粉末活性炭藥劑投加方法的探討及其應(yīng)用

1、粉末活性炭藥劑投加方法的探討及其應(yīng)用方元 1, 張耀明 2, 高凌鵬 3, 張鑫 1, 畢曉東4(1天津市艾盟 I M 科技發(fā)展有限公司 , 天津 300182; 2天津自來水集團有限公司 , 天津 300040; 3中國市政工程華北設(shè)計研究總院 , 天津 300074; 4大同云光活性炭有限公司 , 山西 大同 037300 摘要 :隨著疏水性粉狀藥劑在水處理中的廣泛應(yīng)用 , 傳統(tǒng)的加藥設(shè)備及方法難以滿足當(dāng)今藥劑的投加要求 , 因此研制開發(fā)高 效 、 經(jīng)濟 、 安全 的藥劑投加工 藝具 有 重 要 意義 。 以粉末活性炭 為例 , 從 粉狀 物料 的 固 有 物 理 化學(xué)特 性 角度描述了

2、“ 懸浮流速 ” 和 “ 自 凝聚特征 ” 的 概念 , 重點從經(jīng)濟 性 、 可靠 性 、 合 理性方 面說 明 了 粉 體 藥劑投加方法 對 水處理工 藝 的 影響 , 介紹了更為經(jīng)濟 、 可靠且具 有 更為 廣 義 應(yīng)用的加藥工 藝 方 案 。關(guān)鍵詞 :疏水性粉 體 藥劑 ; 粉末活性炭 ;高 速射流混合 ; 懸浮流速 ; 自 凝聚特征 中圖分類號 :X703文獻標識碼 :B文章編號 :10004602(2014 08001704Investigation and Application of Dosing Method of Powdered ActivatedCarbonFANG Yu

3、an 1, ZHANG Yao-ming 2, GAO Ling-peng 3, ZHANG Xin 1, BI Xiao-dong 4(1Tianjin I M Science and Technology Development CoLtd, Tianjin 300182, China ; 2Tianjin Waterworks Group CoLtd, Tianjin 300040, China ; 3North China Municipal Engineering Design and esearchInstitute , Tianjin 300074, China ; 4Daton

4、g Yunguang Activated Carbon CoLtd,Datong 037300, China Abstract :As hydrophobic powdered chemicals has been widely used in water treatment process ,the traditional dosing device and method can not meet the current requirements for the chemicals dosing , so research and development of efficient , saf

5、e and economical chemicals dosing process are of great sig-nificanceTaking the powdered activated carbon as example , the concepts of “ suspension velocity ” and “ self coagulation ” were described from the points of view of the inherent physicochemical properties of powdered materialThe effects of

6、dosing method of powdered chemicals on water treatment process were analyzed in the aspects of economy , reliability and rationalityThe scheme of the chemicals dosing that would be more economical , more reliable and more widely used was introducedKey words :hydrophobic powdered chemicals ;powdered

7、activated carbon ;high-speed jetmixing ;suspension velocity ;self coagulation在水處理工藝中 , 為強化除污效果 , 往往需要投 加化學(xué)藥劑 , 而目前污染源多樣化 , 所投加化學(xué)藥劑 種類的需求也呈現(xiàn)多樣化的趨勢 , 因此傳統(tǒng)的加藥 設(shè)備及方法難以滿足當(dāng)今藥劑的投加要求 , 應(yīng)針對 不同物料的物理化學(xué)特性在傳統(tǒng)的加藥工藝基礎(chǔ)上加以完善和延伸 , 找出最為高效 、 最為安全 、 最為經(jīng) 濟的藥劑投加工藝 。 1粉 體 藥劑的 物 理 化學(xué)特 性無論是熟石灰 、粉末活性炭 、 高錳酸鉀復(fù)合鹽 、 沸石粉 , 還是硅藻土等

8、 , 都是疏水性物質(zhì) , 幾乎是不·71·第 30卷 第 8期 2014年 4月中 國 給 水 排 水CHINA WATEWASTEWATEVol30No8Apr2014水解的 , 用水稀釋后這些固體粉末其實還是以微小 顆粒狀態(tài)在水中存在 , 所以嚴格意義上這種含有微 小顆粒的漿液不能稱為溶液 , 應(yīng)稱為懸濁液 。 其中 懸浮流速是懸濁液的一個重要物理參數(shù) , 它的含義 是 :懸濁液中固體顆粒不析出沉淀的最低流速 。 懸 浮流速因固體物料的密度 、 顆粒度 、 浸水性的不同而 不同 。 例如粉末活性炭的懸浮流速較低 , 約 05m /s (因活性炭是多孔材料 , 其亞甲藍值

9、 、 碘值 、 糖蜜值 的不同決定了其微孔直徑不同 , 而且與水作用時間 不同 , 其微孔中水的飽和度不同 , 其沉淀流速也會略 有差異 , 而氫氧化鈣懸浮流速約 08m /s。另外在粉體工業(yè)中還有一個重要的物理特性即 自凝聚特征 。 其含義是 :當(dāng)固體物料粉碎到一定的 細微度時 , 其分子力 (范德華力 和靜電力 (庫侖力 的作用已經(jīng)大于其重力作用 , 微小顆粒會形成抱團 現(xiàn)象稱為 “ 粉體自凝聚特征 ” 。以自來水和工業(yè)廢水處理中經(jīng)常使用的粉末活 性炭為例 , 從粉狀固體物料的物理化學(xué)特性的角度 來分析 , 試圖厘清最高效 、 最經(jīng)濟 、 最合理的藥劑投 加方式 。2活性炭投加方 式 探討

10、2. 1影響粉末活性炭使用效果的三個因素粉末活性炭顆粒呈不規(guī)則多面體結(jié)構(gòu) , 微粒間 以面接觸為主 , 當(dāng)炭粒之間的接觸面較大時 , 形成的 吸附力也較大 , 要使其相互分離比較困難 , 因而其自 凝聚特征非常明顯 。 由于粉末活性炭顆粒的粒徑尺 寸變化范圍較大 , 所以不可能計算出每一個炭粒的 引力大小 , 只能進行理論計算并輔以從統(tǒng)計學(xué)上的 估算 , 粉末活性炭顆粒的自凝聚力一般為 1013 1012N 。經(jīng)過國內(nèi)外研究機構(gòu)的大量研究和國內(nèi)諸多水 廠應(yīng)用實踐證明 , 粉末活性炭使用效果主要取決于 三方面因素 : 粉末活性炭種類根據(jù)水中污染源分子質(zhì)量和類型的不同 , 選擇 不同種類 、 不同

11、理化指標 、 不同孔徑的粉末活性炭 。 因為活性炭表面化學(xué)性質(zhì)和孔隙組成的不同 , 會影 響有機物在活性炭孔隙中的遷移和擴散速度 , 并使 活性炭對有機物的吸附具有一定的選擇性 。 投加點位置根據(jù)水中污染源的種類和分子鏈結(jié)構(gòu)的不同 , 選擇不同位置的投加點 , 其目的是解決由混凝去除與粉末活性炭吸附去除有機污染物的競爭問題 , 以 及絮凝體對粉末活性炭顆粒的包覆問題 。 投加方法根據(jù)實際應(yīng)用中的藥劑投加和相關(guān)水力條件的 不同 , 選擇合理的投加方式 , 可以最大程度地發(fā)揮粉 末活性炭的吸附能力 , 從而大大地提高其使用效率 。 2. 2藥劑投加方式由于粉末活性炭密度較小 (04 045g /c

12、m3 , 在空氣中不會做自由落體運動 , 呈現(xiàn)出布朗運動的 特性 。 微小的粉體顆粒團會伴隨著氣流變化而四處 漂浮 , 粉塵污染較嚴重 , 因此無論采用哪種方式的投 加工藝 , 在前端固態(tài)粉體物料的輸送環(huán)節(jié)大都采用 封閉式的氣流 (正壓或負壓 輸送方式 , 以減小粉塵 對工作環(huán)境的污染和破壞 。 粉體配制成懸濁液投加工藝這種工藝也稱為濕法工藝 , 它是一種間歇配制 、 混合 、 連續(xù)投加的工作方式 。 其工藝流程如圖 1所 示 。圖 1濕法工藝Fig1Wet technology根據(jù)粉體物料包裝形式的不同 , 采用正壓或負 壓氣流輸送方式將物料送入儲料倉 ; 物料通過料倉 下部的機械破拱和氣流

13、破拱裝置被輸送到計量螺 旋 , 經(jīng)過變頻雙螺旋計量過的粉體物料通過輸送螺 旋和粉體分配器與經(jīng)過電磁流量計計量過的配制 水 , 同時進入具有水霧除塵器的配制罐中進行一定 時間的攪拌混合 ; 混合后的懸濁液通過螺桿泵投加 到待處理的水介質(zhì)中 ; 螺桿泵前后各有一級沖洗系 統(tǒng) , 在投加過程中或在投加結(jié)束前對泵和管道進行 定時沖洗 , 以防止懸濁液在管道中沉淀造成管道堵 塞 。 連續(xù)配制混合投加工藝這種工藝也稱為干法工藝 , 它是一種采用高速 射流技術(shù) , 將配制 、 混合 、 投加三個過程集成為一體 的連續(xù)投加工藝 。 其工藝流程見圖 2。·81· 圖 2干法工藝Fig2Dry

14、 technology此工藝前半部分的物料氣流輸送 、 機械破拱 、 氣 流破拱 、 粉體計量與濕法工藝和設(shè)備完全相同 ; 不同 的是經(jīng)過變頻雙螺旋計量過的粉狀固體物料直接進 入高速射流混合器的傳質(zhì)腔體中 , 與高速射流載體 瞬時混合 , 粉體顆粒在運動過程中被強制分散到射 流載體中 , 成為均勻的懸濁液 , 并瞬時投加到待處理 的水介質(zhì)中 。2. 3兩種粉體加藥工藝的特點2. 3. 1濕法投加工藝特點 濕法工藝在全球已有近百年的使用歷史 , 所以其工藝過程比較簡單 , 其工藝和相關(guān)的設(shè)備都 已經(jīng)相當(dāng)成熟 , 也較為通用 。 懸濁液投加量的變化可以通過增減投加螺 桿泵數(shù)量的方式進行調(diào)整 , 其

15、動態(tài)范圍設(shè)計較寬 。 一套懸濁液配制系統(tǒng)可以通過增加螺桿泵 的方式 , 對多投加點進行投加 。 但這種工藝系統(tǒng)構(gòu) 成比較龐大 , 設(shè)備數(shù)量比較多 , 能耗較高 , 占用空間 大 , 建設(shè)成本和運行費用比較高 。因懸濁液中懸浮流速的存在 , 不能用往復(fù)式運 動的計量泵投加 (因為機械往復(fù)運動會使懸濁液在 某些局部位置流速過低而造成沉淀 ; 泥漿泵的揚 程特性軟 , 在投加點壓力高的場合無法應(yīng)用 , 且投加 精度低 , 使其應(yīng)用受到限制 ; 所以目前大都采用螺桿 泵投加方式 , 但是懸濁液中的細小固體顆粒對螺桿 泵泵芯轉(zhuǎn)子不可避免地產(chǎn)生磨損 , 會造成螺桿泵推 力下降 , 揚程降低 , 帶來了懸濁

16、液流速降低 , 當(dāng)懸濁 液流速低于其懸浮流速時 , 固體顆粒即會析出沉淀 , 不可避免地造成投加管道的堵塞 。 這是該工藝中無 法克服的一個缺陷所在 , 也是這種投加系統(tǒng)運行使 用過程中維護成本很高的關(guān)鍵原因 。2. 3. 2干法投加工藝特點 建設(shè)投資少 , 運行費用低 。 因為是連續(xù)化配制 、 混合 、 投加為一體的工藝 , 其設(shè)備數(shù)量少 、 占用 空間小 , 所以土建費用和設(shè)備采購費用都相應(yīng)較低 , 總體造價減少 30% 40%, 能源消耗減少 25% 45%, 系統(tǒng)維護費用減少 90%(主要在懸濁液投加 部分 。 無管道堵塞現(xiàn)象 。 因在懸濁液投加部分沒 有任何泵的存在 (增壓泵在射流器

17、前面 , 也沒有可 運動部件 , 不會有磨損 , 更不會有懸濁液流速的變 化 , 因而不會有懸濁物析出沉淀而堵塞投加管道的 現(xiàn)象 。 提高活性炭利用率 (可節(jié)約粉末活性炭 50%左右 。 濕法工藝中水和粉末活性炭是在攪拌 罐中混合 , 因攪拌器的功率和線速度較低 (若增大 功率和線速度 , 攪拌罐體的強度則需要加強 , 其成本 會增加很多 , 其剪切力比較小 , 無法破壞粉末活性 炭的自凝聚特性 , 所以粉末活性炭是以結(jié)團的形式 存在于水中 , 造成活性炭吸附潛能的極大浪費 。 而 干法工藝中采用的高速射流混合器是一種傳質(zhì)器 件 , 粉末活性炭與高速射流載體以互相垂直運動方 向進入射流混合器

18、, 并在射流器腔內(nèi)的湍流傳質(zhì)區(qū) 進行能量交換 , 而利用了射流過程中水流的高速動 能和剪切力 , 將具有自凝聚特征的粉末活性炭顆粒 之間的分子力和靜電力破壞 , 將已結(jié)團的炭粒子擊 碎并強制分散 , 使其以單個粒子形式在射流載體中 存在 , 并在射流器尾部的擴散管中通過壓力的變化 快速擴散 , 強化了粉末活性炭顆粒的分散度 , 增大了 粉末活性炭的比表面積 , 使其吸附能力提高了一倍 以上 (這個特點在很多水廠都已得到驗證 , 提高了 粉末活性炭的使用效率 , 降低了生產(chǎn)成本 。 更為重 要的是因投加量的減少 , 也同時降低了因投加粉末 活性炭對后續(xù)工藝 (主要是混凝 、 沉淀 、 過濾 、

19、反沖 洗等 產(chǎn)生的影響 。 可以應(yīng)用于水力條件比較苛刻的場合 。 因 射流混合器出口壓力較高 , 因此投加設(shè)備間與投加 點距離可以比較遠 , 能夠達到數(shù)百米 , 投加點壓力可 達到 08MPa 。 特別適用于變投加點工藝 。 在自來水和工 業(yè)廢水處理中應(yīng)用 , 因季節(jié) 、 污染物種類和分子鏈結(jié) 構(gòu)的變化 , 會在不同時間段選擇不同的工藝投加點 , 以達到最佳工藝效果 。 射流投加可以采用多投加點 串聯(lián)方式以滿足這種需求 , 并已應(yīng)用在山東煙臺和 云南某水廠 。·91· 具有快速反應(yīng)特性 。 因為計量 、 混合 、 投加 三個過程同時進行 , 所以系統(tǒng)投入使用前的準備時 間可

20、以非常短 , 只要料倉中有物料 , 數(shù)分鐘之內(nèi)就可 以投入使用 , 因此特別適用于供水系統(tǒng)應(yīng)急處理投 加工藝 。 具有良好的機動性 。 因其系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊 湊 , 占用空間很小 , 在自來水行業(yè)作為應(yīng)急投加系統(tǒng) 應(yīng)用時 , 特別適合做成移動式車載應(yīng)急投加系統(tǒng) , 以 滿足水廠規(guī)模不大 (處理水量 10 104m 3/d , 水 廠數(shù)量多 , 而且水源比較分散的局部區(qū)域性應(yīng)用 。 移動車載式粉末活性炭投加系統(tǒng)已應(yīng)用在山東某自 來水公司下屬的四座水廠中 。 因各個工藝投加點的水力條件差異 , 粉體 藥劑投加量不同 , 在選擇合理的水力學(xué)模型過程的 計算會稍微復(fù)雜 。3工 業(yè)化 應(yīng)用的 效果 及 前景射流投加粉末活性炭的方法 , 從 2005年松花江 流域硝基苯污染事件中的哈爾濱制水二廠 、 達連河 水廠和 2007年太湖藍藻暴發(fā)事件中的無錫中橋水 廠 、 雪浪水