造粒反應(yīng)器處理高硬度水試驗(yàn)研究
2015-04-29 00:00:00顧艷梅等
土木建筑與環(huán)境工程 2015年3期
摘要：為降低水的硬度，以一定粒徑的細(xì)砂為填料，構(gòu)建新型造粒反應(yīng)器軟化高硬度水。反應(yīng)器在中溫（20 ℃）條件下運(yùn)行，通過改變pH值、填料粒徑、水力條件、反應(yīng)時(shí)間檢測填料中碳酸鈣的含量，考察反應(yīng)器性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，控制原水的pH值大于12、砂石填料粒徑為0.2～0.5 mm、原水進(jìn)水流量為10～35 mL/s，反應(yīng)器的運(yùn)行效果達(dá)到最佳。隨著反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的延長，細(xì)砂填料表面附著的碳酸鈣晶體逐漸增多，運(yùn)行15 d左右填料表面所附著的碳酸鈣晶體達(dá)到飽和，將沉下的填料取出，更換成新的填料。反應(yīng)器對原水硬度的去除率為58%～67%，出水水質(zhì)良好。
關(guān)鍵詞：造粒反應(yīng)器；硬度；砂石填料；吸附
中圖分類號(hào)：TU991.26文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2015）03015105
Abstract：To reduce the hardness in the water， the newstyle granulation reactor with gravel packing is utilized. The reactor operates at 20°C. During the experiment， the content of absorbed calcium carbonate crystal in the gravel packing is measured by changing pH value， the diameter of the gravel packing， hydraulic condition and reacting time to investigate the performance of the reactor. Experimental result demonstrates that when the pH value is over 12， the diameter of the gravel packing was 0.2～0.5 mm； the feed water flow of raw water was 10～35 mL/s； the reactor has the optimal treatment efficiency. With the progress of the granulation reactor，it is found that the calcium carbonate crystal absorbed in the surface of the gravel padding gradually accumulates. When the reactor operates for about 15 days， the content of absorbed calcium carbonate crystal reaches saturated state， and the old packing could be replaced with new one. The reactor removed 58%～67% of the hardness in raw water.and the water quality of the effluent is good.
Key words：granulation reactor； hardness； gravel packing； absorption
硬度作為一項(xiàng)重要的水質(zhì)指標(biāo)在飲用水中受到廣泛關(guān)注?！渡铒嬘盟l(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）規(guī)定，總硬度（以CaCO3計(jì)）限值為450 mg/L。一般來說鈣離子和鎂離子是產(chǎn)生硬度的主要原因[1]。依據(jù)水中鈣、鎂離子的濃度，BekriAbbes等[2]將水分為軟水、輕度硬水、中度硬水和硬水，對應(yīng)的鈣離子質(zhì)量濃度分別為0～17、17 ～60、60～120、120～180 mg/L。中國黃河流域[3]、遼河流域[4]等水體硬度偏高。針對高硬度水的處理，已提出了很多有效的軟化方法，包括沉淀軟化法[57]、吸附與離子交換法[811]、混凝/混凝強(qiáng)化除硬度技術(shù)[1215]、膜除硬度技術(shù)[16]，但高效、低成本的除硬技術(shù)仍是飲用水處理研究的熱點(diǎn)。筆者依據(jù)反應(yīng)器水動(dòng)力學(xué)，結(jié)合填料與水體化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理，研發(fā)針對高硬度水處理的造粒反應(yīng)器，研究造粒反應(yīng)器對高硬度水的處理效能，闡述其去除原理，以期為高硬度水處理提供科學(xué)依據(jù)。
1試驗(yàn)裝置和方法
1.1試驗(yàn)水質(zhì)
試驗(yàn)原水取長江水南京段，原水中投加無水氯化鈣和碳酸氫鈉配制，配置后部分水質(zhì)指標(biāo)詳見表1。
1.2試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)裝置主要由反應(yīng)器、計(jì)量泵、原水箱、藥劑配水箱等組成。反應(yīng)器為高1 m、內(nèi)徑5 cm的有機(jī)玻璃圓柱筒，反應(yīng)器下部分別有一個(gè)進(jìn)水口、一個(gè)進(jìn)藥口和一個(gè)填料更換口，上部有一個(gè)出水口，反應(yīng)期內(nèi)裝有15 cm高的細(xì)砂填料。
試驗(yàn)原水和藥劑分別通過計(jì)量泵注入造粒反應(yīng)器底部，在反應(yīng)器內(nèi)混合，調(diào)節(jié)進(jìn)水流量以控制反應(yīng)器內(nèi)一定的流速，從反應(yīng)器上部出水。細(xì)砂填料在水流的沖擊下形成流化床狀態(tài)。隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，填料表面不斷吸附反應(yīng)中形成的碳酸鈣，填料的重量逐漸增加，流化床狀態(tài)的平衡被打破，砂石填料漸漸沉在反應(yīng)器底部，此時(shí)，砂石填料失效，將失效的填料取出，替換成新填料，以保證反應(yīng)器高效運(yùn)行。
用pH計(jì)測定原水的pH值；用減量法測定砂石填料對碳酸鈣晶體的吸附量；用掃描電鏡測定砂石填料的表觀形態(tài)，并用X射線能譜分析得出表面元素的含量。
2結(jié)果與討論
2.1pH值對碳酸鈣顆粒形成的影響
混合液中能夠生成碳酸鈣沉淀取決于CO2-3離子的多少，當(dāng)混合液中存在足夠多的CO2-3時(shí)，原水中的鈣離子與之反應(yīng)可以生成碳酸鈣沉淀。而水中碳酸體系可以用以下的反應(yīng)和平衡常數(shù)來表示。根據(jù)K1及K2的值，就可以制作以pH為主要變量的H2CO3 - HCO-3-CO2-3體系形態(tài)分布圖，如圖2所示。
由圖2可知，溶液中各種碳酸化合物占總濃度的百分率隨pH值的改變而變化。當(dāng)pH<5時(shí)，溶液中碳酸化合物主要以CO2的形態(tài)存在；當(dāng)5
以NaOH作為軟化藥劑，通過控制NaOH溶液的濃度來調(diào)節(jié)混合液的pH值。同時(shí)，取粒徑為0.2～0.5 mm的砂石填料，控制一定的進(jìn)水流量，使反應(yīng)器運(yùn)行15 d，記錄填料中碳酸鈣的含量，得到如圖3所示的關(guān)系曲線。
由圖3可以看出，在其他條件一定時(shí)，當(dāng)混合液的pH值大于12，填料中碳酸鈣的含量達(dá)到最高值，這與此前的理論推測相一致。因此，在試驗(yàn)中，通過投加NaOH溶液，控制反應(yīng)器中混合液的pH值大于12，形成大量碳酸鈣沉淀，沉淀附著于砂石填料上，從而原水中的鈣離子得以去除，以達(dá)到降低原水硬度的目的。
2.2砂石填料粒徑的選擇
砂石填料的粒徑對碳酸鈣的結(jié)晶效果有著顯著影響。砂石的粒徑越小，則填料的比表面積越大，碳酸鈣晶體與砂石表面的接觸面積越大，軟化反應(yīng)速率更快。但如果砂石的粒徑過小，砂粒會(huì)在反應(yīng)器的運(yùn)行過程中隨水流流出反應(yīng)器，使得反應(yīng)器對原水的軟化效果不佳。取不同粒徑的砂石填料進(jìn)行試驗(yàn)，控制一定的進(jìn)水流量使填料處于流化床狀態(tài)，反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行15 d，分別測定砂石填料中碳酸鈣的含量，碳酸鈣含量砂石粒徑曲線圖見圖4。
由圖4可以看出，當(dāng)進(jìn)水流量和反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間一定時(shí)，砂石粒徑為0.2～0.5 mm時(shí)，碳酸鈣沉淀在填料上的附著量較多，可以達(dá)到去除水中更多硬度的目的。因此，試驗(yàn)中確定砂石填料的粒徑為0.2～05 mm。
2.3水力條件的構(gòu)建
造粒反應(yīng)器和過濾池的反沖水力特性是相同的，水流從反應(yīng)器的底部進(jìn)入，自下向上流動(dòng)，由于受到水流沖擊，砂石填料層發(fā)生膨脹并處于流化床狀態(tài)。參考濾池反沖洗過程的水力特征以確定反應(yīng)器的水力條件。濾池反沖洗過程中水頭損失的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式為
為砂石填料膨脹前的孔隙率；L為填料層膨脹前的高度，m。
試驗(yàn)中砂石填料粒徑為0.2～0.5 mm，砂石密度為2 650 kg/m3，控制流化床的膨脹率為200%，可以得到砂石填料膨脹前的孔隙率P=042，膨脹砂層的孔隙率Pe=0.715。當(dāng)d1=0.2 mm時(shí)，最小流化速度V1=0.004 812 m/s；當(dāng)d2=0.5 mm時(shí)，最大流化速度V2=0.019 m/s。
試驗(yàn)采用的反應(yīng)器為圓柱體，底面直徑為5 cm，計(jì)算得到反應(yīng)器的理論進(jìn)水流量Q=9.45～37.31 mL/s。所以，依據(jù)理論取本反應(yīng)器的原水進(jìn)水流量為10～35 mL/s，使得砂石填料層處于流化床狀態(tài)。
2.4反應(yīng)時(shí)間對填料性質(zhì)的影響
圖5為造粒反應(yīng)器運(yùn)行不同天數(shù)時(shí)砂石填料樣本的掃描電鏡圖。由圖可以看出，隨著反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的增長，砂石填料表面附著的碳酸鈣晶體越來越多，吸附的碳酸鈣晶體逐漸覆蓋砂石原來的表面，并且附著的晶體層上還可以繼續(xù)吸附新的碳酸鈣晶體。
分別取反應(yīng)器運(yùn)行0、3、6、9、12、15、18、21、24、27 d并干燥的砂石填料樣本，用減量法測定各砂樣中碳酸鈣的含量，測得各個(gè)砂樣中碳酸鈣的含量分別為：0%、4%、12%、18%、21%、25%、28%、31%、34%、37%。圖6為反應(yīng)器運(yùn)行不同天數(shù)時(shí)砂石填料中CaCO3 含量和時(shí)間的關(guān)系曲線，從圖6可以看出隨著反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的增長，砂石填料中碳酸鈣的含量逐漸增多。
分別取反應(yīng)器運(yùn)行0、3、15、27 d并干燥的砂石填料樣本，進(jìn)行能譜分析實(shí)驗(yàn)，得到砂樣表面各元素的含量。圖7為砂樣表面各元素的含量和反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖7可以看出，原始砂石填料表面成分主要是Si、O、Sr等3種元素，分析可得砂石表面
的主要成分為二氧化硅和微量元素。隨著反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的增長，砂石填料表面逐漸出現(xiàn)Ca、C兩種元素，Ca、C在砂石填料表面的含量呈上升趨勢，在運(yùn)行時(shí)間達(dá)到15 d左右，Ca、C的含量基本趨于穩(wěn)定，此時(shí)，將沉于反應(yīng)器底部的填料取出，更換成新的填料，以保持反應(yīng)器的除硬效能。
2.5反應(yīng)器的運(yùn)行效果
通過對反應(yīng)器各種性質(zhì)的研究，確定了當(dāng)混合液pH值大于12、砂石填料粒徑為0.2～0.5 mm，原水進(jìn)水流量為10～35 mL/s時(shí)，填料表面所附著的碳酸鈣晶體的量最多，即對原水中硬度的去除率最高。此時(shí)，測定出水水質(zhì)，反應(yīng)器出水水質(zhì)指標(biāo)見表2。
對比表2與表1，由于所投加的藥劑是pH值大于12的堿液，所以反應(yīng)器的出水pH值較高；由于碳酸鈣的過飽和度較大，故碳酸鈣會(huì)自發(fā)成核，使溶液中出現(xiàn)許多不能附著于砂石填料的碳酸鈣晶體，這些晶體隨著水流流出反應(yīng)器，造成出水濁度略微增大；出水硬度與原水硬度相比明顯降低，硬度的去除率為58%～67%，出水水質(zhì)良好。
3結(jié)論
造粒反應(yīng)器中的砂石填料可有效吸附碳酸鈣晶體，以達(dá)到降低原水硬度的目的，提高出水水質(zhì)安全性，降低后續(xù)水處理單元的運(yùn)行負(fù)荷。反應(yīng)器中混合液的pH值、砂石填料粒徑、水力條件、反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間等因素對反應(yīng)器的運(yùn)行效果有影響?？刂苹旌弦簆H值大于12、砂石填料粒徑為0.2～0.5 mm，原水進(jìn)水流量為10～35 mL/s，反應(yīng)器的運(yùn)行效果達(dá)到最佳。隨著反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的延長，砂石填料表面對碳酸鈣晶體的吸附量逐漸增長，當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行15 d左右，填料表面所附著的碳酸鈣晶體達(dá)到飽和，此時(shí)更換新的填料，以保證反應(yīng)器高效運(yùn)行。
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（編輯胡英奎）
