造粒流化床穩(wěn)定運(yùn)行的探討

許旭琦，劉加強(qiáng)，李 昂

(徐州工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 徐州 221111)

1 引言

關(guān)于水中造粒的機(jī)理，日本學(xué)者提出"結(jié)團(tuán)絮凝"概念。我國西安建筑科技大學(xué)與日本學(xué)者合作，在造粒流化床操作中進(jìn)一步發(fā)展了結(jié)團(tuán)絮凝理論[1]。造粒流化床是運(yùn)用化學(xué)工程中準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)操作原理和反應(yīng)工程理論，結(jié)合混凝工程的實(shí)踐經(jīng)驗提出的一種新型高效固液處理技術(shù)[2]。通過合理的控制無機(jī)鹽和有機(jī)高分子兩種混凝劑的投加順序、投量和混合、流化條件，該方法成功地用于高爐煤氣洗滌廢水[3]、電廠廢水[4]、洗煤廢水[5]、水廠排泥水[6]處理。與傳統(tǒng)的混凝沉淀工藝相比，造粒流化床處理工藝的理論基礎(chǔ)在于造成初始顆粒微脫穩(wěn)的條件實(shí)現(xiàn)逐一附著型絮凝操作，從而改變絮凝體的分形構(gòu)造，生成團(tuán)粒型絮凝體，大幅度提高了固液分離效率[7-8]。造粒流化床具有設(shè)備化，小型化，宜于實(shí)現(xiàn)自動控制的特點(diǎn)，并可同時完成固液分離和污泥濃縮[9]。本文通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，探討了影響造粒流化床穩(wěn)定運(yùn)行的因素，以期為造粒流化床設(shè)備運(yùn)營人員提供參考。

2 造粒流化床[10]

工藝系統(tǒng)見圖1，主要由配水系統(tǒng)、混合裝置、管式反應(yīng)器、造粒流化床設(shè)備等幾部分組成。造粒流化床裝置集反應(yīng)、沉淀、濃縮于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，是該試驗系統(tǒng)的主體裝置。

圖1 中試實(shí)驗系統(tǒng)

進(jìn)水投加混凝劑后經(jīng)靜態(tài)混合器劇烈混合，使水中膠體顆粒脫穩(wěn)，于管式反應(yīng)器中形成理想的初始粒子，在進(jìn)入造粒流化床前投加聚丙烯酰胺，初始粒子通過高分子的吸附架橋作用以及流化床結(jié)團(tuán)絮凝區(qū)各種致密作用力條件下進(jìn)一步凝結(jié)、成長，形成高密度的結(jié)團(tuán)絮凝體(懸浮顆粒)，結(jié)團(tuán)體在澄清區(qū)實(shí)現(xiàn)固液分離，清水由上部排出，污泥進(jìn)入外筒污泥濃縮區(qū)。

3 懸浮層的形成

造粒流化床在初期運(yùn)行時，首先要形成高體積濃度的懸浮層。形成高體積濃度懸浮層可分為水體中濁質(zhì)顆粒脫穩(wěn)凝聚和污泥造粒兩個控制階段，第一階段主要是投加一定量的混凝劑PAC使水體中的濁質(zhì)顆粒脫穩(wěn)凝聚，并以滿足形成理想的初始粒子。第二個階段主要在流化床內(nèi)筒內(nèi)完成，借助高分子量PAM(聚丙烯酰胺)的強(qiáng)烈作用，增強(qiáng)顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)架橋凝聚[11]。因此在流化床形成高體積濃度懸浮層初期，水體中濁質(zhì)顆粒的多少，PAC、PAM投藥量的大小，機(jī)械攪拌強(qiáng)度的大小，上升流速的大小都是應(yīng)該考慮的問題，具體如下所示：

(1)形成高體積濃度懸浮層時，進(jìn)水濁度不能太低，以為形成高體積濃度懸浮層提供物料來源。

(2)PAC、PAM的投量應(yīng)適當(dāng)，PAC投量以滿足水質(zhì)膠體顆粒能夠完全脫穩(wěn)，即形成理想初始粒子為前提。PAM投量應(yīng)滿足顆粒間有足夠的結(jié)合強(qiáng)度。

(3)強(qiáng)制攪拌可以為結(jié)團(tuán)體的致密提供動力，保證流化床中結(jié)團(tuán)體的成長粒度，使系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

(4)上升流速的影響，若增大升流速，則必有懸浮層體積濃度減小。而懸浮層體積濃度的降低，削弱了結(jié)團(tuán)體的致密作用，結(jié)團(tuán)體的有效密度降低，作用于結(jié)團(tuán)體的剪切半徑增大，結(jié)團(tuán)體粒徑會隨之增大，含水率升高，沉降性能下降。即在較大的上升流速下，流化床運(yùn)行初期，形成的結(jié)團(tuán)體，易破碎，不易沉積，易隨水流帶走，這對于要形成高密度懸浮層是不利的。

相關(guān)研究表明[12]，將曬干后的粘土碾碎成粉末制成高濃度的懸濁液，配制濁度1000NTU左右即可，在上升流速20cm/min時，PAC投量30mg/L，PAM投量1.5mg/L，機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)速5r/min時，約1.5～2 h即可形成懸浮層。懸浮層形成過程中，初期出水濁度會偏高，隨著懸浮層的生成出水濁度會逐漸降低，直至內(nèi)筒懸浮污泥大量涌入外筒。處理低濁水時應(yīng)增設(shè)污泥回流，污泥回流比宜為1%～3%，保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行。

4 垂直度的影響

造粒流化床加工、安裝時應(yīng)保證內(nèi)、外筒的垂直度。相關(guān)研究表明[12]，如果設(shè)備發(fā)生傾斜，懸浮顆粒從內(nèi)筒大量涌入外筒時，較低一側(cè)落下的結(jié)團(tuán)體明顯高于較高一側(cè)。觀察污泥濃縮區(qū)污泥沉積情況發(fā)現(xiàn)，懸浮顆粒在一側(cè)沉積的少，而在另一側(cè)沉積的多，在兩側(cè)產(chǎn)生了不均勻沉降。根據(jù)等體積原理，顆粒下降多的一側(cè)占據(jù)了原來水所處的空間，導(dǎo)致水流向顆粒下降少的一側(cè)流動，當(dāng)水流的沖擊力大于顆粒的重力時，顆粒就會隨著水流一起上升，從而使懸浮顆粒進(jìn)入澄清區(qū)，影響固液分離效果。

5 氣泡的影響

相關(guān)研究表明[13-15]，系統(tǒng)運(yùn)行過程中難免會有氣體攜入，并以小氣泡的形式釋放，水流攜氣泡進(jìn)入流化床之前如果不能及時排出，小氣泡會粘附到懸浮顆粒表面，使懸浮顆粒的沉降性能下降，在懸浮顆粒從內(nèi)筒涌入外筒時，就會在氣泡的攜入下進(jìn)入澄清區(qū)，導(dǎo)致出水濁度升高。

6 混凝劑的影響

相關(guān)研究表明[16]，由低堿度水配制的PAC溶液，隨著PAC配制濃度的增加，溶液的pH值逐漸降低，溶液呈淡黃色透明狀，無絮體沉淀；由高堿度水配制的PAC溶液，隨著PAC配制濃度的增加，溶液的pH值同樣呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，這是由于PAC溶于水后水解產(chǎn)生H+的緣故。當(dāng)PAC配制濃度小于等于3mg/L時，溶液明顯分層，有絮體沉淀產(chǎn)生，當(dāng)PAC配制濃度大于3mg/L時溶液呈渾濁狀。低堿度水pH值和高堿度水pH值相差不大情況下配制相同濃度的PAC溶液，發(fā)現(xiàn)用高堿度水配制的PAC溶液pH值明顯高于低堿度水配制的PAC溶液，說明堿度起到了很好的緩沖作用。

相關(guān)試驗研究中發(fā)現(xiàn)[17]，采用高堿度水配制的PAC溶液進(jìn)行實(shí)驗，在PAC投量5～150mg/L范圍內(nèi)變化時，出水濁度、Fe、Mn、CODMn含量基本上變化不大，且出水濁度在10NTU以上。相同的控制條件下，采用低堿度水配制的PAC溶液進(jìn)行實(shí)驗，在PAC投量20mg/L，出水濁度即可控制在10NTU以下，繼續(xù)增加投藥量，各指標(biāo)值變化不大。造成這種現(xiàn)象的原因，與配制的PAC溶液產(chǎn)生的絮體沉淀有關(guān)。PAC主要通過吸附電中和、壓縮雙電層使水中膠體顆粒脫穩(wěn)，由于高堿度水的緩沖作用，用高堿度水配制的PAC溶液發(fā)生水解，產(chǎn)生了絮體沉淀，使得混凝劑的上述作用消失。

7 結(jié)論

(1)水體中濁質(zhì)顆粒的多少，PAC、PAM投藥量的大小，機(jī)械攪拌強(qiáng)度的大小，上升流速的大小是影響懸浮層快速形成的主要因素。

(2)流化床設(shè)備如果發(fā)生傾斜，懸浮顆粒從內(nèi)筒大量涌入外筒時會產(chǎn)生不均勻沉降，在水流作用下攜帶懸浮顆粒進(jìn)入澄清區(qū)，影響固液分離效果。故設(shè)備加工、安裝時應(yīng)保證垂直度要求。

(3)氣體攜入，會擾動懸浮層，影響出水水質(zhì)。故應(yīng)增設(shè)排氣裝置，避免氣體進(jìn)入流化床。

(4)用高堿度水配制較低濃度的PAC溶液時，會產(chǎn)生絮體沉淀，影響混凝劑使用效果。