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        污水處理廠高鈣廢水除鈣實驗研究

        發布時間:2020-4-2 14:50:32  中國污水處理工程網

          1 引言

          由于工業用水中鈣離子過高時,會導致在回收或循環利用的過程中,在管道壁及設備壁產生結垢,一旦水管存在水垢,那么水管的流通截面會嚴重減小,水的流動阻力也會加大,從而影響水循環的正常工作。硬度過大的水還會導致鍋爐內的管道熱量分布不均勻,容易引起管道變形甚至損壞,嚴重時還會引起爆炸,存在安全隱患,對人體健康造成威脅。為了減少鈣離子在污水廠中運行的危害,故要對該廠的鈣離子溶液進行除鈣研究。

        目前,鈣離子的去除方法主要有離子交換法、阻垢法、 納濾膜法、化學沉淀法。離子交換法處理效果好,處理量大,對環境無二次污染,但交換樹脂需更換再生,費用高,對預期處理要求嚴格;阻垢法技術簡單,但目前對其研究較少;納濾膜法能耗低,占地省,維護簡單,但建造費和運行費較高;而化學沉淀法能同步去除氨氮,產物可二次利用,但不同水質需調整不同參數。

          化學沉淀法利用硫酸根和碳酸鈉對混合液進行除鈣,主要反應如下所示:

           一般微溶鹽的析出,總的判斷原則是用溶度積 KSP 來判斷。溶度積是多相離子平衡的平衡常數,可以根據下式表達:

           溶度積常數與水中 pH、溫度和溶液中其它鹽的特性有關。然而,作為估算,這些變量對 KSP 的影響可以忽略。溶度積KSP與水中離子積 IP 有如下關系:IP>KSP,沉淀從溶液中析出;IP=KSP,溶液為飽和溶液,并與沉淀之間建立了多相離子平衡;IP <KSP,溶液為不飽和溶液,無沉淀析出;若有沉淀存在,則沉淀溶解。

          常溫時,CaSO4 和CaCO3 的溶度積分別為 9.1×10-6 和 2.8× 10-9,理論上 CaCO3 更難溶。有研究表明,硫酸鈣過飽和溶液只有在IP>10KSP 的情況下才能生成,因此可進行分步沉淀,先使其與硫酸根溶液反應生成 CaSO4 沉淀,剩余的鈣離子通過投加碳酸鈉使其生成 CaCO3 沉淀,促使溶液中的鈣離子濃度達到預期出水水質。

          考慮到該廠的實際情況以及經濟成本問題,發現化學沉淀法對于該廠的廢水的處理更具有很好的優勢。因此,本研究決定采用化學沉淀法來去除該廠的鈣離子。由于 CaSO4 是一種微溶的物質,其溶度積常數較小,故需盡可能地反應使其生成硫酸鈣沉淀,以減少后期碳酸鈉投加所帶來的藥劑成本,第一步反應就變成了我們所需研究的重點。

          1 材料與方法

          1.1 實驗水樣

          實驗廢水取自該工業園區污水處理廠,水質見表 1。

          1.2 試劑與儀器

          1.2.1 試劑

          實驗采用的氫氧化鉀、鹽酸、三乙醇胺等試劑均為分析純AR 級別,EDTA 標準溶液濃度為 0.1mol/L、鈣黃綠素-酚酞指示劑、鈣標準溶液、混凝實驗采用的混凝藥劑為聚合氯化鋁(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM),均為市售材料,實驗時分別配置成 5%和 1‰的溶液后備用,PAM 現配現用。

          1.2.2 儀器

          實驗采用 HJ-6 型多頭六聯磁力攪拌器進行混凝沉淀實驗,采用上海越平 FA2204B 電子分析天平進行藥劑稱量。

          1.3 實驗方法

          根據該廠的進水水量情況,實驗先將 5 號廢水樣、4 號廢水樣、3 號廢水樣、2 號廢水樣按照 5:3:8:4 比例混合,獲得實驗混合溶液,1 號廢水樣作為提供硫酸根的溶液開展實驗。前期開展硫酸根除鈣實驗,以確定最佳混合反應時間[11]。后續進行混凝實驗與碳酸鈉除鈣實驗,測定上清液鈣離子濃度,得到最佳投藥量。

         

          2.3.1 硫酸根除鈣實驗

          分別取混合溶液和 1 號廢水樣 20mL 于 7 個 50mL 燒杯中,記為 1、2、3、4、5、6 和 7,使其分別快速攪拌 0min、10min、20min、30min、40min、50min 和 60min。攪拌完成后向燒杯內加入 0.2mL5%PAC 并快速攪拌 30s,再加入 0.15mL1‰PAM 并慢速攪拌 10min,靜置 10min 后取上清液測其Ca2+濃度。

          2.3.2 混凝實驗

          選取 2.3.1 實驗得出的最佳反應時間,進行混凝沉淀實驗以加快沉淀速度。

          分別取混合溶液 20mL 和 1 號廢水樣 20mL 于 4 個 50mL燒杯中,記為 1、2、3 和 4[。讓其快速攪拌實驗 2.3.1 所得出的最佳反應時間后,分別投加 5%PAC 并快速攪拌 30s,然后加入1‰PAM 并慢速攪拌,靜置后取上清液測其 Ca2+濃度。具體試劑投加方式與投加量見表 2。

          2.3.3 碳酸鈉除鈣實驗

          取按比例配置好的 400mL 混合溶液于 500mL 燒杯中。讓其快速攪拌實驗 2.3.1 所得出的最佳反應時間后,向里面加入 2.3.2 實驗得出的最佳混凝劑投加量并慢速攪拌 10min,然后靜置 10min 后獲得鈣去除效果最佳的上清液,取該上清液進行碳酸鈉除鈣實驗,獲得上清液后先測定其 Ca2+濃度。

          從上清液中分別取 30mL 溶液于 4 個 50mL 小燒杯內,分別向燒杯內投加相應量的 40g/L 的碳酸鈉溶液,充分攪拌后分別測其上清液Ca2+濃度。

         

         2.4 檢測方法

          Ca2+濃度由EDTA 法測定。鈣黃綠素酚酞指示劑能與水中鈣離子生成熒光黃綠色絡合物,在 pH>12 時,用 EDTA 標準溶液滴定鈣,當接近終點時,EDTA 奪取與指示劑結合的鈣,溶液熒光黃綠色小時,呈混合指示劑的紅色,即為終點。具體聯系污水寶或參見http://www.dubaiindexshow.com更多相關技術文檔。

          3 結果與討論

          3.1 最佳混合反應時間的確定

          表 1、圖 1 和圖 2 反映了不同混合反應時間下,硫酸根對鈣離子的去除效果。

          表 3 七種水混合反應時間對水中 Ca2+的影響

        圖 1     七種水混合反應時間對水中 Ca2+去除的影響

         

          通過表 1 可知,混合反應時間在 30min 內,混合溶液中Ca2+下降的比較多,30min 時,Ca2+濃度在 Ca2+初始濃度的 35%左右,表明硫酸鈣結晶較多,晶體生長速率較快;30min 以后,Ca2+濃度下降得比較緩慢,慢慢趨于穩定,結晶速率降低,結晶量也減少,硫酸鈣飽和溶液逐漸趨于一個新的穩定狀態,為使鈣離子盡可能多地與硫酸根反應完全,綜合考慮選取 30min為最佳混合水反應時間。由圖 1 可知,在 0~30min 內,Ca2+濃度隨時間延長變化曲線較陡,結晶速率下降較快,這段時間內晶體結晶速率要比 30min 后的時間段結晶速率快得多。同時,由圖 2 可知,混合溶液與 1 號廢水樣初始混合時,溶液為半透明渾濁液體,隨著接觸反應時間的增長,溶液變為乳白色渾濁溶液。

          1.1 助凝劑投加量

          不同助凝劑投加量對溶液中鈣離子濃度的影響如表 4 所示。

         

          從表 4 數據可以看出 PAC 對沉降影響不大,在只投加 1‰PAM 1.25mg/L 時也能達到較好的鈣離子沉降效果。因此,混合溶液和 1 號廢水樣按照 1:1 比例混合,攪拌反應 30min 后, 投加 1.25mg/L 1‰ PAM,鈣離子濃度可降到857.7mg/L,成本較低,效果較好。

          3.3 碳酸鈉投加量的確定

         

          圖 3 顯示的是經 1 號廢水樣除鈣處理后的溶液上清液,在投加助凝劑后繼續投加碳酸鈉的處理效果。由圖 3 可知,鈣離子降低值與碳酸鈉投加量呈較好的線性關系, 在投加1333.3mg/L 碳酸鈉投加量可使得鈣離子濃度降至 428.9mg/L,線性方程為 y=-0.341x+885.26(R2=0.9932),采用內插法可得投加 1129mg/L 時碳酸鈉鈣離子可降至 500 mg/L。

          3.3 藥劑總成本核算

         

          由進水水量可知理論的混合液進水鈣離子濃度為5850mg/L,若以直接投加碳酸鈉的方法使其降到 500mg/L 的出水,則噸水需投加 14.18kg,其處理成本可以達到 24.1 元/噸,而經過上述分步處理,噸水成本僅需 2.286 元。

          4 結論

          ①實驗結果顯示,當混合溶液和 1 號廢水樣按照 1:1 比例混合,攪拌反應 30min 后,投加 1.25mg/L 1‰PAM,慢速攪拌10min 后,再投加 1333.3mg/L 碳酸鈉溶液,可將水中 Ca2+濃度降至 500mg/L。

          ②根據成本計算,分步完成的化學沉淀法去除鈣離子的成本控制在 2.286 元/噸水,而直接投加碳酸鈉溶液使出水達到相同效果的處理成本高達 24.1 元/噸水,對比可知分步化學沉淀法可行。(來源:浙江卓錦環保科技股份有限公司)

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