.0mm，不均勻係數1.05-1.1。濾層填充高度為1米-2.5米。進水直接與水廠配水管路相連，承託層鋪墊顆粒粒徑16-32mm、8～16mm、4-8mm的卵石。設計處理量為1噸/小時，濾速為30米。
流程源水由源水儲槽經泵進入管式混合器，在管式混合器前由高精度電子蠕動計量泵控制加注絮凝劑劑量，經原水與絮凝劑經管式混合器混合1分鐘後直接進入濾柱進行截汙處理。出水濁度採在線濁度監測儀進行在線檢測並記錄。濾速控制在16～31m/h，水頭損失穿透標準設定為220cm，水質穿透標準設定為濁度＜0.3NTU，色度＜0.5APHA，與國外水質標準一致。
下面通過實用實施例具體來說明本發明工藝淨水處理之優點應用實施例1原水濁度8.2～9.7NTU，色度為0～7.5APHA(鉑鈷比色法色度單位)，水溫0～10℃，pH為6.8～7.1。採用無煙煤濾料，濾料粒徑2.0～2.2mm，不均勻係數1.2，填料深度為2米。管式混合，停留時間2分鐘，GT值為1200。初始濾速為20m/hr。最終濾速為18m/hr。絮凝劑採用聚合氯化鋁(鹼化度50～60％)和硫酸鋁，投加量為0.75～1.0mg/L(以Al2O3計，下同)。淨水處理對比效果見表1。應用實施例2原水濁度分別為7.5～8.5NTU，色度為30～50APHA(鉑鈷比色法色度單位)，水溫為10～15℃，pH為7.2～7.5。採用石英砂濾料，粒徑1.7～1.9mm，不均勻係數1.18，填充濾料深度為2米。管式加機械攪拌混合，停留時間2分鐘，GT值為1400。初始濾速為2m/hr。最終濾速為18m/hr。絮凝劑為聚合氯化鐵(鹼化度15～24％)和三氯化鐵，在相同投加量為3～6mg/L(以Al2O3計，下同)條件下。淨水處理效果對比見表2。
表1、聚合鋁絮凝劑與三氯化鋁/硫酸鋁凝聚劑在微絮凝—深床直接過濾工藝中淨水效果的對比
表2、聚合氯化鐵絮凝劑與三氯化鐵凝聚劑在微絮凝—深床直接過濾工藝中淨水效果的對比
表1和表2的應用實例結果可見，在不同水質，相同或低於傳統凝聚劑投加劑量條件下，無機高分子絮凝劑無論在運行周期，出水水質以及產水率方面均明顯高於傳統凝聚劑，表明本發明所述微絮凝—深床直接淨水處理工藝完全適合於無機高分子絮凝劑的高效絮凝反應特點，具有顯著的除濁除色淨水效能。應用實施例3為了更清楚地說明本發明工藝的實際淨水處理之優點，本發明工藝系統在北京水源九廠導示試驗廠進行長期(10個月)低濁水(1.8-3.0NTU)實際淨水處理運行試驗，並同時與該廠目前運行工藝系統進行了對比。。根據該水廠的常年水質濁度平均低於5NTU的情況，水廠實際運行試驗進一步調整，採用超大無煙煤濾料，粒徑3.5～4.0mm，當直徑de＝3.8mm，不均勻係數1.05。濾層厚度為2～2.5m.。混合採用管式混合與機械攪拌混合，GT值1200～1500。典型運行試驗對比結果分別見表3和表4。
表3、北京水廠實際運行淨水處理結果
表4、微絮凝—深床直接過濾工藝與水廠現有處理工藝的實際運行結果對比<
從表4對比結果可見，本發明淨水工藝具有如下幾方面優點1)在工藝流程方面，本發明工藝流程省略了絮凝反應及沉澱過程，因此僅在工藝流程方面可直接節省工藝投資費近1/3。2)在產水率方面，現有水廠過濾池採用淺床結構，濾速為7-8m/hr，48小時進行反衝洗，而按目前本發明的微絮凝—深床直接過濾工藝濾速控制16m/hr，穩定運行高達80-96小時，濾速比現有傳統工藝提高1倍，過濾周期也提高1倍，由此日產水率提高近4倍。僅此，水廠每年所得社會與經濟效益是十分可觀的。3)在藥劑方面目前使用B值60％的液體聚合鋁絮凝劑，在床深為2.5m，濾速16m/h時，投藥量僅為2mg/L(商業重量)，只是現有水廠處理工藝投藥量的1/3-1/2，穩定運行達到80-96小時。按目前日處理水量100萬噸的水廠計算藥耗量計算，現每天用藥量為4噸，按每噸液體PAC市售1600元計算，每天僅藥劑費就可節省3200元，每年則可達116.8萬元。4)出水水質方面試驗水質控制標準為0.3NTU，明顯地提高水廠出水水質(現有水廠出水水質標準為＜1NTU)，使出水水質達到發達國家水廠處理標準。這對提高我國水廠安全飲用水質量，保障人民身體健康無疑具有重要的社會意義和顯著的經濟效益。
權利要求
1.本發明涉及一種適合於無機高分子絮凝劑(聚合鋁、聚合鐵、聚鋁矽)高效絮凝反應特點的微絮凝—深床直接過濾處理工藝，該工藝適用於低溫、低濁、低色及富藻的城鎮飲用水、工業給水處理以及汙水回用深度處理，特別適用於水質濁度單位不大於20NTU，色度單位不大於20 APHA(鉑-鈷比色法單位)的水庫、湖泊水的中小城鎮淨水處理。
2.根據權利1的要求，該工藝不僅適用於新建的微絮凝—深床直接過濾淨水處理，還適用於現有傳統過濾工藝的改造，它可顯著提高出水水質、增加產水率、降低藥耗。
3.根據權利1的要求，其特徵是過濾濾床深及濾料填充高度超過普通濾床一至二倍，濾床深度為3～5米，濾料填充高度為1.5～3米。
4.根據權利3的要求，其特徵是濾床填充濾料為大粒徑的均質無煙煤、石英砂或陶粒。濾料粒徑範圍為2.0-4.0毫米，不均勻係數一般要求1.2～1.4。
5根據權利1至4的要求，其特徵是該工藝技術的過濾濾速為12～32米。
6.根據權利1至5的要求，其特徵是微絮凝—深床直接過濾過程使用無機高分子絮凝劑(包括聚合氯化鋁、聚合氯化鐵、聚合硫酸鐵等)。
7.根據權利6的要求，其特徵是無機高分子絮凝劑通過計量泵嚴格控制投加劑量，並與原水通過管式在線混合器或機械攪拌混合槽混合投加，混合停留時間控制在1-3分鐘，混合後直接進入過濾濾床，無需再建造絮凝反應池和沉澱澄清池。
全文摘要
本發明涉及一種無機高分子絮凝劑(聚合鋁、聚合鐵)的微絮凝—深床直接過濾淨水處理工藝,該工藝特徵在於:它依據無機高分子絮凝劑強烈的吸附/電中和凝聚作用及其粘結架橋絮凝效能而設計微絮凝—深床直接過濾工藝系統。該工藝適用於低溫、低濁、低色及富藻的城鎮飲用水、工藝給水處理以及汙水回用的深度處理,特別適用於水質濁度單位不大於20NTU,色度單位不大於20APHA(鉑－鈷比色單位)的水庫、湖泊的中小水廠淨水處理。與傳統混凝—沉澱—澄清—過濾水處理工藝技術相比,該工藝省略了絮凝反應池與沉澱澄清池,因而具有流程短、過程簡捷、自控程度高、佔地面積小、可顯著節省基建投資與運行絮凝藥劑費、並提高單位產水率以及處理水質好等優點。
文檔編號C02F1/52GK1256250SQ98123140
公開日2000年6月14日 申請日期1998年12月9日 優先權日1998年12月9日
發明者欒兆坤, 李科, 李桂平, 雷鵬舉, 宋永會 申請人:中國科學院生態環境研究中心