一种处理低温低浊水的混凝沉降剂的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种处理低温低浊水的混凝沉降剂，属于应用化学领域，尤其是指低温低浊水的混凝沉降处理药剂领域。由如下质量体积（mg/mL）比的原料组成：煤质活性炭粉末与氧化型聚合硅酸铝铁之比1:1～10:1。本突破常规铝盐、铁盐混凝剂的沉降效果受进水温度、悬浮物、浊度等因素影响较大的局限性，对于电厂、自来水厂、工业水（生活水、废水等）处理低温低浊水的处理提供高效、经济环保的混凝剂，不仅具有较高经济效益，也具有明显的社会效益。
【专利说明】一种处理低温低浊水的混凝沉降剂
【技术领域】
[0001]本发明属于应用化学领域，尤其是指低温低浊水的混凝沉降处理药剂领域。
【背景技术】
[0002]混凝沉降设备是工业水预处理的关键设备，目前采用混凝沉降设备处理低温低浊水(尤其是东三省)依然是水处理领域一个有待解决的课题，主要存在以下几个问题:(I)多采用单一的铝盐、铁盐混凝剂，导致澄清池、沉淀池运行出力低、出水水质不合格，尤其是出水用于生活饮用水时，单一铝盐会使自来水中引入过量的铝离子，产生二次污染(饮用水铝控制值为0.05~0.2mg/L)。(2)常用的混凝剂沉降性能差，絮凝反应时间长，容易引起后续系统混凝剂的胶体污染；(3)考虑到低温低浊水处理时存在的问题，在达到出水水质要求的前提下，设计单位通常采用加大设备处理额定的方式来保证企业正常用水水量，从而增加了预处理系统的占地面积和设备投资。(4)尤其对于用水量很大的热电联产电厂，混凝沉降设备出力不足或水质不合格很大程度上制约着水处理系统的安全、稳定运行，从而影响机组、热网补水，最终影响到用汽企业的生产和“暖房子”民生工程。(5)因水低温影响，铝盐的水解、扩散、絮凝过程及其絮凝体沉降速度均较慢，且由于进水浊度较低，混凝剂加药量过高致使铝盐水解产物随水流进入后续系统，在流速较低的区域(尤其是过滤器、超滤装置内部)发生析出污染，即铝盐的二次沉积污染。
[0003]采用常规混凝剂处理低温低浊水时，微小胶体以分散体系溶于水中，而且胶体颗粒比较均匀，胶体微粒具有很强的动力稳定性和凝聚稳定性，并且带负电的胶体微粒数量很小。所以，为达到电中和所需的混凝剂也很少，从而导致生成的絮凝体细、少、轻，难于沉淀，离子态的金属离子 容易穿透过滤器等非除盐装置。造成低温低浊水混凝处理效果不佳的原因主要体现在两个方面:
(I)低温的不利影响:水温较低，胶体颗粒的ξ电位较高，水的粘滞系数增大，胶体颗粒间的排斥势能较大，布朗运动动能减小，不利于颗粒碰撞、胶体颗粒脱稳，药剂加入后受低温影响聚合反应速度降低，水解产物的主要形态偏重于高电荷低聚合度，不利于在胶体颗粒间进行吸附架桥。
[0004]冬季胶体颗粒ξ电位是夏季的1.5~1.6倍，平均在_40mV左右，较高的ξ电位值导致胶体颗粒之间的排斥势能较大，因此低温低浊水的处理往往要加大混凝剂投量，以降低胶体颗粒I电位。同时水温较低时胶体的溶剂化作用增强，颗粒周围水化作用突出，水的粘度大而沉降速度减小，妨碍其凝聚。此外低温时气体的溶解度大，溶解气体大量吸附在絮凝体周围，使形成的絮凝体密度降低，也不利于其沉淀。
[0005](2)低浊的不利影响:低浊水由于固相浓度很小，分散相的面积较小。低温低浊水中除亲水性胶体外，还存在溶解性天然有机物，因此混凝剂首先与带电密度大的腐殖酸和富里酸作用，只有加大投药量使混凝剂中和了溶液中颗粒表面的天然有机物电荷后，才开始表现出架桥作用。并且，水中天然有机物还会在无机胶体颗粒表面形成有机保护层，造成颗粒间空间位阻或双电层排斥作用，使低温低浊水形成一个稳定的物系。这是常规的混凝工艺在处理稳定性低温低浊水时效率不高，即使增加混凝剂投量除浊效果也不理想的主要原因。李圭白等(1996)以高锰酸盐复合药剂(PPO)强化混凝技术处理低温低浊时期的松花江水。生产性试验结果表明该技术是有效的，与原有的单一聚合铝(PAC)混凝工艺相比，可显著降低沉淀后和过滤后水的剩余浊度，同时可节省混凝药剂费用，降低制水成本。1997年又探讨了高铁酸盐复合药剂的处理效果，并与硫酸铝混凝效果进行了对比。结果表明，高铁酸盐复合药剂可显著地提高对低温低浊水的处理效果，并且有良好的消毒作用。张建弟等(2003)经过多次实验证明，原水预加氯投加量在2~4mg/L时，对浊度去除有明显效果。分析及实验结果说明，强氧化剂的加入对色度、浊度、有机物有明显去除作用，强氧化性破坏了水中溶解性有机物如腐殖酸、富里酸等对胶体颗粒表面形成的保护层，增加了胶体极性，使胶体发生凝聚，因而发生聚沉。以上说明，强氧化剂的加入使胶体颗粒易被脱稳，形成的絮体尺寸相对较大、密实、沉降性好，对低温低浊水的处理有很好的助凝作用。
[0006]二氧化氯具有极好氧化性，其氧化能力是氯气的10倍，0.lmg/L的二氧化氯即可灭杀所有细菌和致病菌，具有杀菌、氧化能力不受温度和PH值(2~10)影响、反应产物无毒无味、良好的除臭脱色效果，且100mg/L的二氧化氯会人体没有任何影响等优点，因此是一种高效、广谱的氧化型消毒杀菌剂。
[0007]鉴于国内尚未开发研究出一种广泛适用于低温低浊水混凝沉降处理的高效、环保混凝剂。
【发明内容】
[0008]本发明提供一种处理低温低浊水的混凝沉降剂，以解决低温低浊水混凝处理效果不佳的问题。
[0009]本发明采取的技术方案是:由如下质量体积(mg/mL)比的原料组成:
煤质活性炭粉末与氧化型聚合硅酸铝铁之比1:1~10:1 ;
所述煤质活性炭粉末:粒径为0.325~0.42mm，表观密度0.55g/mL的煤质活性炭； 所述氧化型聚合硅酸铝铁是由如下方法制备的:
(1)氧化型聚合硅酸的制备:取SiO2含量为26.2%工业水玻璃溶液100g (36.4mL)稀释至SiO2浓度为2% (0.458mol/L)，溶液体积为467.8mL，采用共聚法制成活性硅酸，即固定二氧化硅含量，快速搅拌的条件下，用0.lmol/L盐酸调节其pH值为3.8，并加入2倍量经稀释的该水玻璃溶液体积、浓度20g/L的ClO2溶液，使得活性硅酸中含有13.3g/L的ClO2,在20°C~25°C下放置使之熟化、聚合6~8小时，制得淡蓝色胶状、总体积为1419mL、pH值3.8的氧化型聚合硅酸；
(2)氧化型聚合硅酸铝铁的制备:在20°C~25°C下，取50mL制得的氧化型聚合硅酸快速搅拌的条件下，依次加入的0.3mol/L的硫酸铝和硫酸铁，加入量分别为38mL、76mL，并采用0.lmol/L的NaOH调节碱化度至70%，制成总体积为173mL、70%碱化度、ClO2浓度为3.8g/L，硅、铁、铝摩尔比为1:1:0.5的氧化型聚合硅酸铝铁，以铁计、浓度为15.lg/L。
[0010]使用方法:包括将氧化型聚合硅酸铝铁加入待处理的低温低浊水中进行混凝沉降后，当在分离区的絮凝体颗粒直径为0.3~0.7_时，加入煤质活性炭粉末，直至处理结束。
[0011]本发明在常规铝盐、铁盐、活性硅酸等混凝剂的基础上，结合二氧化氯在各种pH值条件下能高效、快速地氧化降解有机物的特点制取氧化型聚合硅酸铝铁，并将其应用到低温低浊水的混凝沉降工艺中；同时辅以适量粒径范围的活性炭粉末，使得聚合硅酸铝铁(硅、铁、铝摩尔比为1:1:0.5)、二氧化氯、活性炭粉末三者发挥协同效应，从而使得低温低浊水处理时混凝沉降效果不佳的问题得到较好的解决。
[0012]本发明的优点是:在低温低浊水处理时，加入剂量较低、除浊性能好、形成的絮凝体密度较大、沉降较快，混凝处理出水浊度、金属离子均较低，尤其是能有效地氧化水中的有机物；与常规混凝药剂比较，出水水质得到大幅改善，完全满足后续水处理设备进水水质的要求，较好地解决了常规铝盐、铁盐等混凝剂在低温低浊水处理应用时，因受低温和低浊因素影响，混凝剂水解速度慢、水解中间产物多、絮凝体颗粒密度小、出水金属离子含量高等引起的混凝效果较差的问题。
[0013]具体反映在以下几个方面:
(I)氧化剂用于提高聚合硅酸铝铁中的三价铁含量，并直接强化混凝沉降处理。在制备氧化型聚合硅酸溶液时加入了 20g/L的二氧化氯溶液，保证了制得的活性硅酸有更高的聚合度且具有良好的氧化性能，从而使得聚合硅酸铝铁中铁离子基本上以三价形式存在，省略掉了二价铁氧化成三价铁的反应过程，从而缩短了絮凝反应时间，并且能更有效地发挥电中和、压缩胶体双电层结构、降低其ξ电位，同时氧化物质高效、快速地氧化水中的有机物，破坏了水中溶解性有机物对胶体颗粒表面形成的保护层，大幅增强了胶体物质的极性，从而使得胶体物质更容易发生快速的混凝反应，因此对水中的色度、浊度、有机物、胶体物质等去除作用更明显。
[0014](2)活性炭粉末粒径选择合适、加入时机恰当，有效增强了絮凝体沉降性能，从而大幅提升了混凝沉降效果。活性炭粉末加入在混凝沉降处理工艺中的第四阶段，即“形成的微小絮凝体成长阶段”，此处“药剂与水均匀混合过程”、“药剂水解过程”、“絮凝反应”等过程均已完成，活性炭粉末为微小絮凝体的长大提供了载体，当活性炭粒径与絮凝体粒径相当时，能够较好地与絮凝体相互吸附，增大了絮凝体的颗粒、密度，使絮凝体沉降时具有更好的抗干扰性，能够快速地自由沉降；另外活性炭能够有效地吸附水中的微小有机物、胶体，因此有助于提高有机物、胶体的去除效果。
[0015](3)有效地降低了混凝沉降出水微生物和细菌。二氧化氯溶液对微生物、有机物具有高效、持久的氧化能力，并且其反应产物无毒、无味，无需后续系统再采用消毒杀菌操作，因此减少预处理系统的设备和投资。
[0016] (4)协同作用明显，投加剂量少，出水金属离子含量低。活性炭粉末与氧化型聚合硅酸铝铁质量体积之比在1:1~10:1 (mg/mL)范围内，活性炭粉末、聚合硅酸铝铁、氧化剂三者协同效应作用很明显，即使处理低温低浊水时加入剂量也较低，能够大幅降低出水中铝、铁等金属离子含量，完全满足饮用水水质要求，同时使得混凝处理时运行成本较低。
[0017]本突破常规铝盐、铁盐混凝剂的沉降效果受进水温度、悬浮物、浊度等因素影响较大的局限性，对于电厂、自来水厂、工业水(生活水、废水等)处理低温低浊水的处理提供高效、经济环保的混凝剂，不仅具有较高经济效益，也具有明显的社会效益。
【具体实施方式】
[0018]本发明以下各实施例中氧化型聚合硅酸铝铁是由如下方法制备的:(1)氧化型聚合硅酸的制备:取SiO2含量为26.2%工业水玻璃溶液100g (36.4mL)稀释至SiO2浓度为2% (0.458mol/L)，溶液体积为467.8mL，采用共聚法制成活性硅酸，即固定二氧化硅含量，快速搅拌的条件下，用0.lmol/L盐酸调节其pH值为3.8，并加入2倍量经稀释的该水玻璃溶液体积、浓度20g/L的ClO2溶液，使得活性硅酸中含有13.3g/L的ClO2,在20°C~25°C下放置使之熟化、聚合6~8小时，制得淡蓝色胶状、总体积为1419mL、pH值3.8的氧化型聚合硅酸；
(2)氧化型聚合硅酸铝铁的制备:在20°C~25°C下，取50mL制得的氧化型聚合硅酸快速搅拌的条件下，依次加入的0.3mol/L的硫酸铝和硫酸铁，加入量分别为38mL、76mL，并采用0.lmol/L的NaOH调节碱化度至70%，制成总体积为173mL、70%碱化度、ClO2浓度为3.8g/L，硅、铁、铝摩尔比为1:1:0.5的氧化型聚合硅酸铝铁，以铁计、浓度为15.lg/L。
[0019]实施例1
由如下质量体积(mg/mL)比的原料组成:
煤质活性炭粉末与氧化型聚合硅酸铝铁之比1:1，
所述煤质活性炭粉末:粒径为0.325~0.42mm，表观密度0.55g/mL的煤质活性炭。
[0020]实施例2
由如下质量体积(mg/mL)比的原料组成:
煤质活性炭粉末与氧化型聚 合硅酸铝铁之比5:1 ;
所述煤质活性炭粉末:粒径为0.325~0.42mm，表观密度0.55g/mL的煤质活性炭。
[0021]实施例3
由如下质量体积(mg/mL)比的原料组成:
煤质活性炭粉末与氧化型聚合硅酸铝铁之比10:1 ;
所述煤质活性炭粉末:粒径为0.325~0.42mm，表观密度0.55g/mL的煤质活性炭。
[0022]下边通过试验进一步说明本发明。
[0023]实验用低温低浊水配制:配制浊度分别为5NTU、8NTU的两种试验水样，水的温度调节采用冰箱内的试验水样与室温下的试验水样混合，最终混合水样温度在4°C之间。
[0024]小型试验时间确定:为了使得水样与混凝剂混合后的药剂水解、絮凝反应、絮凝体长大、絮凝体沉降等过程与实际应用中澄清池(未按提升水量计算)、沉淀池中的时间尽量一致，因此在试验时，药剂混合时间、药剂水解、絮凝反应、絮凝体长大、絮凝体沉降时间分别取水在澄清池(未按提升水量计算)、沉淀池实际停留时间，第一类试验时间按机械搅拌澄清池(未按提升水量计算)确定，即药剂混合时间为0.5~lmin，快速搅拌(药剂水解、絮凝反应)时间为lOmin，慢速搅拌时间(絮凝体长大)15min、絮凝体沉降(分离时间)为40min ;第二类试验时间按斜板沉淀池确定，即药剂混合时间为0.5~lmin,快速搅拌(药剂水解、絮凝反应)时间为15min，慢速搅拌时间(絮凝体长大)8min、絮凝体沉降(分离时间)为40mino
[0025]活性碳粉末颗粒大小、加入时间确认:
试验选用煤质活性碳密度大，具有发达的空隙结构，良好的吸附性能，机械强度高，价格低，广泛应用于水处理行业，因此选用煤质活性碳，同时因煤质C型粉状活性碳对于水中的有机物、余氯、异味、色度均有较高的除去效果，同时能够较好地降低浊度，因此选用煤质C型粉状活性碳。[0026]炭粒径对于活性炭吸附性能的影响很大，减少炭粒径可提高活性炭与溶液的接触面积以加速传质，活性碳粉末粒径太小，炭粉中灰分含量过高且容易造成活性碳损失量增大；活性碳颗粒粒径太大，会引起在混凝沉降处理过程中吸附性能较差、单位质量的活性碳所起的絮凝核数量降低，因此试验主要考察粒径略大于活性碳粉末粒径为1.18~0.212mm范围内的活性碳。
[0027]根据技术要求选取一组相应的筛层(14目、18目、24目、32目、35目、45目、50目、70目)，按筛孔大小颇序排列安放在振筛机上，取表观密度为0.55g/mL活性炭粉末200mL，称其质量(称准至0.01g),轻轻倒入顶部筛上，盖好筛盖，扣紧全套筛子，启动振筛机并启动秒表，计时lOmin。从振筛机取下筛组，使用毛刷将留在每层筛子，取18目筛子(粒径分布为0.83~1.18mm),32目筛子(粒径分布为0.5~0.7mm),45目筛子(粒径分布为0.325~
0.42mm),70目(粒径分布为0.212~0.27mm)筛子的筛子上的活性碳颗粒，转入称量盘上进行称重(称准至0.01g)。
[0028]将四类粒径范围的活性碳分别称取20g于500mL烧杯中，加入200mL自来水，80r/min转速搅拌2min,停止3min, 40r/min转速搅拌2min,静置lOmin。按照《煤质颗粒活性碳试验方法漂浮率的测定》GB/T 7702.17测定四种活性碳的损失率。四类粒径范围的活性碳损失率测定结果为:粒径分布为0.83~1.18mm、0.5~0.7mm、0.325~0.42mm、0.212~
0.27mm的活性碳漂浮分别为0.11%,0.14%,0.18%,0.26%。为了提高活性碳粉末投入水中后吸附效果最佳，对加入时间进行了小型试验，见表1所示。
[0029]表1活性碳粉末颗粒加入时间试验
【权利要求】
1.一种处理低温低浊水的混凝沉降剂，其特征在于:由如下质量体积(mg/mL)比的原料组成: 煤质活性炭粉末与氧化型聚合硅酸铝铁之比1:1~10:1 ; 所述煤质活性炭粉末:粒径为0.325~0.42mm，表观密度0.55g/mL的煤质活性炭； 所述氧化型聚合硅酸铝铁是由如下方法制备的: (1)氧化型聚合硅酸的制备:取SiO2含量为26.2%工业水玻璃溶液100g (36.4mL)稀释至SiO2浓度为2% (0.458mol/L)，溶液体积为467.8mL，采用共聚法制成活性硅酸，即固定二氧化硅含量，快速搅拌的条件下，用0.lmol/L盐酸调节其pH值为3.8，并加入2倍量经稀释的该水玻璃溶液体积、浓度20g/L的ClO2溶液，使得活性硅酸中含有13.3g/L的ClO2,在20°C~25°C下放置使之熟化、聚合6~8小时，制得淡蓝色胶状、总体积为1419mL、pH值3.8的氧化型聚合硅酸； (2)氧化型聚合硅酸铝铁的制备:在20°C~25°C下，取50mL制得的氧化型聚合硅酸快速搅拌的条件下，依次加入的0.3mol/L的硫酸铝和硫酸铁，加入量分别为38mL、76mL，并采用0.lmol/L的NaOH调节碱化度至70%，制成总体积为173mL、70%碱化度、ClO2浓度为3.8g/L，硅、铁、铝摩尔比为1:1:0.5的氧化型聚合硅酸铝铁，以铁计、浓度为15.lg/L。
【文档编号】C02F1/52GK103663650SQ201310670205
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】张春波, 王久生, 孙天利, 张建新 申请人:吉林省电力科学研究院有限公司, 国网吉林省电力有限公司电力科学研究院, 国家电网公司