CN114477397A

CN114477397A - 一种混凝剂及其制备方法与应用

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Publication number: CN114477397A
Application number: CN202210033283.4A
Authority: CN
Inventors: 张健; 易境; 侯丹; 史文燕; 万丽
Original assignee: Hunan Youqing Intelligent Equipment Co ltd
Current assignee: Hunan Youqing Intelligent Equipment Co ltd
Priority date: 2022-01-12
Filing date: 2022-01-12
Publication date: 2022-05-13

Abstract

本发明公开了一种混凝剂及其制备方法与应用。所述混凝剂，包括以下重量份的组分：聚合硫酸铁：5‑90重量份；粉砂：1‑50重量份；所述粉砂粒径为20～60μm。所述混凝剂利用PS形成絮凝核心，促进排泥水快速沉降和高效浓缩，使排泥水浓缩效果提高22％，固体通量增加至6.0kg/(m²h)，同时可应对排泥水浓度为4000mg/L的浓度负荷，摒弃了PAM投加，提高回用水水质安全。

Description

一种混凝剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种混凝剂及其制备方法与应用。

背景技术

净水厂的生产废水约占水厂总产水量的6％～10％，含有大量的悬浮物、有机物、重金属以及从原水中截留的微生物。这部分废水若直接排入自然水体，则会对生态环境造成一定的危害，若排入污水管网，又造成了污水处理低碳氮比的难题，同时还浪费了水资源。因此，生产废水有效回用将是未来净水处理中不可或缺的一环。

目前，大部分自来水厂处理排泥水的工艺有调节、浓缩、预处理(平衡)、脱水处理，但在处理中存在混凝剂投加量高、具有水质安全隐患等诸多问题。例如一些自来水厂采用PAM(聚丙烯酰胺)处理排泥水，一些自来水厂采用PAC和PAM处理排泥水，且平均投加量为40mg/L和7mg/L。然而Al在人体内过量积累，会引发阿尔茨海默症、导致体细胞及生殖细胞发生突变。PAM分解产生的单体丙烯酰胺(acrylamide,AM)也具有强烈毒性，是一种二类致癌物，可引起基因突变，长期接触会造成细胞DNA损伤。因此，为了保证饮用水水质安全，需要进一步寻找安全、高效且经济地处理排泥水的方法。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是：

提供一种混凝剂。所述混凝剂利用PS形成絮凝核心，旨在提高排泥水浓缩效果和水质安全性的同时，减少混凝剂投加量，节约运行成本。

本发明所要解决的第二个技术问题是：

提供一种所述混凝剂的制备方法。

本发明所要解决的第三个技术问题是：

所述混凝剂的应用。

为了解决所述第一个技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种混凝剂，由以下重量份的组分组成：

聚合硫酸铁 5-90重量份；

粉砂 1-50重量份。

根据本发明的一种实施方式，所述粉砂粒径为20～60μm。

所述粉砂粒径为20～60μm，具有高密度和高吸附性，从而容易与絮体吸附，产生高效浓缩效果。

所述混凝剂能够使得污水处理过程中的浓缩池中的表面负荷提高至少2倍，加入了本发明所述混凝剂的浓缩池，其内表面负荷至少可以达到2.3(m³/m²·h)。

所述粉砂来源于无害的河砂，储量大，成本低。

所述混凝剂无PAM的投加，从而提高回用水水质安全性。

水中悬浮的颗粒在粒径小到一定程度时，其布朗运动的能量足以阻止重力的作用，而使颗粒不发生沉降。这种悬浮液可以长时间保持稳定状态。而且，悬浮颗粒表面往往带电(常常是负电)，颗粒间同种电荷的斥力使颗粒不易合并变大，从而增加了悬浮液的稳定性。而混凝过程就是加入带正电的混凝剂去中和颗粒表面的负电，使颗粒“脱稳”。于是，颗粒间通过碰撞、表面吸附、引力等作用，互相结合变大，以利于从水中分离。

本发明在所述混凝剂中，一方面摒弃PAM投加，另一方面通过在排泥水中投加聚合硫酸铁(PFS)，复合不同比例的粉砂(Powder Sand,PS)利用PS形成絮凝核心，促进排泥水快速沉降和高效浓缩，旨在提高排泥水浓缩效果和水质安全性的同时，减少混凝剂投加量，节约运行成本，并通过探究排泥水浓缩后上清液浊度、有机物(TOC、UV₂₅₄)以及金属(Al、Fe、Mn等)含量来评价排泥水回用的安全性。

所述混凝剂能够使排泥水浓缩效果提高22％，固体通量增加至6.0kg/(m²h)，同时可应对排泥水浓度为4000mg/L的浓度负荷。

根据本发明的一种实施方式，所述聚合硫酸铁与所述粉砂重量份比为5-9：1-5。

根据本发明的一种实施方式，所述聚合硫酸铁与所述粉砂重量份比为8：2。

针对不同SS含量(固体悬浮物浓度)的排泥水，所述聚合硫酸铁与所述粉砂重量份比为5-9：1-5，都能有效降低出水浊度，但当所述聚合硫酸铁与所述粉砂重量份比为8:2时，能够使得排泥水的出水浊度达到至少3NTU以下。

根据本发明的一种实施方式，所述聚合硫酸铁中铁元素质量占比为18-28％。

根据本发明的一种实施方式，所述聚合硫酸铁中铁元素质量占比为22％。

为了解决所述第二个技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种制备所述混凝剂的方法，包括以下步骤：

混合所述聚合硫酸铁和所述粉砂，得到所述混凝剂。

本发明的再一个方面，还提供一种排泥水处理方法，将所述的一种混凝剂投入到排泥水中，排泥水分层，回收上层清液，脱水下层浓缩液。

根据本发明的一种实施方式，当排泥水浓度小于等于2500mg/L，投入的混凝剂中粉砂质量百分数为40-50％；当排泥水浓度大于2500mg/L，投入的混凝剂中粉砂质量百分数为25-35％。

在不同排泥水浓度情况下，投加不同比例的所述混凝剂时，排泥水浓缩效果存在影响。

本发明的再一个方面，还提供一种混凝剂在污水处理中的应用。

根据本发明的一种实施方式，所述混凝剂在污水处理的步骤包括：

(1)将所述混凝剂与排泥水进行机械搅拌混凝，搅拌完成后进入浓缩池。

(2)排泥水浓缩完成后，上清液反馈至自来水处理首端进行回用，浓缩水输送至脱水间脱水。

所述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：

1.所述混凝剂利用PS形成絮凝核心，促进排泥水快速沉降和高效浓缩，使排泥水浓缩效果提高22％，固体通量增加至6.0kg/(m²h)，同时可应对排泥水浓度为4000mg/L的浓度负荷；

2.选用无害化河砂，通过研磨制备成粒径为20μm～60μm左右的PS，具有高密度和高吸附性，从而容易与絮体吸附，使得所述混凝剂能够产生高效浓缩的效果，同时保证回用水水质安全；

3.所述混凝剂配置简单，且成本较低，可用于大规模投产。

4.所述混凝剂摒弃了PAM投加，提高回用水水质安全。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为实施例1～45的粉砂粒径分布图。

图2为实施例1～45制备的所述混凝剂中聚合硫酸铁与粉砂的配比测试。

图3为实施例1～45制备的所述混凝剂中聚合硫酸铁与粉砂的投加量测试。

图4为影响因素为悬浮固体与投加量的实施例1～45的Box-Benhnken模型。

图5为影响因素为悬浮固体与配比的实施例1～45的Box-Benhnken模型。

图6为影响因素为投加量与配比的实施例1～45的Box-Benhnken模型。

图7为经实施例14制备的所述混凝剂处理的样品中总有机碳含量处理测试图。

图8为经实施例14制备的所述混凝剂处理的样品中吸光度测试图。

图9为经实施例14制备的所述混凝剂处理的排泥水的沉降特性测试图。

图10为经实施例14制备的所述混凝剂处理的排泥水的固体通量测试图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。

实施例中，聚合硫酸铁(PFS)选用食品级(固体粉末)，聚合硫酸铁(PFS)中铁元素质量百分比为22.02％。

下面实施例1～45均通过以下方法制备所述混凝剂，并按照表1称取各组分，该方法具体步骤如下：

混合所述聚合硫酸铁和所述粉砂，得到所述混凝剂。

表1

实施例中，粉砂粒径为20～60μm，D₅₀为21μm，其粒径分布图如图1所示。

实施例中，实施例1～9中PFS与PS投加量之比PFS:PS＝9:1，且总投加量为5～80mg/L。

实施例中，实施例10～18中PFS与PS投加量之比PFS:PS＝8:2，且总投加量为5～80mg/L。

实施例中，实施例19～27中PFS与PS投加量之比PFS:PS＝7:3，且总投加量为5～80mg/L。

实施例中，实施例28～36中PFS与PS投加量之比PFS:PS＝6:4，且总投加量为5～80mg/L。

实施例中，实施例37～45中PFS与PS投加量之比PFS:PS＝5:5，且总投加量为5～80mg/L。

性能测试：

对实施例1～45中制备所述混凝剂的原料：PFS与PS进行成分分析，结果如表2所示。

表2

为测试所述混凝剂中，不同聚合硫酸铁与粉砂的配比对技术效果的影响，进行聚合硫酸铁与粉砂的配比测试，结果如图2。从图2可看出，随PS-PFS投加量的增加，上清液浊度逐渐下降，投加量>40mg/L时，下降趋势开始变缓，且浊度均在3NTU以下。

为进一步测试，所述混凝剂中，不同聚合硫酸铁与粉砂的配比对技术效果的影响，进行聚合硫酸铁与粉砂的投加量测试，结果如图3。

从图3中可以看出，采用PS-聚合硫酸铁(PFS)复合絮凝剂后能够进一步提高排泥水浓缩效果。PS配比为10％时，混凝剂对SV30浓缩效果较弱，随投加量增加，△SV30并未产生较大程度的提升。铁砂配比为20％和30％时浓缩效果提升明显，△SV30随投加量的增加而增加，最高可达到17％；PS配比上升到40％时，△SV30值较高，且混凝剂投加量对排泥水浓缩效果影响较弱，△SV30值在13.5％～14.5％之间波动。当配比达到50％时，浓缩效果明显下降，即使投加量达到80mg/L，△SV30也只有8％。

为进一步测试，所述混凝剂中，不同聚合硫酸铁与粉砂的配比对技术效果的影响，设计Box-Benhnken模型，结果如图4-6。

在单因素实验的基础上，根据Box-Benhnken模型设计，利用Design-Expert8.0软件进行多元回归拟合分析，以△SV30(Y)为评价指标，分别选取排泥水SS(A)、复配絮凝剂投加量(B)、PS配比(C)这三个影响因素，以确定最佳复合絮凝剂投加工况。Box-Behnken实验设计因素水平见表3。通过Design-Expert.V8.0.6软件对实验结果进行回归分析绘制得到△SV30与各自变量间的三维响应曲面如图4、图5和图6所示。

从图4、图5和图6可以看出，不同排泥水浓度情况下，投加PS-聚合硫酸铁(PFS)时，存在投加量与粉砂配比的最优参数解。根据原排泥水浓度变化，以2500mg/L作为分界点，将排泥水分为常规浓度和较高浓度，不同浓度下最佳PS配比和复合絮凝剂投加量表4。

表3 Box-Behnken实验因素与水平

表4 最佳复配絮凝剂投加量(粉砂粒径：20～60μm)

对所述混凝剂进行有机物含量处理测试。所采用的所述混凝剂为实施例1制备的所述混凝剂。

对原水、原排泥水、浓缩上清液以及底泥脱水滤液进行有机物检测，检测结果如图7和图8所示。

从图7可以看到，原水TOC含量最低，平均为2.4mg/L。加药浓缩能够有效减少排泥水中有机物含量，将原排泥水TOC由4.0mg/L，降低至2.8mg/L，低于GB5749-2006中规定的5mg/L的限值，满足标准要求。底泥脱水滤液中TOC含量为5.6mg/L，高于原水，同时也高于饮用水标准。

UV₂₅₄反映具有双键、苯环等不饱和键的腐质类有机物，该类有机物与“三致”作用的消毒副产物前体物(THMFP)具有显著相关性。从图8可以看到，排泥水UV₂₅₄响应值为0.078cm^-1，低于原水的0.085cm^-1，加药浓缩后上清液UV₂₅₄响应值低于排泥水，为0.061cm^-1。这是因为UV₂₅₄代表不饱和烃类有机物，含有羧酸、羟基等极性基团，而絮凝剂水解产物带有正电荷，促使部分UV₂₅₄通过与絮凝剂水解产物以电位结合的方式得以去除。底泥脱水滤液UV₂₅₄响应值为0.113cm^-1，明显高于原水，底泥脱水滤液回用可能会增加THMFP增加的风险，为保证饮用水水质安全，不建议将底泥脱水滤液作为回用。

江河流域工业发展迅速，有毒有害重金属在部分河段常出现超标现象，另外，排泥水处理过程中投加混凝药剂的同时会使得部分金属离子浓度升高，因此须对回用水中金属离子含量进行检测。

对经过实施例1制备的所述混凝剂处理的污水进行金属离子含量测试，结果如表5所示。

表5 金属离子含量及限值(μg/L)

不同水样各金属离子含量及GB5749-2006标准中的限值见表5。可以看出，上清液中Al和Fe离子含量均远低于国标限值。排泥水中Mn离子浓度最高可达89.4μg/L，远高于原水的1.02μg/L，说明Mn在排泥水中存在富集现象。采用PS-聚合硫酸铁(PFS)沉淀后，Mn含量降低，平均为31.78μg/L，小于100μg/L限值。另外，其他重金属含量也全部低于标准限值。因此，排泥水上清液可作回用。

对经过实施例1制备的所述混凝剂处理的污水进行排泥水沉降特性，结果如图9所示。

对经过实施例1制备的所述混凝剂处理的污水进行排泥水固体通量测试，结果如图10所示。

为应对突发高浓度排泥水情况，以4000mg/L作为排泥水设计浓度，对应固体通量G＝6.0kg/(m³h)，高于《室外给水设计标准》(GB50013-2018)中0.5～1.0kg/(m³h)的取值。根据固体通量计算浓缩池表面负荷，计算公式为：

q＝G_L/C₀

式中：q为表面负荷，(m³/m²·h)；G_L为固体通量，(kg/(m³·h))；C₀为入流排泥水平均浓度，(kg/m³)，选择实验期间最高浓度2596mg/L。

计算得浓缩池表面负荷为2.3(m³/m²·h)，高于常规浓缩池1.0(m³/m²·h)的限值。

浓缩池表面负荷高的优势在于：能够减小浓缩池池容，缩小了刮泥机尺寸，降低土建和运行费用。

对本发明所述混凝剂，进行运营成本测试。

以长沙某水厂排泥水1.2万m³/d处理规模为例，对浓缩池面积、刮泥机功率和药剂成本进行计算。所述混凝剂投药量以40mg/L，粉砂配比40％，PS无需回收，底泥脱水后，随泥饼外用。水厂设两条生产线，每条生产线设两组浓缩池，浓缩池面积及刮泥机功率见表6，药剂成本计算分别表7。

表6 浓缩池面积及刮泥机功率

表7 药剂成本

可以看出，采用所述混凝剂，在1.2万m³/d的排泥水浓缩处理中，单组浓缩池直径为8m，单组刮泥机驱动功率为0.037kW，吨水药剂成本为0.086元，年药剂成本为37.84万元，相比单独投加聚合硫酸铁(PFS)，年药剂成减少7.71万元。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种混凝剂，其特征在于：由以下重量份的组分组成：

聚合硫酸铁 5-90重量份；

粉砂 1-50重量份。

2.根据权利要求1所述的一种混凝剂，其特征在于：所述粉砂粒径为20～60μm。

3.根据权利要求1所述的一种混凝剂，其特征在于：所述聚合硫酸铁与所述粉砂重量份比为5-9：1-5。

4.根据权利要求1所述的一种混凝剂，其特征在于：所述聚合硫酸铁与所述粉砂重量份比为8：2。

5.根据权利要求4所述的一种混凝剂，其特征在于：所述聚合硫酸铁中铁元素质量占比为18-28％，优选为22％。

6.一种制备如权利要求1至5任一项所述的一种混凝剂的方法，其特征在于：包括以下步骤：

混合所述聚合硫酸铁和所述粉砂，得到所述混凝剂。

7.一种排泥水处理方法，其特征在于：将权利要求1至5任一项所述的一种混凝剂投入到排泥水中，排泥水分层，回收上层清液，脱水下层浓缩液。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：当排泥水浓度小于等于2500mg/L，投入的混凝剂中粉砂质量百分数为40-50％；当排泥水浓度大于2500mg/L，投入的混凝剂中粉砂质量百分数为25-35％。

9.如权利要求1至5任一项所述的一种混凝剂在污水处理中的应用。