分步加碱法调节水处理中pH值的试验研究
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篇首语：人非圣贤，孰能无过。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了分步加碱法调节水处理中pH值的试验研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
南方地区水厂所用地表水源的一个显著特点是硬度低、碱度低、腐蚀性强。为了改善供水水质的化学稳定性，一般是向水中投加一定量的石灰。但是，单点过量的石灰投加会造成药耗增大、混凝沉淀效果不好、余铝超标等问题。该文通过采用在混凝阶段投加石灰、在滤后水中投加氢氧化钠的方法，调节水厂出水的pH值，使pH值调节对生产及水质的不利影响大幅降低。同时，对石灰及氢氧化钠的投加进行优化，证实在混凝阶段石灰的最佳投加点为混凝剂后1min，最佳投加量为2.0mg/L，最大投加量宜控制在6.0mg/L以下；在滤后水中投加氢氧化钠可有效提高出厂水的pH值，氢氧化钠投加量约1.6mg/L。我国南方地区水库水源的重要特征是低硬度和低碱度。根据多年的水质监测，硬度一般为30mg/L(以CaCO3计)左右，碱度一般只有25～30mg/L。低硬度碱度导致水的化学稳定性差，对金属管道具有较强的腐蚀性。如果不进行有效处理，供水管网将受到较强侵蚀，“黄水"现象频发，甚至使管道腐蚀穿孔导致爆管事故发生。
为了改善水质的化学稳定性，水厂常采用石灰投加措施，提高出水的pH、钙离子含量和碱度。国内外的工程实践表明，投加石灰对水处理中胶体微粒能起助凝作用，并作为颗粒核增重剂，加速不溶物的沉淀分离；混凝剂水解消耗碱度，投加石灰可提供碱度，并使得pH值处于混凝剂适宜的pH范围。同时可使管网水中含铁量降低、管网腐蚀速度下降。
但是，如果在净水工艺中加入石灰调节pH值的方法不当，特别是在混合阶段单点投加石灰，容易造成混凝阶段pH值过高，产生絮凝效果下降、出水浊度大幅升高、出水的铝含量增高等不良情况。因此，有必要进行水厂pH值调节的控制方式优化，研究水厂pH值的可调范围及pH值与其他水质指标的关系，以及确定合理的碱剂种类及碱剂投加点。
1.试验材料与方法
1.1原水水质
试验原水取自某水库，期间水质见表1。
1.2试验方法
混凝阶段pH值调控的优化试验方法：静态试验在六联搅拌机上进行，在快速搅拌下(250r/min)向1000mL原水水样中加入一定量的碱式氯化铝(PAC)，继续快速搅拌1min后转入慢速搅拌(40r/min)15min，静置沉降20min后取上清液，测定水中的pH值、残余铝含量和浊度。实验中PAC投量采用水厂生产的最佳投加量1.80mg/L。在进行石灰最佳投加点试验时，石灰水投量采用水厂生产实际投加量6mg/L。在进行石灰最佳投加量试验时，石灰投加点采用前面试验确定的最佳投加点。
滤后水的pH值调控试验方法：取1L水厂出厂水水样，用氢氧化钠进行滴定，记录投加氢氧化钠的量和pH值的关系。
1.3分析方法
测定的水质参数有浊度、余铝和pH值，测定方法如下：浊度测定采用HACH1720E在线浊度仪，精度0.001NTU；残余铝含量的测定采用HACH2500分光光度计，试剂采用金黄色三甲酸法试剂；pH测定采用Orion230A+型pH计，精度0.01pH。
2.结果与讨论
2.1混凝阶段用石灰进行pH值调控优化
2.1.1石灰最佳投加点
在混凝剂(PAC)投加前及投加后的不同时间投入相同量(6mg/L)的澄清石灰水，进行六联搅拌烧杯试验。试验结果如图1所示：
图1表明：沉淀出水的浊度和余铝两项指标密切相关，石灰在PAC投加后1min后加入，沉淀后水的浊度和余铝均最低，石灰的最佳投加点既要满足絮凝沉淀效果的需要，又要确保沉淀池出水的铝含量处于最低范围，说明这就是最佳石灰投加点。
2.1.2石灰最佳投加量
石灰在PAC投加后1min后投加，进行不同石灰投加量的烧杯试验。试验结果如图2所示：
由图2可见，随着石灰投量的增加，沉淀后水的浊度和余铝先降低再升高。
当石灰投量为2.0mg/L时，沉淀后水浊度和余铝含量最低，因此2.0mg/L是试验水质条件下石灰最佳投加量，此时pH值为7.4左右，处于PAC最佳pH值范围；当石灰投量为6.0mg/L时，沉淀后水浊度低于3.5NTU，余铝低于0.15mg/L；当石灰投量继续增加至8.0mg/L时，浊度和余铝含量大幅度上升，浊度超过5.0NTU，余铝高于0.20mg/L。
因此石灰最佳投加量为2.0mg/L，此时沉淀后水pH值为7.41；为了控制浊度和余铝的含量，石灰的最大投加量宜控制在6.0mg/L以内，此时沉淀后水pH值为8.04。
以上结果可能原因是，石灰投量的变化，引起水pH值的变化，因为铝是两性金属元素，在偏酸性条件下，高聚态的聚合铝转化为带更多正电荷的络离子[Al8(OH)204+、Al1(3OH)345+]。这些粒子在加石灰后随着pH升高而不断生成Al(2OH)3，通过吸附架桥作用使脱稳的胶体颗粒生成较大的絮体颗粒。当pH值从6.9逐步增加至7.41时，吸附架桥的絮凝作用到达最佳状态，沉后浊度和余铝最低。继续加大石灰投量，部分Al(2OH)3逐步转化成偏铝酸盐AlO2-，失去架桥功能，沉后水浊度及余铝上升。所以在高pH值和低pH值时，处理后的水样中铝含量都较高而且出水浊度较高[4-5]。
2.2滤后水的pH值调控优化
根据某水厂运行情况，当混凝阶段石灰投加量为2.0mg/L时，其沉后水pH值为7.41，由于消毒剂投加、O3-GAC处理过程中产酸等因素，出厂水pH值仅在7.0左右，极端情况pH值尚不足6.5，达不到国标的相关要求，更无法满足水质化学稳定性的条件。解决这一问题最直接的办法就是在滤后水中投加碱剂调节出厂水的pH值。常用于调节pH值的碱剂有氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、石灰等。在试验水样pH为7.16时，投加不同种类、不同数量的碱剂，水样pH的变化见图3：
由图3可见，随着碱剂投加量的增加，水样的pH也不断增加。在相同投量的情况下，pH值的变化情况NaOH>Ca(OH)2>Na2CO3>NaHCO3。另外，由于石灰溶解度小、杂质较多，如果不经处理即投加在滤后水中，将影响出厂水的浊度。碳酸钠、碳酸氢钠价格相对较高也不适于在滤后水中投加。所以，氢氧化钠就成为调节出厂水的pH值的最佳碱剂。取该水厂滤后水，加入不同量的氢氧化钠进行pH值调控实验，结果如图4所示。
从图4可以看出：氢氧化钠调节出厂水pH值的效果较好，试验期间将1L出厂水的pH值从7.0调高至7.2，氢氧化钠仅需要0.016mmol，即0.64mg/L，投量不高，增加成本较少。根据实验期间的原水水质，如果考虑出厂水的化学稳定性，使稳定指数、饱和指数、侵蚀指数、碳酸钙沉淀势等指标都在可以接受的范围内，则需控制出厂水pH在8.0～8.5之间。此时，投加氢氧化钠的量约为0.04mmol，即1.6mg/L。
在图4曲线的中段，曲线的斜率明显加大，说明在此范围内的pH值变化较快。在水厂实际生产中，当出水的pH值控制在此范围时，氢氧化钠投量的控制比较困难，较易发生pH值的大幅度波动的现象。这是由于对于大多数水来说，含有具有一定的缓冲强度的碳酸盐类碱度。在不同的pH值范围内，重碳酸盐类的缓冲强度存在显著的差异。在等当点附近(pH值=3.8或pH值=8.3)，缓冲强度最低。
3.生产性试验
某水厂为臭氧活性炭处理工艺，生产中采用在絮凝池投加石灰的办法调节出厂水的pH值。由于加氯消毒及深度处理工艺大幅降低了水的pH值，水厂为了提高出水pH值，常常在混凝阶段投加过量的石灰，使混凝阶段pH值过高，产生絮凝效果下降、出水浊度升高、出水铝含量超标等问题。
通过对试验期间的沉后水水质分析，可知pH值是影响水厂沉淀后水浊度及余铝的重要因素，生产数据如图5所示。从图5可见，水厂沉淀后水的浊度、余铝两项指标与pH值密切相关，pH值上升，沉淀后水的浊度、余铝随之上升。其中，当pH值在8.5以下，沉淀后水余铝在0.2mg/L以下，当pH值在7.4时，沉淀后水余铝最低。
另外，进行了水厂的氢氧化钠生产性投加试验。采用浓度为30%的氢氧化钠溶液，通过隔膜计量泵投加至水厂清水池中段。试验测定氢氧化钠投加前后的pH值变化。每组投加量试验进行10d，结果取平均值。生产结果见表2。
由生产结果可以看出，在滤后水中投加氢氧化钠可有效提高出水的pH值。氢氧化钠投加量与小试试验基本相当，总体投量不高。以氢氧化钠价格3500元/t计，增加成本相对较少。
4.结论
通过研究南方某水厂pH的变化及调控规律，提出了合理可行的pH调控措施，为进一步提高水厂混凝沉淀效果、降低出水余铝含量及提高出水水质的化学稳定性提供了参考依据。主要结论如下：
(1)采用混凝阶段投加石灰、滤后水投加氢氧化钠的pH值调节方式，对改善混凝沉淀效果、降低出水余铝含量等方面，优于单点投加石灰的方式。
(2)混凝阶段石灰的最佳投加点为混凝剂后1min，最佳投加量为2.0mg/L，最大投加量宜控制在6.0mg/L以下。
(3)在前加石灰2.0mg/L条件下，滤后水投加氢氧化钠1.6mg/L左右，即可控制出厂水pH值在8.0～8.5之间，基本满足出水化学稳定性的要求。氢氧化钠的投加量不高，增加的成本较少。
相关参考
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