优化水或废水处理厂中的化学沉淀过程的方法

摘要

本发明涉及通过就地调节作为参数的一个的基于铝的促凝剂的碱度纯化水并且降低操作成本的方法，诸如在水或废水处理厂中纯化水。

说明书

发明领域

本发明涉及通过就地调节作为参数的一个的基于铝的促凝剂的碱度 纯化水并且降低操作成本的方法，诸如在水或废水处理厂中纯化水。

发明背景

铝盐(促凝剂)，诸如硫酸铝或氯化铝被用于将原水以及废水化学地沉 淀。三价铝离子盐在水中变为水解的并且形成如以下显示的难溶性氢氧化 铝沉淀：

Al³⁺+H₂O→Al(OH)₂⁺+H⁺

Al(OH)₂⁺+H₂O→Al(OH)₂⁺+H⁺

Al(OH)₂⁺+H₂O→Al(OH)_3(s)+H⁺

因为反应需要氢氧离子存在于水中，所以有时需要通过，例如给予氢 氧化钠或氢氧化钙来添加氢氧离子以达到5.5-6.5的最优的沉淀pH。在氢 氧化物沉淀之后，在水中形成促凝剂，该促凝剂吸附并且包住水中的可溶 的和不溶的有机物质以及颗粒。可以通过例如过滤、沉降或浮选从纯化的 水分离形成的沉淀(淤泥)。除了其他方面，由于经济原因，不期望添加比 获得纯化的水的可接受的质量所需的更多的促凝剂，而不花费太多的钱。

一个非无关紧要的因素是淤泥的量以及操作成本和除去材料的成本 随着促凝剂的增加的添加而增加。在一些情况下，多达40％的形成的干物 质的量可以包含沉淀的氢氧化铝。因此，优化沉淀过程对于环境的目的以 及经济的目的二者都是重要的。在化学沉淀中，可溶性有机物质的量在水 中被降低，这通常影响纯化的水的颜色。例如，这意味着，原水中的腐殖 质物质和来自纸浆厂的废水中其余的木素的减少导致水的颜色的减少。通 过化学沉淀也降低水的浊度。浊度由水中的颗粒引起，颗粒可以包括无机 物质诸如粘土、以及其他有机化合物诸如在生物学纯化之后剩下的细菌菌 落、乳化油或纤维。它们一起构成悬浮固体的量(SS-悬浮固体)。同时有机 部分与可溶性有机物质一起形成水中氧消耗物质的总量。有机碳的总量作 为TOC(TotalOrganicCarbon，总有机碳)被分析并且氧消耗物质作为COD (ChemicalOxygenDemand，化学需氧量)被分析。分析可以连续地和/或自 动地即使用在线传感器被进行。

在含有单体铝的水溶液中，可以产生具有氢氧化物桥(hydroxidebridge) 的络合物。随着提高的碱度，这些络合物获得根据下表的增加的电荷：

络合物Al₂(OH)₂⁴⁺具有链形式并且络合物Al₁₃O₄(OH)₂₄⁷⁺具有球形形 式。最后提及的那个可以被聚合成具有下式[Al₁₃O₄(OH)₂₄⁷⁺]_n的球体的链。

单体硫酸铝和氯化铝通过将包含铝的材料(诸如，氢氧化铝)溶解在酸 (即，分别地以化学计量的量的H₂SO₄、HCl)中来产生。增加的碱度通过使 用在溶解期间酸的缺乏来获得，这要求反应在增加的压力以及增加的温度 下发生。增加的碱度也可以通过将氢氧离子添加至单体硫酸铝或氯化铝溶 液来获得。

具有增加的碱度的硫酸铝通常被称为PAS(聚合硫酸铝)并且该氯化物 被称为PAC(聚合氯化铝)。

单体硫酸铝通常以具有约8％的Al量的颗粒形式被提供并且单体氯化 铝作为具有相同量的Al的溶液被提供。硫酸铝也可以以溶液被获得，但 Al量则为约4％。聚合的产物通常被提供为对于PAS具有约4％Al的量的 溶液并且对于PAC约8％。因此，与PAS相比，对于PAC，用于与Al含 量有关的运输的成本是较低的。如果不需要聚合的产物，最有成本效益的 可选物通常是以颗粒形式的硫酸铝，特别地如果消耗高时。

使用聚合的促凝剂(特别地PAC)具有增加的其市场份额，主要取决于 具有增加的碱度的铝络合物已经被发现相比于单体促凝剂更好地降低水 中的浊度。水中的颗粒(包括胶体)，如果通常带负电荷并且电荷的中和以 及凝聚通过高电荷的促凝剂促进。

凝聚也更迅速地发生并且氢氧化物促凝剂变得更大，这通常有利于促 凝剂分离过程，特别地在低水温下。对于具有高浊度的水，相比于相同的 或较高的剂量的另一种单体(Al-)促凝剂，通过使用聚合铝促凝剂达到较低 的浊度是可能的。碱度的程度是重要的，因为太高的碱度可以导致氢氧化 铝在促凝剂已经被分布在应该被沉淀的完整的水体积中之前沉淀，即它变 得太有反应性。高碱度的另一个缺点是，在许多情况下，可溶性有机化合 物的沉淀变得更差。如果正在处理具有随时间变化的含量的水，促凝剂的 碱度可以在未决条件之后被优化。一个实例是来自河的原水，其在暴雨之 后可包含大量的颗粒(高浊度)，并且在干旱期期间包含较低量的颗粒(低浊 度)但较高量的有机物质。另一个实例是来自纸浆厂和造纸厂的废水。在那 里，在废水中可溶性有机化合物的量取决于当时使用的原木材料。除了与 处理的水的量成比例地控制促凝剂的剂量之外，也常见的是由于排出的处 理过的水和/或进入的水的浊度而改变剂量。水的颜色或COD/TOC的含量 可以以相同的方式被用于控制剂量。

PAC和PAS的产生需要相对大的工艺设备的投入，由于如果这些工艺 基于酸的缺乏，这些工艺将引起增加的压力和温度。通过向单体Al溶液 添加氢氧离子增加碱度也是可能的。氢氧离子可以作为溶液或悬浮液被添 加。溶液或悬浮液稀释最终产物，即Al含量被降低并且运输成本被增加。 如果就地进行工艺，有些事是不重要的。如果作为生产者你已经在昂贵的 工艺设备方面进行了投入，那么相比于添加氢氧化物，使用较低的酸消耗 将变得更经济。因为生产被集中，所以碱度适于取决于使用者一般要求。 由于技术生产和后勤的原因，对于生产者在个体和直接消费者要求之后调 整碱度是不可能的。这意味着消费者仅可以通过改变促凝剂的剂量影响沉 淀的结果以满足杂质的程度的变化。

Mingquan等人，chemosphere71(2008)1665-1673d，公开了一项研究， 其中在水处理的领域中大量与凝聚有关的参数已经被研究。结论是促凝剂 的碱度、形态和剂量应该基于原水碱性被优化以增强天然有机物质(NOM) 的移除。

WO2004/005192公开了金属硫酸盐组合物和如何产生这样的组合物 的方法。该组合物可以在水的纯化中被使用。

因此，本发明的一个目的是提供一种方法，该方法引起来自例如水或 废水处理厂的水的增加的纯化。这通过在沉淀条件之后就地调节基于铝的 促凝剂的碱度来实现，这导致改进的纯度的程度和对环境较小的影响。这 也将是更经济的并且降低工厂中的操作成本，操作成本通常是关键参数。 通过使用就地方法，第一次可以以优化的方式关于碱度控制纯化系统，所 述优化的方式导致消耗较少量的促凝剂，这将降低对环境的压力以及降低 操作成本和淤泥产生。因此，提供了环境友好的方法。

发明概述

本发明涉及就地的方法，该方法调节基于铝的促凝剂的碱度并且优化 原水或废水处理厂中的化学沉淀过程。该方法可以以通过添加氢氧离子调 节碱度的方式来设计，所述氢氧离子被添加至促凝剂的溶液。碱度的调节 就地发生并且被设计成使得调节在从关于水的污染程度的测量获得的数 据上发生。这可以对进入和流出的水连续地和/或自动地进行，即使用在线 传感器。

在第一方面，本发明涉及通过调节基于铝的促凝剂的碱度优化水处理 厂或废水处理厂中的化学沉淀过程的方法，其特征在于通过添加氢氧离子 调节碱度，其中通过促凝剂的溶液添加氢氧离子并且调节就地发生，并且 调节基于从在线测量水的污染程度获得的储存的数据和/或调节基于在线 测量进入的未处理的水和/或流出的处理过的水的污染程度。

将更详细地描述本发明的另外的优点和目的，尤其参考附图。

附图简述

图1显示了就地方法的一般流程图。

图2显示了处理厂中安装的纯化方法。

发明详述

在本申请和本发明的上下文中，以下定义适用：

术语“碱度”被定义为如在以下表中定义的OH相对于Al的数目：

描述指的是图号1。根据本发明，将使用的设备优选地是工厂中已经 存在的设备，用于促凝剂溶液(1)的剂量，即已经被较早直接地添加到将被 化学地沉淀的水或废水的剂量。促凝剂溶液(1)包含铝盐，诸如单体硫酸铝 或氯化铝，可选择地具有低碱度的PAS(聚合硫酸铝)或PAC(聚合氯化铝) 溶液。上文已经描述了不同铝盐的化学性质。将溶液转移至反应罐(2)。将 包含OH离子的溶液或悬浮液(3)添加至反应罐。溶液/悬浮液包含，例如氢 氧化钠、氢氧化钙或氢氧化镁。最有效的氢氧化物来源是氢氧化镁。通过 添加作为氢氧化钠或氢氧化钙的氢氧离子以增加单体铝产品的碱度，可以 是困难的，由于这些是相当反应性的并且Al(OH)₃的沉淀容易发生。氢氧 化镁(K_sp1,5x10^-11)是较小反应性的并且因此远远更容易用作氢氧化物来 源。在本发明中可以使用氢氧化镁的悬浮液，可选择地氧化镁，所述氧化 镁在与水混合之后被水解为氢氧化镁。

OH离子的添加的量是受控制的使得它与期望的氢氧化物络合物的碱 度对应，所述氢氧化物络合物在溶液(1)和悬浮液(3)被混合且被允许彼此反 应时形成。借助于置于反应罐中的广泛的混合器(4)，溶液(1)和悬浮液(3) 的混合发生。将包含聚合的铝络合物的最终溶液(5)转移至处理厂，在处理 厂中将最终溶液与水(6)混合，所述水(6)需要通过化学沉淀来纯化。这如之 前那样在配备有强力混合器(8)的混合罐(7)中发生。在混合罐中形成微絮凝 物，所述微絮凝物在接下来的絮凝罐(9)中产生较大的絮凝物。通常，絮凝 罐配备有慢移动的絮凝混合器(10)。

使用者用现有技术选择随时间引起最好纯化结果以及关于促凝剂的 剂量(gAl/m³)的最低运行成本的促凝剂。由于那些原因，选择是单体的促 凝剂或具有某种碱度的促凝剂。手动地或自动地调节促凝剂的剂量，这取 决于纯化结果。为了得到纯化结果的快速且简单的指示，可以在絮凝物已 经被分离之后(上清液)连续地测量水中的颜色和/或浊度。纯化结果也可以 通过分析COD、TOC、颜色、浊度、Al以及磷酸盐来测量。这些测量的 结果也可以用对进入的水的测量来补充，对进入的水的测量可以对促凝剂 剂量是否应该被改变给出早期指示。因此，可以被改变以影响纯化结果的 唯一的参数是促凝剂的剂量。

本发明利用至少第二参数以控制促凝剂的碱度，即以受控制的方式就 地添加氢氧离子。因此，水的最佳纯化发生并且保持尽可能低的成本。

本发明的另外的优点是碱度不影响淤泥的产生，而促凝剂影响。淤泥 中增加的量的氢氧化铝还使得脱水更困难，这导致废物处置的成本增加。

可以分析进入的未处理的水以及流出的水二者，例如在线地以便能够 控制以及测量纯化效力并且从而控制纯化。来自分析的数据可以被储存并 且被用于调整未来的纯化过程。

水的温度可以纯化水，其可以与例如在温和的区域内的原水的纯化一 起发生。使得碱度在降低的水温下增加的沉淀过程的调整可以是有优势 的，即使温度的变化缓慢发生。

公开在本申请中的本发明的方法的调整取决于温度并且通常应该被 保持在约5.5至约6.5之间。

在计算操作成本之后，处理(脱水)的成本和淤泥处置的成本早期不是 主要因素，因为它通过必须使促凝剂的剂量适应对水应该是多纯的要求而 已经被调节。现在这可以用新的发明被最小化。处理过的水的纯度要求以 及不纯的水中污染物的百分比和污染物的类型引起对化学沉淀的不同要 求。这些变化仅通过调整促凝剂的剂量可能是难以满足的并且可以导致促 凝剂是过量的或获得更坏的纯化结果。因此，控制碱度是重要的并且就地 进行控制以便以高度控制的方式调节碱度是可能的。

计算机程序(其中引入用于氢氧化物、促凝剂和淤泥处置的使用者实际 成本)将给出在分别地增加的和降低的碱度之间相对于在分别地增加的和 降低的促凝剂的剂量之间的转化点在哪里出现的答案。满足纯化要求比操 作成本是更重要的。此外，这样的计算机程序可以处理来自测量污染物和 水温的数据并且因此调节碱度以及促凝剂的剂量使得获得最佳纯化结果。 因为不同的水通常具有特定的质量并且不同国家之间对处理过的水的要 求是不同的，所以被设定的与这些质量和纯化要求有关的经验的值必须被 包括在计算机程序内以能够使用这些信息来控制水的纯化的调节。

本发明给出了在化学沉淀下优化操作和降低环境负担以及降低操作 成本的不可预见的可能性。

以下的实施例被意图阐明但不以任何方式、形状或形式明确地或不明 确地限制本发明。

实施例

实施例1

将来自纸浆厂和造纸厂的废水化学沉淀

工厂每年产生约400,000吨纸浆。

废水的流量是约3,000m³/h。

出口的限制是100mgCOD/l和25mgSS/l。

纯化：预沉降、生物学处理和化学沉淀。

在生物学处理之后进入的量：220mgCOD/l；60mgSS/l。

测量进入的水中(15)和SS(16)的流量以及流出的纯化/处理过的水中 COD(17)和SS(17)的流量。来自流量测量装置的信号调节用于被储存在料 仓(1)中的硫酸铝(粉末/颗粒)的剂量的螺杆(3)，使得与流量成比例的剂量在 30-40gAl/m³间隔内发生。这意味着以3,000m³/h的流量的铝的剂量至多 是约120kg/h。在溶解罐(9)中，硫酸铝在搅拌期间被溶解在水中。水(5)的 供应是恒定的使得Al浓度不超过约4％，即通过流量计(7)测量的水供应是 约3m³/h。将硫酸铝溶液以向下的斜坡引入到反应罐(11)。在30-40gAl/m³间隔内，剂量应该通过测量(水的流出的澄清相)上清液的COD的在线传感 器(17)来控制。如果COD的量增加并且接近100mg/l，那么增加Al剂量， 并且如果该量是降低的，那么发生剂量的降低使得维持95mg/l的平均 COD，同时不超过100mg/1的极限。氢氧化镁被储存在料仓(2)中并且用 剂量螺杆(4)被施用到配备有混合器的浆料制备罐(10)。碱度被从0-50％调 节，即在50％的碱度和120kg/h的铝的量之后计算最大的氢氧化镁剂量。 这给出约200kg/h的最大的氢氧化镁消耗。浆料罐中最大的氢氧化镁浓度 将是约30％并且基于此计算水供应(6)。水向浆料罐的供应(其用流量计(8) 测量)将是恒定的并且是约500l/h。将浆料从制备罐以向下的斜坡转移至反 应罐(11)。因此，流体的总量，即至反应罐的硫酸铝溶液和氢氧化镁浆料 的总量，是几乎恒定的并且是3.5m³/h。在反应罐中溶液和浆料被混合， 被允许借助于混合器反应。在被分成多个盒子的罐中，理论反应时间是约 1h。这意味着反应罐总体积是约3.5m³。从开始是牛奶色的混合物在聚合 发生之后将变成澄清的，(如果有微量的杂质，诸如石灰或铁，这可以导致 溶液仍旧是浑浊的。促凝剂从反应罐随着向下的斜坡被运输至沉淀厂强力 混合罐(18)，在沉淀厂强力混合罐(18)中促凝剂与进入的污水(13)混合。在 此罐中形成微絮凝物。这些在以下絮凝罐(19)中形成并扩大。将絮凝的水 引至沉降罐(21)，在沉降罐中分离絮凝物并且产生底部淤泥(20)。同时将(澄 清的水相)上清液从沉降表面(14)转移至容器。通过流出的纯化的水(上清液) 中以及进入的水(16)上的在线传感器(17)测量SS的程度。所测量的SS的 程度调节氢氧化镁的剂量，即在给定的间隔0-50％内的碱度。因此，如果 进入的水中SS的程度被增加，那么碱度被增加并且反之亦然。借助于储 存的经验数据发生碱度的改变。如果这不导致所预期的，将借助于上清液 中SS测量发生碱度的修正。所预期的效果应该被理解为在上清液中SS的 程度将在平均20mg/l，但一定不超过25mg/l。测量进入的水的原因是由 于能够补偿在凝聚和沉降之后，在澄清的水相(上清液)中可以测量SS(和 COD)的程度之前存在的时间上的延迟。在可以检测氢氧化镁的剂量的变化 和获得完整效果之前聚合反应进行约一小时。