基于誘晶原理的除硬度裝置的構建及應用效能分析

雷聲楊

(中電建生態(tài)環(huán)境集團有限公司，廣東 深圳 518107)

水資源問題是關系到人類前途和命運的關鍵問題，是人類賴以生存和社會發(fā)展的重要物質資源[1]。我國水資源稀缺，地下水作為我國重要的供水來源，而全國大部分地下水供水地區(qū)受到了不同程度的污染，其中總硬度超標嚴重。藥劑軟化法因其成本較低，是我國目前除硬度的主要技術，但由于其處理后出水濁度難以控制，嚴重影響了居民飲用的感官感受。誘導沉淀結晶軟化技術被廣泛應用于國外水廠，且能夠較好地解決出水濁度問題[2]。本文基于誘導沉淀結晶原理，開發(fā)地下水除硬度高效固液分離裝置，解決目前國內藥劑軟化法除硬度技術存在的問題，從而在國內進一步推廣應用。

1 誘導沉淀結晶軟化技術

誘導沉淀結晶技術是新型的化學沉淀技術，其特點是在沉淀反應體系中加入粒狀固體物質以促進沉淀結晶、沉降迅速進行，使工藝時間大大縮短，從而克服了傳統(tǒng)化學沉淀法的缺陷[3]。固相雜質加速晶核出現的作用實際上為誘導作用，將所用的固相物質統(tǒng)稱為誘晶材料。該技術已在水質軟化及工業(yè)廢水處理等領域得到應用[4]。

誘導沉淀結晶技術的主要方式有流化床結晶、誘垢載體沉積式除垢和結晶沉淀—膜濾技術，其中流化床結晶法應用最多。流化床結晶中使用的反應器叫流化床結晶器( Fluidized bed crystallizers，簡稱：FBCS或FBC)，也叫粒丸反應器( Pellet reactor)、流化床反應器( Fluidized bed reactor,簡稱：FBR)[5-6]。其技術核心是在反應器底部填充適當的粒狀誘晶材料(一般為砂粒)，將水泵入反應器底部以使誘晶材料處于流化態(tài)，通過加入沉淀劑使去除對象在誘晶材料上沉淀結晶，隨著沉淀結晶誘晶材料不斷增長、變重，逐漸沉到反應器底部，定期排出一定大顆粒的誘晶載體同時補充新的誘晶載體保持反應器連續(xù)運行，排出的誘晶載體含水率低，不需脫水、干化處理[7-9]。

在結晶軟化工藝中，誘晶載體和軟化劑的選擇非常重要。作為誘晶載體的材料很多，如石英砂、膨潤土、硅酸鹽、天然植物、金屬工業(yè)下腳料、合成材料下腳料等均可作為誘晶載體[10]。常用的軟化劑有Ca(OH)2、NaOH和Na2CO3，軟化劑的選擇主要由原水水質、運行成本以及操作的難易程度決定。

誘導沉淀結晶軟化法與沉淀軟化法的基本作用原理相同，但工藝條件存在顯著差異，是一種新型的化學沉淀技術。其特點是在反應體系中使用大量誘晶載體，促進工藝過程快速進行。結晶軟化工藝在水處理領域最早即用于水的軟化，其理論依據是結晶學中的誘導成核原理。在結晶反應器中裝填適量的誘晶載體，再投加某些化學藥劑于原水中，使溶液中的碳酸平衡向生成CO32-的方向移動，水中CO32-和Ca2+以晶種為核心，在誘晶載體表面結晶析出，最后形成CaCO3晶粒，從而達到軟化水質的目的[11]。

與傳統(tǒng)的化學沉淀法相比，誘導沉淀結晶工藝無需絮凝、沉淀等單元，具有占地面積小、反應快、去除率高不易產生二次污染等優(yōu)點。在實際工業(yè)應用中具有廣闊的前景。

2 高效固液分離裝置的構建

2.1 傳統(tǒng)藥劑軟化法的缺陷

藥劑軟化法由于具有原理簡單、應用方便、不需復雜設備、廢水產率低、處理費用相對較低等優(yōu)點而受到廣泛關注。然而，在藥劑軟化過程中存在反應速度較慢且反應程度進行不徹底等問題，如要達到較高的硬度去除效果需要投加較高劑量的軟化藥劑。實際應用結果也表明，現有的除硬度藥劑具有與地下水水質處理需求針對性不強、去除效能較差、處理費用尚需進一步降低等方面的問題。且在處理過程中會產生大量的廢渣，易對環(huán)境造成污染。

2.2 誘晶軟化法的進一步優(yōu)化

基于藥劑軟化法而發(fā)展出的誘導沉淀結晶軟化法有效解決了傳統(tǒng)藥劑軟化法所存在的基本問題，在國外獲得了大量的應用，并取得了較好的應用效果，然而目前尚沒有在國內成功應用的案例。結合結晶軟化法在國外的應用情況以及國內水廠對飲用水除硬度技術的需求，需要在技術引進過程中重點針對以下幾個方面進行優(yōu)化。

2.2.1 針對結晶軟化法所用的軟化藥劑(除硬度藥劑)需進行進一步的優(yōu)化

國外的應用結果表明，使用一定時間后需要更換誘晶材料以確保硬度去除效果，這無疑會造成運行的中斷，同時增加處理成本、增加操作工序，對于其推廣應用造成一定的影響。此外，結晶軟化單元的出水需要進行進一步處理以確保出水水質。因此，結合軟化藥劑的投加方式，需要考慮針對軟化藥劑進行復配形成新的軟化藥劑，以達到確保連續(xù)運行、提升處理水質的目的。

2.2.2 結晶軟化法的應用條件和技術參數需要有針對性的優(yōu)化

針對我國典型高硬度地下水的基本水質特征，合理控制處理出水水質目標，可以有效地降低處理成本、簡化操作程序、確保出水水質安全。因此，需要針對結晶軟化法的基本應用條件和技術參數進行優(yōu)化。

2.2.3 結晶軟化法在實際應用中的應用裝置形式需要進行進一步的改進

結晶軟化法在國外應用的案例多采用結晶軟化裝置加后續(xù)過濾處理的方式，設備占地面積大、操作復雜，不適用于目前國內部分地區(qū)水廠人員較低的操作管理水平。因此，需要結合國內水廠實際狀況，開發(fā)占地面積小、操作管理方便的新型、高效處理裝置。

2.3 高效固液分離裝置設計

根據地下水除硬度工藝的基本工藝單元組成，除硬度設備應該具備加藥混合單元、沉淀物析出單元、誘晶及固液分離單元、過濾單元以及反沖洗、廢水廢渣處置等5個主要的組成單元，其中沉淀物析出、誘晶及固液分離和過濾單元等3個部分是裝置的主體處理組成部分。為降低裝置的占地面積，增加集約化程度，充分結合3部分的基本性能要求和工藝特點，形成了一體式除硬度裝置，其基本裝置構型如圖1所示。

圖1 高效固液分離裝置結構示意圖

裝置高效固液分離單元整合了沉淀物析出單元、誘晶強化除硬度單元的基本功能，并結合了顆粒物強化分離裝置而組成，是總硬度去除的主體場所。同時高效分離誘晶除硬度過程中所形成的顆粒物，確保裝置出水渾濁度在5 NTU以內，為后續(xù)過濾單元的運行創(chuàng)造條件。主要由四部分組成：進水及藥劑混合區(qū)(沉淀物析出區(qū))、造粒流化床結晶區(qū)、初步分離區(qū)和斜管沉淀分離區(qū)。

3 高效固液分離裝置的處理效能

利用優(yōu)化后的高效固液分離裝置進行連續(xù)性試驗，運行方式為連續(xù)進水，進水量為40 m3/h。運行參數為：軟化藥劑(NaOH)投加量為100 mg/L，混凝劑(FeCl3)投加量5 mg/L，誘晶材料采用0.1～0.2 mm的石英砂顆粒，除硬度反應停留時間為10 min，沉淀區(qū)停留時間30 min，濾速為6 m/h，運行周期24 h。工藝連續(xù)運行2個月，運行效果如下所示。

3.1 總硬度

運行時間段內，高效固液分離裝置對總硬度的去除效果如圖2所示。

圖2 高效固液分離裝置硬度去除效果

由圖2可看出，工藝對原水中的總硬度具有較好的控制效果，原水與藥劑經過混合后進入高效固液分離單元，高效固液分離裝置出水的總硬度已降低至300 mg/L左右，大部分原水中的硬度在本階段已經基本去除；經過石英砂過濾單元過濾后，濾后水的總硬度含量可降低至250～270 mg/L之間。在整個運行期間內，裝置運行效果穩(wěn)定，各單元出水中的總硬度出水保持在特定數值區(qū)間內，顯著降低了地下水中的高硬度對居民日常用水的影響。

3.2 pH

地下水除硬度裝置連續(xù)運行時間段內，裝置各單元進出水中的pH值變化情況如圖3所示。可以看出，地下水原水pH基本在7.2～7.3左右，高效固液分離單元出水的pH值升高至8.3左右，經過過濾之后pH值降低至8.2左右。地下水除硬度裝置出水的pH值穩(wěn)定在8.1～8.3范圍內，滿足我國現行生活飲用水衛(wèi)生標準(GB5749-2006)的限值要求(6.5～8.5)，不需要再進行加酸回調。

圖3 高效固液分離裝置出水pH值的變化情況

3.3 渾濁度

裝置連續(xù)運行時間段內，出水中渾濁度的變化情況如圖4所示?？梢钥闯觯铀幓旌虾笏臏啙岫蕊@著增加，可增加至90 NTU左右，主要是所加藥劑與水中的碳酸氫根反應生成大量的沉淀物所導致；經過高效固液分離單元后的出水渾濁度可控制在1.0～4.0 NTU的范圍內，對顆粒物的去除率達到90%以上；經過過濾單元處理后渾濁度則可降低至0.5 NTU以內，滿足現行生活飲用水衛(wèi)生標準限值要求(1 NTU)。

圖4 高效固液分離裝置出水渾濁度的控制效果

3.4 其他水質指標

除了上述水質參數外，針對裝置進出水進行了其它主要水質參數的測定，結果見表1。

表1 高效固液分離裝置進出水主要水質指標檢測結果

由表1可以看出，除總硬度、pH值、渾濁度及鋁等指標外，針對裝置出水所檢測的主要相關水質指標均滿足現行生活飲用水衛(wèi)生標準的限值要求。

綜上，高效固液分離硬度處理裝置適合我國國內大部分硬度偏高且以地下水為飲用水源的地區(qū)，其處理效果較好，運行穩(wěn)定，技術相對較成熟，處理成本相對于其他水軟化工藝較低，可以進一步在國內進一步研究推廣。

4 成本分析

4.1 建設成本

按5 000 m3/d處理規(guī)模計，裝置費用(含混合器、計量泵及攪拌裝置)：130.0萬元；石英砂濾料：5萬元；連接管道及反沖洗水泵、風機：8萬元；場地硬化及廠房搭建：7萬元；合計：150萬元，噸水建設成本約為300元/(m3/d)。建設成本低于目前常規(guī)工藝水廠建設的基本造價費用。

4.2 運行成本

針對優(yōu)化的除硬度工藝的運行參數，進行了運行成本分析。藥劑費：復合藥劑價格3 000元/噸，投加量80～100 mg/L；則每噸水的藥劑成本為：故藥劑費為：0.24～0.30元/m3；

動力費用：生產性實驗裝置(1 000 m3/d)運行系統(tǒng)中含有的機電設備詳見表2。

表2 高效固液分離裝置主要機電設備情況

動力費：耗電量為102.2度/d，單位處理水量所耗電0.102度/噸，每度電約0.8元，故處理每噸水動力費是0.081 6元。故處理每噸水的單位運行成本不超過0.4元。

5 結語

(1)基于誘晶軟化原理，構建了適合國內地下水硬度去除的高效固液分離裝置；

(2)高效固液分離硬度處理裝置裝置對原水中硬度的去除率高達50%，pH值穩(wěn)定在8.1～8.3范圍內，裝置濾后出水渾濁度可降至0.5 NTU以內，其他各項指標均能滿足現行生活飲用水衛(wèi)生標準的限值要求；

(3)高效固液分離硬度處理裝置處理效果較好，運行穩(wěn)定，技術相對較成熟，處理成本較低，可以在國內進一步研究推廣。