Pilot plant application of a pelletisation　process on low-turbidity river water

　　摘要：泰國成功地用低濁(20～240NTU)河水測試了流動床絮凝反應(yīng)器。該裝置根據(jù)所用不同聚合物藥劑配備了一個或兩個φ54mm，高500mm快混器及一個φ54mm，高2500mm絮凝反應(yīng)器。反應(yīng)器內(nèi)水的上升流速為20cm/min，停留時間僅為12.5min。脫穩(wěn)處理采用不同劑量硫酸鋁，配合使用一些高分子的陰離子、非離子及陽離子聚合物。經(jīng)加入3000mg/L高嶺土進行專門啟動運行后，裝置連續(xù)進行了兩種運行，分別為6小時和72小時，處理實際河水，其濁度因季節(jié)不同而異。除投加0.3mg/L聚合物外，僅少量加入1.53mg/L　AI2O3就足以將20～100NTU原水處理到5NTU以下。遇240NTU高濁時，則需較高藥量即3.83mg/L　AI2O3加入陽離子聚合物比其它兩種聚合物（離分子）電解質(zhì)更有效。絮凝床上層和臨界層的顆粒粒徑和沉降速度分別為0.25～0.29mm和18.7～23cm/min，相應(yīng)顆粒密度為1.06～1.10g/cm³。

引言

　　現(xiàn)已有數(shù)名作者報道了他們用流動床絮凝法成功地處理了250～3000mg/L的高濁水。Pansward和Chamarong兩個最近又用低濁水，50NTU，驗證了該系統(tǒng)的功能，提供了一種啟動系統(tǒng)的方法。然而，所做全部研究均采用合成水體，所以用該方法處理真正河水是否有效必然產(chǎn)生疑問，尤其對30～200NTU這樣的低濁水。

　　本研究旨在探索用絮凝方法去除低濁河水中的濁度。該河，即CHAO PHRAYA河，是泰國曼谷市數(shù)百市民的主要用水源。混凝使用了硫酸鋁，對不同類型的聚合電解質(zhì)的混凝和助凝的效果也做了調(diào)研。

試驗方法和材料

　　圖1是本研究所用裝置圖，主要有一個恒定水位進水箱、兩個內(nèi)徑54mm、高500mm塑料快速混合器和一個同樣內(nèi)徑、有效高度為2500mm的流動床絮凝反應(yīng)器。當使用陰離子和非離子聚合物時，只使用一個快混器，而使用陰離子聚合物時則需兩個快速器，這樣從陽離子聚合物中獲得的正電荷也起到附加脫穩(wěn)作用。在系統(tǒng)啟動階段加入3000mg/L高嶺土，再配入7.5mg/L的AI2O3和0.3mg/L聚合物，使反應(yīng)器內(nèi)先形成充分的顆粒量，約至1～3小時待反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)大量顆粒團后，再處理實際的河水。河水濁度范圍是15NTU至夏季50NTU和雨季的240NTU。
　　配制3000mg/L的高嶺土水和實際河水均用泵送進恒定水位水箱，以控制流量，然后再流入450r/min的快混器中，中途加入硫酸鋁，控制量至0～9.2mg/L　AI2O3時開始脫穩(wěn)處理。脫穩(wěn)水與0.3mg/L的陰離子或非離子聚合物混合，再進入反應(yīng)器底部并向上流通過整個流動床反應(yīng)器全長。反應(yīng)器內(nèi)的攪拌機提供充分的攪拌強度達到良好的顆粒凝聚效果。當使用陽離子聚合物時，脫穩(wěn)水被送到另一個快混器中分開混合。處理后水然后經(jīng)反應(yīng)器出水槽溢流進集水池，再進行采樣、分析。濁度、pH、及粒徑的測量分別使用的是Ratio XIR HACH濁度儀、Accumet 910 pH儀和CHSOlypus顯微鏡(100×)。顆粒沉降速度采用在圓筒上固定300mm距離三次重復沉降的平均時間來確定，應(yīng)用斯托克斯定理計算相應(yīng)的顆粒密度。表1和表2列出了硫酸鋁及所用三種聚合物的性能和運行中采用的有關(guān)參數(shù)。應(yīng)提及的是非離子聚合物也帶一些＋電荷，所以在0.8%的溶液中陽離子電荷達5×104mEq/L。測量膠體電荷采用滴定技術(shù)。
　　該試驗分兩種運行方式，第一種是6小時短運行作為篩分實驗。第二種相應(yīng)長些，運行72小時，兩種運行分別每隔1小時和6小時采樣一次。上升流速保持在20cm/min(12m/hr)，分別相當于第一種29乘以反應(yīng)器內(nèi)滯留時間(RT)的倒數(shù)和第二種345乘以反應(yīng)器內(nèi)滯留時間(RT)的倒數(shù)。
　　產(chǎn)生的沉泥和多余的泥團從距反應(yīng)器底部1300mm處的排泥孔取出。這些泥?？勺鳛榇_定泥粒性質(zhì)的樣品。硫酸鋁使用劑量各異，AI2O3高達9.2mg/L ，而用聚合物作為助凝劑或混凝劑時（0 mg/L硫酸鋁情況時），劑量均為0.3mg/L。

試驗結(jié)果和探討

　　表3、4和5所示為平均試驗結(jié)果，所用藥劑為硫酸鋁為陰離子、非離子和陽離子聚合物，聚合物劑量分別為0.3mg/L。第一種運行作為篩分研究，每次運行6小時，所用硫酸鋁劑量范圍很寬從0（控制）～9.2mg/L　Al2O3。

　　　　　　表4：用0.3mg/L非離子聚合物試驗的平均結(jié)果

?。詈?8個小時運行的結(jié)果
注：RM=快混后

表5：用0.3mg/L陽離子聚合物試驗的平均結(jié)果　

三種聚合物各自的效果
　　從圖2數(shù)據(jù)中可看出，該絮凝法可有效地處理濁度僅為20～30NTU的河水。三種聚合物均采用0.3mg/L加上1.5mg/L　AI2O3。其中效果最佳的當屬陽離子聚合物，其處理后水約達2～3NTU。

聚合物單獨混凝的效果
　　使用陰離子、非離子、（具有一些正電荷的）、及陽離子三種聚合物，劑量為0.3mg/L，單獨混凝的效果請參閱表3、4、5中硫酸鋁為0的一欄。很明顯，每種聚合物都有混凝作用，但使膠體脫穩(wěn)的機理各異陰郭子聚合物在兩種運行中（6小時及72小時）使原水濁度分別從53～58降到24～33NTU；51～58降到17～23NTU（參閱表3a和3c）。
　　從表4a和4c兩種運行中可看出，用非離子處理后的水濁度仍很高，即進水濁度分別為53～58和51～ 54NTU，處理后分別降到11.8～13.3和7.6～9.5NTU，但系統(tǒng)的去濁能力是顯而易見的。
　　用陽離子聚合物作為混凝劑效果較好（見表5），兩種運行的去濁情況分別從30～37降到5.9～7.9NTU；25～35降到4.2～4.9NTU結(jié)果表明進水濁度越低，陽離子聚合物的脫穩(wěn)能力越高，加入藥劑量高些，處理后水質(zhì)會更好，但規(guī)定一個適當?shù)膭┝可行柽M一步研究。圖三所示為，在第二種運行試驗中的最后18個小時這段時間，三種聚合單獨使用的效果，結(jié)果表明盡管原水濁度分別為55、45、30NTU都有降低。但陽離子聚合物比其他兩種聚合物的效果更好些。

顆粒沉降速度及粒徑大小
　　據(jù)Tambo和Matsui兩人報道，在穩(wěn)定狀態(tài)下，顆粒沉速穩(wěn)定，較大顆粒沉在底部，較小的和較輕的受水向上推力使其飄在絮凝床上層，而太小太輕的則被處理后水帶出反應(yīng)器，導致出水渾濁。因此要研究、選擇一種使顆粒能良好絮凝的方法。在本裝置中可明顯看出，絮凝床頂層的臨界成形顆粒是從底部向上至1300mm處。在穩(wěn)定處理狀態(tài)下顆粒團塊的恒定沉速因所用混凝劑和助凝劑種類不同而異。表6所示為各種情況下臨界成形顆粒的沉降速度。用陰郭聚合物單獨混凝時（硫酸鋁為0 mg/L），沉降速度一直減慢，直到運行到最后18～24小時時才穩(wěn)定。這是因為大劑量的高嶺土換成低濁河水的原因。另一方面，在運行剛開始(1～4小時）時，使用非離子、陽離子聚合物可得到相應(yīng)的穩(wěn)定處理狀態(tài)。這可能是這兩種聚合物提供了正電荷的原因。表6所示的三種情況中，a的沉降速度(Vs)較慢(21.3cm/min)與b(23cm/min)和c(23cm/min)兩種情況相比性能較差，這與前述圖3的狀況相符。
　　由于投加了硫酸鋁會產(chǎn)生水結(jié)絮體并在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)充分攪拌，使較松散的絮體破碎再重新結(jié)成強度更大、體積更大的顆粒。這樣與不加硫酸鋁相比，形成恒速沉降(Vs)的穩(wěn)定狀態(tài)更快。幾乎在各種情況下達到穩(wěn)定狀態(tài)均需一小時的運行時間。然而，用硫酸鋁混凝并加聚合物為助凝劑時，顆粒沉降速度常比不用硫酸鋁要慢，可能是由于這三種聚合物給系統(tǒng)加入了絮體松散特性所決定的。由于顆粒是從臨界成形深度或者說是從結(jié)粒層頂層開始凝結(jié)的，上升流速20cm/min又是恒定的，所以顆粒沉降速度相似。范圍在1.8～21.6cm/min（見表6 )。進水差別水在，而絮凝的粒徑有些不同，用陰離子聚合物形成的粒徑最小，0.25mm，而其他兩種分別為0.29mm和0.25～0.27mm。此次試驗的絮凝粒徑比其他報道的要小，因為采樣的位置不同。用斯托克斯定律(Stokes Law)計算所用三種聚合物產(chǎn)生的顆粒密度分別為1.08～1.09、1.06～1.08和1.08～1.09，此數(shù)據(jù)在其他人報道的1.002～1.25范圍內(nèi)。

表6：在第二種運行的最后6小時期間，顆粒在臨界層成形的平均特性

結(jié)論

　　本研究清楚地表明，采用20cm/min上升流動床顆粒絮凝法，分別經(jīng)6小時和72小時兩種試驗運行，均能有效地去除低濁河水(20～240NTU)的濁度。僅用1.5～3.8mg/L AI2O3配用0.3mg/L聚合物就能使處理后水優(yōu)于曼谷市供水局規(guī)定的5NTU標準。甚至于在pH為7.5～8.2不可能很好地中和電荷的情況下也能獲得良好的效果。通過加硫酸把原水pH從7.8～8.2降到7.5也能提高去濁效果。本研究中需要的硫酸鋁的投加量低于曼谷供水局用于固體接觸式澄清池所用藥量。因此，采用此法既能節(jié)約投資又能節(jié)省藥劑費用。處理的水僅在反應(yīng)器內(nèi)滯留12.5分鐘。使用陰離子聚合物經(jīng)18小時運行出水便達到穩(wěn)定NTU，而經(jīng)12小時運行后顆粒團便從污泥層頂部沉下達到恒速沉降，使系統(tǒng)進入穩(wěn)定處理狀態(tài)。從模擬情況看，非離子聚合物達到穩(wěn)定出水濁充需經(jīng)18小時運行，顆粒達到恒速沉降需運行一小時，而陽離子聚合物分別為24小時和1小時。使用陽離子聚合物比使用其他兩種效果更好。三種聚合物投加量均為0.3mg/L，它們都可單獨作為混凝劑使用，但出水濁度不理想，提高投加量也許能提高系統(tǒng)處理能力。臨界顆粒沉降速度范圍從18.7～23.0cm/min，粒徑為0.25～0.29mm。按斯托克斯定律計算出的相應(yīng)顆粒密度相當高，為1.06～1.10g/cm3。

天津市自來水集團有限公司科技情報站　劉萬福譯　王秀麗?！?999年3月