絮凝反应器废水处理

絮凝反应器废水处理

    目前我国废水处理采用的絮凝处理设施多是根据传统絮凝剂的净水特点设计的，不能充分发挥新型高效絮凝剂的性能，而且存在占地面积过大、反应时间过长等缺点，导致传统的混凝池不适用于中小型水处理工程。笔者设计了一种体积小、反应时间短的新型高效絮凝反应器，应用于钢铁企业外排废水处理，效果良好，具有广阔的推广应用前景。
    1·试验部分
    1.1絮凝反应器的设计原则
    根据絮凝动力学原理、新型高效絮凝剂的作用特性，结合流体力学、反应器原理和废水处理的工程实践〔1〕，高效水力絮凝反应器〔2-3〕的设计原则为：（1）合适的水力条件，即絮凝器沿程各室的平均流速应成倍递减（或絮凝时间呈逐级成倍递增）。（2）应在絮凝反应器中加设多级的、能量输入率递减的阻流装置，使絮凝能耗沿程递减，以提高注入能量在絮凝全过程中的均匀性。（3）絮凝器的分格数应尽可能多，使反应器中的流动更接近于活塞流型，达到保持反应器中高的浓度梯度和缩短反应时间的目的。
    1.2絮凝反应器结构及参数
    新型絮凝反应器结构见图1。试验装置尺寸为长×宽×高＝300 mm×225 mm×600 mm，有效容积25 L，设计处理流量100 L/h。絮凝器沿水流方向分成3个絮凝室，各室的流速关系为u1∶u2∶u3=4∶2∶1。第一室为高速混合区，分6格竖井，竖井平面尺寸为50 mm×50 mm，竖井水流采用上下折流，每格竖井上下对角开孔，以使水流产生旋转，孔口直径为8 mm，过孔流速为0.6～1.0 m/s，每格竖井放置网格作为扰流构件，网格开孔率20％，孔径10 mm，且均可调节。第二室和第三室为絮凝体成长区。分别为4格和3格竖井。第二室竖井每格平面尺寸为75 mm×75 mm；第三室竖井每格平面尺寸为100 mm×100 mm，都不设网格。第二、三室竖井也采用上下对角开孔，孔口直径为10 mm，过孔流速为0.1～0.3 m/s。
            
    1.3废水水质及回用要求
    试验所用废水为湘潭钢铁公司炼铁口、工农闸两排放口混合废水（水量比为：炼铁口/工农闸＝1.9/1），废水水质及回用水质要求见表1。
           
    1.4试验装置及流程
    取湘钢厂混合废水于均质槽，根据静态烧杯试验确定的药剂配比〔4〕，先定量加入氢氧化钙过饱和溶液，充分搅拌3 min，待溶解后再定量加入碳酸钠溶液，搅拌2 min。开启污水泵，经转子流量计以一定流量送入絮凝器。预先配置好的聚合硫酸铁溶液用微量泵1定量送入污水泵出口和絮凝器之间的管道中，依靠废水在管中的流动进行水力混合，继而与废水一道进入絮凝器进行混凝反应。将从微量泵2送来的二次混凝剂（PAM）加入絮凝器的高速混合区，废水经过絮凝器的几个反应区后进入竖流式沉淀池进行沉降。底泥从沉降池底部排出，上清液从沉降池上部侧口排除，试验装置与处理工艺流程见图2。
            
    2·试验结果与讨论
    2.1絮凝反应器的水力特性
    在絮凝器进口流量为100 L/h，进水浊度214 NTU，有效容积13.3 L，完全水力混合的条件下，待系统运行稳定后，以KCl作示踪剂，采用脉冲进样法在絮凝器进水口快速注射（1～3 s）加入50 mL KCl饱和溶液，按一定时间间隔（60 s）测定絮凝器高速混合区出口和絮凝器总出口处废水的电导率（KCl浓度）和出水浊度。采用停留时间分布法（RTD）研究絮凝器的水力流态。
    反应器的水力流态用RTD密度函数E（t）表示，试验得出絮凝器及其高速混合区E（t）曲线如图3、图4所示。通过计算该函数的数学期望（平均HRT）、方差和絮凝器的分散数（D/UL）〔5〕，即可分析判断该絮凝器中的水力流态。各流态指标计算值见表2。
           
    由表2可以看出：絮凝反应时间仅为9.5 min。分散数是反应器纵向分散程度的一个量度，当D/UL→0时，分散可以忽略，得到了理想的活塞流反应器；当D/UL→∞时，分散很大，而得到了全混流反应器。所设计的絮凝器分散数为0.10，高速混合区为0.094，出水浊度降到12.6 NTU，处理率达到94.1%，这说明絮凝器接近于活塞流反应器，池内返混程度较小，絮凝池运行状况良好，这也是絮凝效率高的重要原因。
    2.2钢铁冶金废水处理动态试验结果
    采用静态烧杯实验所得到的废水处理药剂配比和预先获得的静态处理工序，进行了40～120 L/h处理规模的动态组合工艺废水处理试验研究，主要验证静态实验所确定的混凝药剂投加量和絮凝器提供的水力条件对动态试验的适应性和可靠性。同时重点考察了新型絮凝反应器的絮凝性能，结果见表3。

    一般情况下，静态混凝试验是理想化过程，而动态试验条件和评价结果更接近于现场实际，但最佳药剂用量为静态试验的1.2～1.5倍〔6〕。从表3可知：在维持静态试验药剂用量不变的情况下，该絮凝器运行过程所提供的水力条件可以满足湘钢废水循环回用处理的要求，为湘钢下一步的废水循环回用处理工程设计提供了较可靠的参数依据。
    试验表明：该絮凝器完全能够发挥无机高分子絮凝剂（PFS）和有机高分子絮凝剂（PAM）的反应特性，随着进水水质、水量的变化，该絮凝器适应性强，处理效果稳定，废水处理药剂费用可以控制在0.10元／m3以内。
    3·结论
    （1）新型絮凝器具有体积小、结构紧凑、反应时间短的特点。
    （2）用反应器原理评价絮凝器运行状况，得平均停留时间为9.5 min，方差17，水头损失0.235 m，D/UL≈0.10。其高速混合区的平均停留时间为5 min，方差4.7，水头损失0.160 m，D/UL≈0.094。该絮凝器接近于活塞流型反应器，池子内返混程度较小。
    （3）采用该絮凝器进行钢铁企业实际废水连续处理试验，废水的硬度、碱度、SS可以由进水时143、118、213 mg/L分别控制在100、100、30 mg/L以内，水处理药剂成本可控制在0.10元/m3以内，达到企业的回用水质和成本要求。
    （4）该絮凝器对进水水质和水量的变化有一定的抗冲击能力，研究结果可为湘钢公司下一步的废水循环回用处理工程设计提供较可靠的参数依据及理论指导。
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