高效溶气技术在盐水中的应用及特性研究.pdf

收稿日期：2023-10-10基金项目：山东海化集团有限公司科技项目（SDHH-KJXM 2023 6 JSYFZX）作者简介：袁玉慧（1995），女，山东潍坊人，硕士研究生，研究员，主要从事盐化工技术研究工作。联系方式：15648196463，高效溶气技术在盐水中的应用及特性研究袁玉慧1，陈晓宇1，王佰恩1，2，颜丙玲1，2，冯齐云1，裴玉娇1，袁翠然1（1.山东海化集团有限公司，山东 潍坊262737；2.山东海化氯碱树脂有限公司，山东 潍坊262737）摘要：山东海化氯碱树脂有限公司对于粗盐水澄清技术采用的是传统溶气装置，经过多年运行、改造，目前烧碱生产能力已大幅度提升，传统溶气装置已经不适用于现在的规模，一次盐水处理能力已超过设计负荷，预处理器出水水质降低。文章研究了粗盐水高效浮上澄清技术，提高盐水浮上澄清效率，并且通过研究高效溶气过程中溶气压力对微气泡尺寸的影响，进而探究该技术应用在氯碱行业一次盐水精制中悬浮物的去除。在溶气压力为0.4 MPa、气泡尺寸1070 m、占总数量90%以上的基础上，通过控制絮凝剂FeCl3投加量探究出水浊度的变化，最佳投入量为12 mg/L，出水浊度为11.9 NTU。关键词：高效溶气；微气泡；絮凝剂；饱和盐水中图分类号：TQ114文献标识码：A文章编号：2096-3408（2024）05-0030-04Study on the Application and Characteristics of HighEfficiency Gas Dissolving Technology in BrineYUAN Yuhui1，CHEN Xiaoyu1，WANG Baien1，2，YAN Bingling1，2，FENG Qiyun1，PEI Yujiao1，YUAN Cuiran1（1.Shandong Haihua Group Co.，Ltd.，Weifang 262737，China；2.Shandong Haihua Chlor Alkali Resin Co.，Ltd.，Weifang 262737，China）Abstract：Shandong Haihua Chlor-Alkali Resin Co.，Ltd.adopts a traditional dissolved gasdevice for the clarification technology of crude brine.After years of operation and transformation，the chlor alkali company has greatly improved its production capacity of caustic soda.The traditional dissolved gas device is no longer suitable for the current scale，and the primary brine treatment capacity has exceeded the design load，resulting in a decrease in the effluent quality of thepre processor.This article studied the technology applicable to the efficient floating clarification ofcrude brine in chlor alkali companies，improving the efficiency of brine floating clarification.Bystudying the effect of dissolved gas pressure on the size of micro bubbles during the efficient gasdissolution process，the application of this technology in the removal of suspended solids in primary brine refining in the chlor alkali industry is explored.At a dissolved gas pressure of 0.4 MPa，the bubble size ranges from 10 m to 70 m，over 90%of the total quantity.On this basis，thechange in effluent turbidity was explored by controlling the dosage of flocculant FeCl3.The optimaldosage was 12 mg/L，and the effluent turbidity was 11.9 NTU.Key words：High efficiency dissolved；Microbubble；Flocculant；Saturated brine盐科学与化工Journal of Salt Science and Chemical Industry第53卷第5期2024年5月30气浮是从选矿业中的浮选工艺发展而来的一种高效固液分离工艺。20世纪60年代初期，瑞典、挪威率先建立了循环加压溶气气浮中试试验装置。同时，南非、纳米比亚等国也对气浮工艺进行了相关研究，气浮工艺逐渐进入实际应用阶段1。在我国，气浮工艺最早于1960年被应用于含盐废水及油田废水的处理中，但相关装置的出水水质并未达到预期效果2。20世纪70年代，同济大学胡斌等3在武汉东湖水厂开展了气浮除藻的中试试验研究，基本掌握了气浮除藻的相关技术参数及工艺影响因素。结果表明，相比于沉淀池，气浮工艺对低温低浊水的处理效果更好。20 世纪 80 年代初期，孔杰4在苏州棉布印染厂建设了处理量为44 m3/h的气浮工艺装置，并成功应用于厂区印染废水处理，装置对水中COD的平均去除率在60%70%之间，对色度的平均去除率高达90%。此后，随着对工艺特点、设计、运行参数的逐步掌握，气浮工艺在我国污水处理方面得到了广泛的应用与发展。传统氯碱行业一次盐水精制采用预处理、浮上桶、澄清桶等除Mg2+等杂质，对浊度的去除较好，但存在悬浮物去除效果不佳、极难沉降问题。高效溶气技术原理是产生大量颗粒大小均匀、在水中具有长期稳定性的微气泡，微气泡碰撞并粘附在水中低密度悬浮物或其凝聚体，形成密度小于水漂浮在水面上夹带空气的气载絮体，并随气载絮体的去除实现固液分离5。与传统工艺相比，高效溶气技术更容易去除悬浮物。其具有占地面积小、产生的污泥体积少、药剂需要量少、自动化程度高、色度高、浊度高、COD去除率高等优点。因此，在氯碱行业中应用具有广泛推广意义。为优选适用于山东海化氯碱树脂有限公司（以下简称“氯碱公司”）粗盐水高效浮上澄清的技术，提高盐水浮上澄清效率，并通过对一次盐水精制过程中形成合适的溶气加压状态，主要从溶气压力为0.3、0.4、0.5 MPa下开展研究，进而确定出最佳运行条件，并在原来絮凝剂投入量的基础上，减少和增加絮凝剂的投入量，分析不同投入量下浊度与气载絮体去除率的关系，确定絮凝剂最佳投入量。1材料和方法1.1试验材料装置采用无锡沪东麦斯特环境科技股份有限公司的高效溶气装置，试验原料采用氯碱公司加碱后粗盐水，絮凝剂采用三氯化铁。1.2分析方法气泡采用尼康体式显微镜进行观察和拍摄；浊度通过便携式浊度仪测定。1.3工艺试验方法文章所述工艺技术见图2，对比之前的工艺技术见图1。盐水精制时加入NaOH生成Mg（OH）2沉淀，直接进入高效溶气装置，极大地减少溶气时间和装置占地面积，在设备达到使用寿命或计划扩产时，设备维护或更换难度小，投资低，且不影响企业正常生产。改良工艺中高效溶气装置以麦斯特环境自主开发的第五代高效离子溶气系统为代表，见图 3。特点是能耗低、溶气效率90%98%，高速阿基米德螺旋线多层切割，微米级空气集成喷射，高频共轨喷射强溶切割专利技术，空气溶解率达最大值约27%，气泡粒径0.1100 m。优点是溶气泵边吸水边吸气，泵内加压混合、气液溶解效率高、细微气泡粒径30 m；低压运行，溶气效率高达99，释放率高达99；微气泡与悬浮颗粒的高效吸附，提高了SS的去除效果；溶气水溶解效率80%100，比传统溶气效率高3倍；压力容量曲线平坦，容易实现自动控制，易操作易维护、噪音低。图1改良前一次盐水的工艺流程图Fig.1Process flow diagram of the previous salt water improvement化盐池化盐水原盐折流槽NaOHNaClO前反应池气水混合器加压溶气罐预处理器FeCl3后反应桶NaCO3缓冲罐膜过滤器HCl折流槽图2一次盐水的改良工艺流程图Fig.2Improved process flow chart of primary brine化盐池化盐水原盐折流槽NaOHNaClO前反应池高效溶气装置预处理器FeCl3后反应桶NaCO3缓冲罐膜过滤器折流槽HCl一次盐水罐袁玉慧，等：高效溶气技术在盐水中的应用及特性研究一次盐水罐31盐科学与化工第53卷第5期2024年5月浊度/（NTU）201816141281012141618FeCl3/（mg/L）0204060801000.3 MPa0.4 MPa0.5 MPa频率0.0160.0140.0120.0100.0080.0060.0040.0020.0002结果与讨论2.1工艺改良后运行效果采用了麦斯特环境自主开发的第五代高效离子溶气系统来进行现场试验，得到的数据见表 1。通过表1可以看出，经过改良，粗盐水经过高效溶气装置后：（1）预处理器的水流量明显增多，处理量达到最大，即170 m/h处理能力，提高了氯碱公司一次盐水的处理能力。（2）溶液中空气溶解度从35%增加为20%25%，减压后气泡数量明显增多。高效溶气原理是在压力作用下，使空气溶解在溶液中达到饱和；然后突然降至常压，溶解在水中的空气变得过饱和，以气泡的形式释放出来。而悬浮颗粒会粘在气泡上并浮到表面，便于去除。所以空气溶解度高，气泡变多，对悬浮颗粒的去除量就会明显增多。（3）产生的气泡粒径变小且均匀，气泡粒径在0.510.5 m之间。气泡变小、变均匀以后，上升过程中如果发生破裂不会破坏絮凝体，且微气泡上升的速度很慢、对气浮池的扰动较小10。松散、细小的絮凝体也很容易被去除，更好地保障了水质的质量。2.2气压对微气泡的影响在水中影响微气泡尺寸的因素很多，但溶气压力是主要因素，通过观察溶气压力的变化与微气泡尺寸的变化，进而得到最佳溶气压力。图4为不同溶气压力下的气泡尺寸分布。0.4 MPa 时微气泡的分布在1060 m之间，占全部数量的90%左右；0.3 MPa时微气泡主要分布在2080 m之间；0.5 MPa时微气泡主要分布在555 m之间。由于较小气泡的上升速度远远低于大气泡，在设备中拥有更长的停留时间，增大了与悬浮物或絮体的接触面积，提高了絮体去除率 7。众多研究表明气泡与悬浮物或絮体之间的碰撞也与气泡数量浓度有关，气泡数量浓度越大效果越佳8。由此可知，在溶气压力为0.4 MPa下，最有利于溶气工艺的运行。2.3絮凝剂投入量对浊度的影响试验采用的絮凝剂是FeCl3，而絮凝剂的加入量对后面预处理器对产水的处理影响较大。若盐水中的絮凝剂加入量超标，不仅会造成药剂成本增加，更会使预处理器反浑。反浑后的处理更加复杂，不仅会让后面的膜过滤器堵塞，需要反复冲洗，还可能会造成停机。更需要将反浑的盐水进行处理，让处理好的盐水进入预处理器中，逐渐将那些没有处理好的盐水替换出来。若盐水中的絮凝剂加入量不够，虽然不会造成盐水反浑但会让产出一次盐水中的镁离子超标，使其质量下降，对后面一次盐水的处理或使用造成影响。因此，探索絮凝剂的最佳投入量是保证预处理器和膜过滤器正常运行、避免停机、提升一次盐水质量、降低药剂成本和提高产量的关键。图5为增加或减少絮凝剂气浮出水浊度的变化图。图3高效溶气装置6Fig.3High efficiency gas dissolving device培养装置流入管吸气管吸气管微泡发生器流出管正常微泡发生器污泥刮板混凝剂剂量控制管浮选水箱回流比较项改良前改良后预处理器处理能力/（m/h）150170空气溶解度/%352025气泡粒径/m601000.510.5气浮出水悬浊物/（mg/L）33.2413.53表1 改良前后产水质量对比（5个月）Tab.1 Comparison of water production quality before andafter improvement（5 months）图4不同溶气压力下的气泡尺寸分布Fig.4Bubble size distribution under different dissolved gas pressures图5增加和减少絮凝剂气浮出水浊度的变化Fig.5Increase and decrease the change of turbidity of flocculantgas emergence气泡尺寸/m32结合表2、表3、图6、图7可以看出，当增加絮凝剂的投入量时，产水逐渐变浑浊，浮泥颜色变红，说明絮凝剂投入量超标。当减少絮凝剂的投入量，在投入量为12 mg/L时产水变澄清，浮泥为土黄色，说明达到最佳投放量。然后投入量再降低时，产水开始浑浊并浮泥变浅变白，说明投入量不够。经过探索，最佳絮凝剂的投入量为12 mg/L。3结语1）通过改良适用于氯碱公司粗盐水高效浮上澄清的技术，改变粗盐水溶气方式所得到的效果分析可得：提高空气溶解率与粗盐水浮上澄清效率，使预处理器能达到170 m/h最大处理能力、能够去除大部分的悬浮物，提高一次盐水的处理能力和质量。在不改变现有预处理器的前提下，提升预处理器处理能力，与氯碱公司后续工段生产负荷匹配，保证生产稳定运行。同时减少新增设备的投资，为氯碱公司产能进一步提升奠定基础。2）在溶气压力为0.4 MPa，气泡尺寸为1060 m，占全部数量的90%以上条件下微气泡数量浓度较大，可增大与悬浮物或凝体的碰撞几率，该溶气压力是最佳运行条件。3）在最佳运行条件下，投加絮凝剂FeCl3，经过研究发现絮凝剂的投加有最佳投入量，既不能少加也不能多加，最佳投入量为 12 mg/L，出水浊度为11.9 NTU。4）此技术工艺可向国内氯碱企业推广，极大地减少了药剂成本，提高了镁离子的去除率，减少了每年氯碱工业机器的维修费和因絮凝剂加入过多造成停机所导致的损失，同时也提高了预处理器浮上澄清效率和一次盐水处理能力，为氯碱扩产打好基础。参考文献1EDZWALD J K.Dissolved air flotation and me J.Water research，2010，44（7）：2 077-2 106.2汪国刚.气浮净水装置的研究与进展 J.工业安全与环保，2006（1）：22-24.3胡斌，陈翼孙，樊纪湘.气浮法净水中几个主要影响因素的初步探讨 J.同济大学学报，1978（3）：27-44.4孔杰.气浮法处理印染废水 J.印染，1981（4）：6-9.5刘美艳.溶气气浮工艺中微气泡与絮凝体的结合特性与调控D.西安：西安建筑科技大学，2020.6田立平，鞠玲，王晓波，等.微纳米气泡制备技术及应用研究 J.能源与环境，2020（4）：69-73.7DE RIJK S E，DEN BLANKENl J G.Bubble size in flotation thickening J.Water Research，1994，28（2）：465-473.8刘颖，金鑫，金鹏康，等.溶气气浮的微气泡影响因素及其与絮体的结合特性 J.中国给水排水，2018，34（5）：1-5.9孟兴智，张仂，谢承友，等.气浮法水处理工艺应用现状 J.盐科学与化工，2021，50（6）：1-3.（编辑：李海燕）表2增加FeCl3投入量浮泥颜色的变化Tab.2Increase the input of FeCl3and change the color of floating mudFeCl3投入量/（mg/L）预处理器浮泥颜色14棕色15棕色16红棕17红棕18红色表3减少FeCl3投入量浮泥颜色的变化Tab.3Reduce FeCl3input and change the color of floating mudFeCl3投入量/（mg/L）预处理器浮泥颜色14棕色13土黄12土黄11浅黄10略白9略白a-未加絮凝剂；b-加14 mg/L絮凝剂；c-加16 mg/L絮凝剂；d-加18 mg/L絮凝剂图6增加絮凝剂投入量浮泥颜色的变化Fig.6Change of color of floating mud with increasing dosage offlocculant，a：no flocculant added，b：14 mg/L flocculant added，c：16 mg/L flocculant added，d：18 mg/L flocculant addeda-未加絮凝剂；b-加14 mg/L絮凝剂；c-加12 mg/L絮凝剂；d-加10 mg/L絮凝剂图7减少絮凝剂投入量浮泥颜色的变化Fig.7Change of color of floating mud with reduced dosage offlocculant，a：no flocculant added，b：14 mg/L flocculant added，c：12 mg/L flocculant added，d：10 mg/L flocculant addedabcdabcd袁玉慧，等：高效溶气技术在盐水中的应用及特性研究33