CN111712467A

CN111712467A - 优化水处理厂和废水处理厂中的化学沉淀过程的方法

Info

Publication number: CN111712467A
Application number: CN201980013091.3A
Authority: CN
Inventors: 大卫·乌尔默特
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2020-09-25
Also published as: US20200407250A1; EP3752465A1; SE542816C2; CA3091117A1; SE1800035A1; EP3752465A4; US11708282B2; WO2019156621A1

Abstract

本发明涉及一种使用铝基凝结剂优化水处理厂和废水处理厂中的化学沉淀过程的方法，其中，至少基于在线测量未处理的进水和/或清水相的污染程度、pH值、流量和温度，通过现场调节沉淀pH值、所述沉淀过程中使用的凝结剂的量和凝结剂的碱度来获得优化，所述优化包括沉淀和污泥分离后清水相的污染程度、操作成本和污泥产生，其特征在于，通过向聚合铝基凝结剂(A)的原液中现场加入比所述原液中的聚合铝基凝结剂(A)碱度低的酸或铝基凝结剂(B)溶液来调节所述凝结剂的碱度。

Description

优化水处理厂和废水处理厂中的化学沉淀过程的方法

技术领域

本发明涉及一种根据独立权利要求的前序部分在水处理厂和废水处理厂中使用铝基凝结剂在化学沉淀过程中现场优化凝结剂剂量(量)和碱度两者的方法。

背景技术

铝盐(凝结剂)、例如硫酸铝和氯化铝用于通过化学沉淀纯化原水和废水。该盐的三价铝离子在水中水解，并根据以下形成难溶的氢氧化铝沉淀：

Al³⁺+OH^-＝Al(OH)²⁺

Al(OH)²⁺+OH^-＝Al(OH)₂ ⁺

Al(OH)²⁺+OH^-＝Al(OH)₃(s)

由于反应需要在水中存在氢氧根离子，因此如果适用，可能有必要通过例如添加氢氧化钠或氢氧化钙来添加氢氧根离子，以获得5.5-6.5的最佳沉淀pH值。在氢氧化物沉淀过程中，在水中形成了絮凝物，这些絮凝物将溶解的和未溶解的有机物质和颗粒吸附并封闭在水中。可以通过例如过滤、沉淀或浮选将形成的沉淀物(污泥)与纯水分离。由于经济原因等，您不想添加超出获得可接受质量的纯水所需的凝结剂。一个重要的因素也是污泥量随凝结剂添加量的增加而增加，随之而来的是处理成本和处置成本。在某些情况下，所形成的干物质量的40％可能由沉淀的氢氧化铝组成。因此，优化沉淀过程至关重要。在化学沉淀过程中，水中溶解有机物的量减少通常会影响纯水的颜色。因此，减少来自制浆厂的例如原水中的腐殖质和废水中的木质素残留物意味着减少水中的颜色。水的浊度也因化学沉淀而降低。浊度是由水中的颗粒引起的，这些颗粒可能由无机物质(例如粘土)组成，也可能由有机化合物(例如生物纯化后残留的细菌积累、乳化油或纤维)组成。它们一起构成了悬浮固体(SS-悬浮固体)的量，而有机部分与溶解的有机物质一起构成了水中耗氧物质的总量。将有机碳的总量分析为TOC(总有机碳)，而将耗氧物质分析为COD(化学需氧量)。

这些分析可以在线进行。

在单体铝溶液的水溶液中，可以形成具有氢氧化物桥的复合物。随着碱度的增加，这些复合物的电荷增加，如下表所示：

复合物Al2(OH)₂ ⁴⁺具有链形，而复合物Al₁₃O₄(OH)₂₄ ⁷⁺具有球形。后者可以聚合成式[Al₁₃O₄(OH)₂₄ ⁷⁺]_n的球链。

单体硫酸铝和氯化铝是通过将化学计量的含铝材料(例如氢氧化铝)分别溶解在酸(即H₂SO₄和HCl)中制成的。可以通过在溶解过程中使用不足的酸来增加碱度，于是这需要在升高的压力和温度下进行反应。通过向单体硫酸铝或氯化铝溶液中加入氢氧根离子，也可以提高碱度。具有较高碱度的硫酸铝通常称为PAS(聚硫酸铝)，而氯化物通常称为PAC(聚氯化铝)。单体硫酸铝通常以颗粒形式提供，其铝含量约为8％，而单体氯化铝溶液的铝含量相同。也可以在溶液中获得硫酸铝，但是铝含量通常约为4％。聚合产品通常以溶液形式提供，然后PAS含约4％Al，PAC含约8％Al。因此，PAC中与Al含量有关的运输成本低于PAS。如果您不认为自己需要聚合的产品，则颗粒状的硫酸铝通常是最具成本效益的替代方法，尤其是在消耗量较高的情况下。

聚合凝结剂(在这种情况下主要是PAC)的使用增加了其市场份额，这主要是因为与单体凝结剂相比，已发现碱度更高且由此电荷增加的铝复合物可以降低水中的浊度。颗粒(包括胶体)通常带负电，因此通过高电荷的凝结剂可促进电荷中和及凝结。絮凝物的形成也更快，氢氧化物絮凝物变大，这通常有利于絮凝分离过程，特别是在低水温下。因此，与相同或更高剂量的单体铝凝结剂相比，在高浊度的水中使用聚铝凝结剂通常可以降低浊度。然而，碱度具有最佳值，因为过高的碱度可能导致在凝结剂已分布在待沉淀的整个水团中之前，氢氧化铝沉淀，即它变得太活泼。高碱度的另一个缺点是溶解的有机化合物的沉淀变差。

因此，如果您的水的成分随时间变化，则可能需要根据当前条件优化凝结剂的碱度。这样的一个示例是河流的原水，在大雨期间可能会含有大量的颗粒(高浊度)，而在干燥时期则含有较少量的颗粒(低浊度)但有机物含量较高。另一个示例是纸浆厂的废水。废水中溶解的有机污染物的含量可能取决于目前使用的森林原料。除了与处理水量成比例地控制凝结剂的剂量外，通常还基于流出的处理水和/或流入的水的浊度来改变剂量。以相同的方式，COD/TOC含量的水的颜色可用于控制剂量。

PAC和PAS的生产需要在工艺设备上进行相对大的投资，因为如果这些工艺基于不足的酸，那么它们将在高压和高温下进行。通过添加氢氧根离子也可以增加碱度。然后必须将它们以溶液或悬浮液的形式添加。溶液或悬浮液稀释最终产物，即Al含量降低并且运输成本增加，如果该过程在现场进行，则影响不重要。如果您作为生产商已经投资购买昂贵的工艺设备，则使用酸的消耗量比添加氢氧化物还便宜。由于生产是集中式的，因此碱度可以适应用户的一般需求。此外，由于生产技术和后勤原因，生产者不可能根据单个用户的即时需求来调整碱度。这意味着用户只能通过改变凝结剂的剂量以抵消污染程度的变化来影响沉淀结果。

瑞典专利536998C2描述了一种通过向单体铝盐中添加氢氧根离子来现场调节碱度的方法。该方法适用于使用颗粒状硫酸铝的工厂，以及已经投资用于储存产品的料仓厂。同样，如果可以将廉价的石灰用作氢氧化物源，则该方法是有利的，但是这也需要进入用于储存石灰的料仓。因此，该方法适合于大量使用促凝剂的工厂。对于较小的工厂，仍然需要其他方法。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种方法，该方法通过调节沉淀pH、凝结剂剂量和凝结剂碱度来使得提高提纯程度、降低操作成本和减少污泥产生，并且该方法适用于较小的工厂。

上述和其他目的是通过根据独立权利要求的方法实现的。

因此，本发明涉及一种使用聚铝基凝结剂优化水处理厂和废水处理厂中的化学沉淀过程的方法。

因此，该方法包括使用铝基凝结剂优化水处理厂和废水处理厂中的化学沉淀过程，其中，至少基于在线测量未处理的进水和/或清水相的污染程度、pH值、流量和温度，通过现场调节沉淀pH值、沉淀过程中使用的凝结剂的量(每立方米化学沉淀水)和凝结剂的碱度来获得优化，该优化包括沉淀和污泥分离后清水相的污染程度、操作成本和污泥产生，其特征在于，通过向聚合铝基凝结剂(A)的原液中现场加入比原液中的聚合铝基凝结剂(A)碱度低的酸或铝基凝结剂(B)溶液来调节凝结剂的碱度，以便以此方式现场获得用于沉淀过程中的铝基凝结剂。

在第二实施方式中，控制系统包括具有自适应功能的算法，其中使用了在不同污染含量(即污染程度)和流量下储存的控制数据。

在第三实施方式中，气象数据被用来抵消由于在连接到处理厂的集水区中的大量降水和/或融雪导致的水力负荷增加而引起的负面处理效果。

在另一个实施方式中，将流出的化学处理水中的结合磷和游离磷之间的差异用于优化铝的剂量和碱度。

附图说明

图1描述了根据本发明的设备和方法的实施方式。

具体实施方式

该描述参考图1。如果可能的话，并且根据本发明，使用用于计量PAC或PAS的现有设备(1)，即较早直接对待化学沉淀的水或废水进行的计量。

将含有PAC或PAS的原液(1)引入反应容器(2)。将碱度比原液(1)低的单体铝盐溶液或PAS或PAC溶液(3)添加(3)到反应容器中。调节溶液(1)和(3)之间的比例，以使反应容器中的混合物获得所需的碱度。使用放置在反应容器中的强力搅拌器(4)进行混合。此后，将具有所需碱度的现已形成的凝结剂引入处理厂，以便最终与待通过化学沉淀法纯化的水(5和6)混合。通常，这是在设有强力搅拌器(8)的混合罐(7)中完成的。在该罐中形成微絮凝物，其在随后的絮凝罐(9)中发展成较大的絮凝物。絮凝罐通常设有缓慢移动的絮凝搅拌器(10)。

使用当前技术，用户可以选择一种凝结剂，该凝结剂可以根据经验提供与凝结剂剂量(g Al/m³)有关的最佳纯化效果(和最低的操作成本)。基于该原因，您选择的凝结剂可以是单体的或可以具有一定的碱度。取决于纯化结果，可以手动或自动调节凝结剂的剂量。为了快速、简单地指示纯化结果，您可以在絮凝物分离后连续测量水中的颜色和/或浊度。纯化结果也可以通过分析COD或TOC来测量。这些测量结果也可以通过对进水进行测量来补充，这可以早期指示可能需要调整凝结剂的剂量。因此，凝结剂剂量是您可以改变以影响纯化结果的唯一参数。

因此，引入第二可变参数是有利的：凝结剂的碱度。如前所述，在相同或较低的凝结剂剂量下，增加的碱度通常会降低浊度，但更糟的是降低溶解有机物的能力。进一步有利的是，碱度不像凝结剂那样有助于污泥的产生。污泥中氢氧化铝含量的增加进一步使脱水更加困难，这导致处理成本的增加。

水温可能会影响凝结剂的剂量，就像在温和气候区处理原水时可能发生的那样。

即使温度变化经常缓慢，控制沉淀过程以使碱度随水温下降而增加可能是有利的。在计算操作成本时，污泥的处理(脱水)和处置成本早已不是主要因素，因为这主要是由根据设定的纯化要求调整凝结剂剂量来控制的。

处理水的纯化要求以及未处理水中的污染程度和污染物类型对化学沉淀提出了不同的要求。这些变化仅通过调节凝结剂的剂量可能很难满足，并且可能导致凝结剂的剂量过大或纯化效果差。

每种水都有特定的絮凝特性，对处理后的水的要求也不同。

本发明与瑞典专利536998C2的不同之处在于，将碱度为A％的PAS或PAC溶液中的碱度与酸或单体硫酸铝/氯化铝、或比溶液(A)碱度低的PAS或PAC(B％)混合。如果使用酸或单体铝盐，则混合物的碱度(C％)可以在0<C<A的间隔内调节。如果使用碱度为D％的PAS或PAC，则可以在D<C<A的间隔内调节。

因此，本发明提供了一种方法，该方法一方面需要较少的投资，另一方面可以简单地构成对那些由于不同原因已选择或计划使用PAC的人们的补充。反应速度比使用氢氧化物快得多，因此整个工厂的投资会减少，这意味着罐、管道等的体积会变得更小且更便宜。因为在根据本发明的方法中仅使用液体产品，所以简单廉价的储罐可以代替昂贵的料仓厂。

该方法还不会产生石灰/硫酸铝的组合产生的在管道和罐表面石灰沉淀(结垢)的问题。

优化包括沉淀和污泥分离后清水相的污染程度、操作成本和污泥产生。

因此，优化的目的是在清水相中以一定(剩余)污染程度获得可能最低的运行成本和污泥产生。

术语“现场”应理解为在处理厂的地方。因此，该术语不包括在铝基凝结剂的生产商处发生的铝基凝结剂的生产和碱度调节。

沉淀pH、沉淀过程中使用的凝结剂量和凝结剂碱度的调节是基于至少对未经处理的进水和/或清水相的污染程度、pH、流量和温度的在线测量而进行的。

沉淀pH、沉淀过程中使用的凝结剂量和凝结剂碱度的调节还可以是基于聚合铝基凝结剂(A)原液的成本、沉淀过程中形成的污泥、流出的化学沉淀水中结合磷和游离磷的含量、以及气象数据(包括与处理厂相连的集水区的降水和/或积雪信息)中的一种或多种。

用于执行根据本发明的方法的控制系统可以包括：

-传感器，用于至少在线测量化学沉淀过程的未经处理的进水和/或化学沉淀过程后的清水相的污染程度、pH、流量和温度，

-第一组可控制泵和/或可控制阀，其配置为将凝结剂(A)(1)和酸或凝结剂(B)(3)添加到反应容器或罐(2)中，

-诸如管道的装置，使(5)来自反应容器(2)的铝基凝结剂与待在水处理厂或废水处理厂中通过化学沉淀法处理的水(6)接触，

-pH调节装置，例如包含酸和/或碱的储罐和第二组可控泵和/或阀，其配置成将所述酸和/或碱提供给所述混合罐(7)和/或絮凝罐(9)，用于调节沉淀pH，以及

-控制计算机，其配置为：

–基于从所述传感器获得的在线测量，通过控制所述第一和第二组可控泵和/或可控阀，从而调节沉淀pH、化学沉淀过程中使用的铝基凝结剂(5)的量以及铝基凝结剂的碱度，

以便：

-优化化学沉淀过程，其中优化包括沉淀和污泥分离后清澈水相的污染程度、操作成本和污泥产生。

铝基凝结剂(B)可以是单体的(碱度＝0％)或聚合的(碱度>0％)

在沉淀过程中使用的铝基凝结剂最好在从原液形成后立即使用，但也可以储存起来以备后用。

优选地，聚合的铝基凝结剂(A)具有≥20％的碱度。

如果原液包含碱度可高达80％的聚铝盐，则碱度可在0至80％的间隔内调节，该间隔大于将氢氧化物添加至单体凝结剂，其上限最多可达到约55％。

进水对化学步骤(沉淀过程)的污染程度的变化与其对输出化学纯水的影响之间的响应时间随水流量而变化。

为了对此进行补偿，根据本发明，控制调节的算法是自适应的，因此在进水的污染程度和流量改变的情况下，首先根据存储的数据调节铝剂量(所使用的铝基凝结剂的量)及其碱度。这些数据包括先进行的优化(第一优化)，该优化是在流入和流出的化学沉淀水中的污染程度相似或相同的情况下进行的，然后是当前流量。考虑到响应时间(可以根据在当前流量下化学沉淀过程中的停留时间来计算)，然后根据在响应时间后从流出的处理水中获得的污染程度对碱度和铝剂量进行最终调整(第二优化)。

使用预警系统来预测纯化结果可能会受到水力负荷增加的影响，因此您需要使用气象数据，该数据表明与处理厂相连的集水区出现大量降水和/或积雪。

因此，第三实施方式中的方法可以使用气象数据来防止在化学步骤中由于连接到处理设备的集水区中的大量降水和/或积雪融化而引起的水力负荷增加的负面处理效果。

在许多情况下，化学沉淀是处理过程中必要的步骤，用于在处理工业和市政废水时限制磷的排放。

然后，您可以利用三价铁或铝离子与难溶性磷酸盐化合物中的磷结合的能力。如果分析了进水中溶解的磷酸盐含量，则可以与分析的磷酸盐量成比例地控制金属离子的剂量。凝结剂的碱度在此没有意义，因为它不影响化学结合。尽管凝结剂的剂量最佳，但磷仍可能从结合在颗粒中的化学沉淀步骤中排出。以下是一个说明性示例：暴雨导致市政污水处理厂的流量增加。在冲洗装置的第一个阶段中，随着液压负荷的增加，磷含量和悬浮在水中的颗粒物数量同时增加。为了化学结合增加含量的溶解磷，应增加凝结剂的剂量，而同时增加悬浮物的量和增加的水力负荷也必须增加碱度。一旦冲洗了装置，就清除了磷含量，并减少了悬浮物的数量，而保持或增加了液压负载。

较低的磷含量要求减少铝的用量，而碱度应保持在较高水平，以抵消水力负荷增加经常导致的絮凝物分离不良。这突出了分析这些溶解和结合的磷以及基于这些测量值控制AL剂量和碱度的重要性。

因此，在第四实施方式中，控制系统在优化Al剂量、即铝基凝结剂的量及其碱度时，也考虑到了流出的化学物沉淀水中的结合磷和游离磷含量的差异有多大。

在此，溶解的磷的含量基本上控制了沉淀过程中所用凝结剂的量，而结合的P(磷)的含量基本上控制了凝结剂的碱度。

在进一步的实施方式中，酸是HCl或H₂SO₄。

在这些实施方式中，如果聚合的铝基凝结剂(A)是聚合的氯化铝，则酸可以是HCl，而如果聚合的铝基凝结剂(A)是聚合的硫酸铝，则酸可以是H₂SO₄。

在某些实施方式中，铝基凝结剂(B)具有以％表示的碱度，其大于0％且低于聚合的铝基凝结剂(A)的碱度。

在其他实施方式中，铝基凝结剂(B)是单体铝基凝结剂，并且具有0％的碱度。

Claims

1.一种使用铝基凝结剂优化水处理厂和废水处理厂中的化学沉淀过程的方法，其中，至少基于在线测量未处理的进水和/或清水相的污染程度、pH值、流量和温度，通过现场调节沉淀pH值、所述沉淀过程中使用的凝结剂的量和凝结剂的碱度来获得优化，所述优化包括沉淀和污泥分离后清水相的污染程度、操作成本和污泥产生，

其特征在于，通过向聚合铝基凝结剂(A)的原液中现场加入比所述原液中的聚合铝基凝结剂(A)碱度低的酸或铝基凝结剂(B)溶液来调节所述凝结剂的碱度，从而以此方式现场获得用于所述沉淀过程中的所述铝基凝结剂。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉淀过程中使用的凝结剂的量和凝结剂的碱度通过算法进行调节，所述算法包括自适应功能，其中基于进水的流量、温度和污染程度，使用在不同污染程度和流量下存储的调节数据对所述沉淀过程中待使用的凝结剂的量和凝结剂的碱度进行第一优化，并且特征在于，在所述第一优化之后是基于流出的化学沉淀水中获得的污染程度进行第二优化，其中当可以预期可检测到第一优化的纯化效果时，首先执行后一优化。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于当前流量下所述化学沉淀过程中的停留时间，计算所述第一优化的纯化效果。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，除了所述未处理的进水和/或清水相的污染程度、pH、流量和温度，用于调节沉淀pH、所述沉淀过程中使用的凝结剂的量以及凝结剂的碱度的控制系统还使用气象数据，所述数据包括关于与所述处理厂相连的集水区的降水和/或积雪的信息。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，分析所述流出的化学沉淀水中的溶解磷和结合磷(P)的含量，并且所述溶解磷的含量基本上控制所述沉淀过程中所用凝结剂的量的调节，而结合磷的含量基本上控制凝结剂的碱度的调节。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述酸为HCl或H₂SO₄。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果所述聚合铝基凝结剂(A)是聚合氯化铝，则所述酸为HCl；并且特征在于，如果所述聚合铝基凝结剂(A)为聚合硫酸铝，则所述酸为H₂SO₄

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述聚合铝基凝结剂(B)的碱度以％表示，大于0％且低于所述聚合铝基凝结剂(A)的碱度

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述聚合铝基凝结剂(B)是单体铝基凝结剂，且碱度为0％。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述聚合铝基凝结剂(A)的碱度>20％。