石灰在处理水库水中的助凝作用

Posted 2023-01-12 石灰

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采用烧碱与石灰投加的对比方法，对石灰在水库水处理中的助凝作用进行了实验室和生产性试验。结果表明，石灰具有提高水的pH和助凝双重作用，能有效降低水体浊度，助凝效果优于烧碱。应用于实际生产后，可以将出厂水浊度控制在0.04NTU左右，pH控制在7.2左右，达到浙江省现代化水厂的标准要求。
如今，已经有很多自来水厂以水库水为水源。水库水具有低温、低浊度、pH偏低等特点。国内许多以水库水为水源的水厂相继采用加碱的方法来调节水体的pH，应用比较多的是石灰和NaOH。其中石灰一般是粉体，而烧碱可以是采用固体或质量分数30%的液体。许多水厂起初是投加烧碱来调节pH，但后来发现使用烧碱投加量大、成本高，也不安全。一些投加石灰的水厂，发现石灰既能提高pH，又能改善混凝沉淀效果，而且提高了出厂水的化学稳定性，减少了管网黄水现象的发生，但存在着反应杂质较多易造成管道和泵堵塞、投加不方便等问题。
目前，国内已有石灰生产厂家生产的石灰具有涉及饮用水卫生安全的卫生许可证，Ca(OH)2的质量分数大于95%，杂质含量少，解决了石灰投加反应后杂质多造成管道、泵堵塞的问题；石灰投加系统的应用也解决了以往人工投加石灰困难的问题。所以在加碱的水处理技术中，水厂用石灰取代烧碱投加将越来越普遍。
浙江省是国内最早提出现代化水厂标准(pH=7.0～8.5)的省份。黄岩水厂之水取自长潭水库，pH常年低于7.0。为达到现代化水厂标准，水厂拟选择投加石灰来提高出厂水的pH，并改善混凝沉淀效果。因此进行烧碱和石灰对水处理的效果对比试验(实验室试验和现场实际2种方式)。
1试验部分
1.1试剂与仪器
试剂：石灰，Ca(OH)2的质量分数≥95%，游离H2O和酸不溶物的质量分数分别≤1.0%和0.3%，使用时配制成质量分数1%的水溶液；烧碱，NaOH的质量分数≥30%，碳酸钠、氯化钠和三氧化二铁的质量分数分别≤0.4%、4.7%和0.005%，使用时配制成质量分数1%的水溶液；聚合氯化铝(PAC)，溶液质量分数为1%。
仪器：8362sc高纯水用pH分析仪，JJ-4六联电动搅拌器，ACCU4/T53低量程浊度分析仪。
1.2石灰作用机理
投加石灰的主要作用是调节水体的pH，同时石灰对水体中的胶体微粒能起助凝作用。作为颗粒核增重剂，石灰具有加速不溶物的沉淀分离、提高改善混凝沉淀效果、增加水体的化学稳定性的作用。
助凝剂用于调节或改善混凝条件，目前水厂内常用的助凝剂有骨胶、石灰、聚丙烯酰胺及其水解产物、活化硅酸、海藻酸钠等。从广义上讲，凡能提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂都可以称为助凝剂，当原水碱度不足而使铝盐混凝剂水解困难时，可投加碱性物质以促进混凝剂水解反应。
1.3试验方法
在6个盛有1L原水的烧杯中分别投加一定质量分数的助凝剂(石灰、烧碱)溶液，测定pH；用搅拌器以50r.min-1的速度搅拌30s。然后在6个烧杯中分别投加一定质量分数的混凝剂(PAC、硫酸铝)溶液，按照设定程序进行搅拌试验；搅拌结束后，测定沉淀后水的浊度。
1.4分析方法
浊度是对水体中存在细微、分散的悬浮颗粒而使其透明度降低的一种度量，因此根据处理后水体的浊度大小，在一定程度上间接反映出石灰对自来水的助凝效果。
2结果与讨论
2.1试验室试验
分别进行了4种不同的投加石灰和烧碱溶液及混凝剂的组合试验，试验条件及原水参数见表1，试验结果及对比见图1。

由图1可以看出，试验1和2中，1#和2#杯的的浊度都比较高，但烧碱的效果要优于石灰，这是因为混凝剂PAC的量偏小，影响混凝效果，而石灰的悬浮颗粒造成浊度偏高；而3#、4#、5#和6#杯的浊度都比较低，石灰的效果要优于烧碱，这是因为混凝剂足够时，石灰的悬浮颗粒增加了混凝剂水解产物的凝结中心，提高颗粒碰撞速率并增加絮凝体密度，提高了混凝效果。试验2和试验3比较，石灰和硫酸铝在处理低温低浊水的效果优于石灰和PAC投加效果。试验4中，混凝剂PAC量不够和过量时，效果均不佳，适量投加时，出水浊度效果较好，但比不上再投加石灰和烧碱后的效果。
从试验室试验数据来看，石灰和烧碱在处理低温低浊水方面，都起到了提高pH和助凝的双重作用。在助凝方面，烧碱通过提高pH使絮凝剂更有效发挥作用；而石灰不仅利用提高pH的方式使絮凝剂作用更有效，其悬浮颗粒起到聚凝核心的作用，增加颗粒碰撞速率，增加絮凝体密度，加速不溶物的沉淀分离，提高混凝效果。而且采用石灰和硫酸铝投加，能进一步降低水的浊度。硫酸铝作混凝剂去除浊度时，合适的pH范围为6.5～7.5。
2.2生产性试验对比
实验室试验和生产情况有些不同，如生产中先为液氯投加，而实验室投加液氯较困难，因此有必要进行生产性试验。投加点为原石灰投加点，烧碱为食品级(NaOH的质量分数96%)，投加后使反应池水体pH控制在8.4左右，混凝剂PAC投加量不变。原水情况：浊度1.89NTU左右(均小于2NTU)，温度12℃，pH为6.68左右。
经过半个月的试验，结果如表2所示。

由表2可知，提高原水的pH，有助于提高PAC在低浊度水中的混凝效果，这一点烧碱和石灰的作用基本相同。但在相同的条件下，在处理低温低浊水中，石灰的助凝效果要优于烧碱，能更进一步降低水的浊度。在成本方面，省内某水厂作过这方面的试验，烧碱的用量是石灰用量的2～2.4倍，且与投加烧碱相比，投加石灰能大幅度降低水厂制水成本，更具经济效益。
3实际运行情况
水厂在运行初期，石灰投加设备未使用，此时单独投加混凝剂PAC，沉淀后浊度都是大于1.0NTU，出厂水的pH一般在6.5～6.8。2007年，在原水低于2.0NTU、单独投加混凝剂PAC的情况下，PAC平均投加量为4.5g.t-1，沉淀后出水浊度控制1.0NTU左右；2008年石灰稳定投加后，PAC平均投加量为3.6g.t-1，石灰平均投加量为3.92g.t-1，沉后水浊度控制0.35NTU以下。药剂投加流程如图2所示。

通过在原水进入反应池之前的管道上投加药剂，发现原水的pH对絮凝效果影响非常显著，具体见表3。

目前将原水的pH控制在8.4左右，折板反应池的矾花效果明显提高，基本能稳定地将沉淀池出水的浊度控制在0.35NTU以下，出厂水浊度控制在0.04NTU左右，出厂水的pH控制在7.2左右。
4结论
石灰和烧碱在处理低温低浊水方面，都起到了提高pH和助凝的双重作用。由此可见石灰助凝效果更佳，而且沉淀时间更短。在生产试验中，石灰投加量要比烧碱少，价格也相对较低，可以节约1/2左右的成本，更具经济效益。实际出厂水浊度控制在0.04NTU左右、pH控制在7.2左右，达到浙江省现代化水厂的标准。
在没有加碱工艺之前，一般在水库水(偏酸性，浙江东南片)处理中大部分选用PAC作为混凝剂，在江河水(偏碱性，浙江西北片)处理中基本选用硫酸铝作为混凝剂，这是因为PAC要比硫酸铝具有更宽的pH适用范围，更能适应低pH的水库水处理。但在投加石灰之后，改善了水库水的pH后，硫酸铝-石灰投加在降低出水的浊度方面的效果要优于PAC-石灰投加。考虑到水库水属于低温水，投加的硫酸铝效果容易受温度变化的影响，所以水厂在絮凝剂的选择上如何做到更经济，更有效，这还有待进一步研究。