化學清洗廢水處理技術方法 - 汙水處理

2016-08-02 09:41:06 user2

化學清洗廢水是工業領域去除生產設備金屬表麵因安裝或運行過程形成的汙垢而產生的廢水〔1〕。該類廢水中含有表麵活性劑、磷酸鹽及其他無機鹽、乳化油、緩蝕劑、懸浮物(主要是鏽垢、泥沙及其他機械雜質)、金屬離子等。其有機物和無機鹽濃度高,生化性能差。

對於此類廢水應根據實際情況選擇不同的處理技術。目前處理工藝主要有破乳分離、熱解處理、微生物分解、沉澱、吸附、氧化還原、中和等。近年來,鐵炭微電解工藝和Fenton 試劑法處理高濃度難降解有機廢水正成為國內外研究的熱點。鐵炭微電解法〔2〕利用金屬腐蝕原理,形成原電池對廢水進行處理。由於其適用範圍廣﹑壽命長﹑處理效果好﹑成本低﹑操作維護方便,近年來受到國內外學者的廣泛重視。Fenton 試劑具有極強的氧化能力,在處理難生物降解或一般化學氧化劑難以奏效的有機廢水時,具有反應迅速、溫度和壓力等反應條件溫和且無二次汙染等優點。S. M. Kim 等〔3〕先通過混凝沉澱大幅度降低廢水中溶解的有機物、乳化油和懸浮物,再進行鐵炭微電解反應,出水中加入H2O2,使其與鐵炭微電解生成的Fe2+構成Fenton 試劑,產生的·OH 能迅速引發氧化鏈反應,最終將有機化合物分解為CO2和H2O。微電解產生的Fe2+可供後續Fenton 試劑法使用,無需添加Fe2+,很大程度上降低了成本,而且能強化鐵炭微電解的氧化能力,同時節約了H2O2的用量,並達到較好的處理效果。筆者采用混凝+鐵炭微電解/H2O2+活性炭吸附法處理高COD 化學清洗廢水,以期為化學清洗廢水處理提供新思路。

1 實驗部分

1.1 廢水水質

化學清洗廢水取自江西宜春某環保清洗係統設備廠,廢水水質:CODCr為4 500~5 000 mg/L,油質量濃度為20~30 mg/L,pH 為12~13,水溫約30~40 ℃。

1.2 儀器、試劑與分析方法

儀器:六聯無級變速電動攪拌器(上海縱躍電子科技有限公司),JJ-1 型精密增力電動攪拌器(金壇宏華儀器廠),pHS-25 型pH 計(武漢金帝儀器設備有限公司),BS224SAG104 電子分析天平(德國賽多利斯儀器係統有限公司),CS101 型電熱鼓風幹燥箱(深圳市眾鑫達自動化儀表有限公司),立式萬用電爐。

試劑:聚鋁、聚丙烯酰胺、重鉻酸鉀、硫酸銀、鐵粉、活性炭、石墨、濃硫酸、H2O2溶液(質量分數30%)、硫酸亞鐵、硫酸亞鐵銨、硫酸汞、氫氧化鈉,均為分析純;試亞鐵靈指示劑。

分析方法:COD 采用重鉻酸鉀法測定,pH 采用酸度計進行測定。

1.3 實驗方法

(1)混凝實驗:取200 mL 廢水水樣置於250 mL燒杯中,投加一定量的混凝劑,置於六聯攪拌機上攪拌(開始時快攪2 min,隨後慢攪8 min),反應一定時間後靜置,取上清液測定COD,以確定最佳pH、PAC、PAM 用量和沉澱時間。

(2)鐵炭微電解/H2O2單因素影響實驗:取100 mL混凝上清液置於250 mL 燒杯中,調節pH,投加一定量的鐵粉和石墨,反應3 h 後滴加H2O2溶液,再反應一段時間,沉澱30 min 後取上清液測定COD,確定最佳m(Fe)∶m(C)和鐵炭總用量。

(3)鐵炭微電解/H2O2正交試驗:根據上述單因素試驗得到的最佳條件進行正交試驗,進一步確定最佳pH、H2O2用量以及反應時間。

(4)活性炭吸附實驗:取混凝+鐵炭微電解/H2O2處理後的廢水50 mL,在不同pH 下研究活性炭投加量與出水水質的關係。

(5)聯合處理實驗:根據上述實驗結果確定的最佳條件進行聯合處理重複實驗,考察其穩定性。

2 結果與討論

2.1 混凝沉澱正交試驗設計與分析

確定影響混凝沉澱的主要試驗變量:反應初始pH(A)、PAC 投加量(B)、PAM 投加量(C)、沉澱時間(D)。選取各因素水平(見表1),按照L9(34)進行正交試驗,結果如表2 所示。

表1 因素與水平

無縫氣瓶生產商,密閉取樣器,自動切水器,截油排水器 

表2 正交試驗結果

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由表2 可知4 個因素的主次關係:PAM 投加量>PAC 投加量> 沉澱時間>pH,最佳條件為A1B2C2D2,即pH=8、PAC 投加量為50 mg/L、PAM 投加量為2 mg/L,沉澱時間為40 min。試驗過程中觀察到PAC 與PAM 聯用處理化學清洗廢水時,CODCr去除率較高,加入助凝劑後礬花大且沉降快;PAC 單獨使用時生成的絮凝體粒徑小,停止攪拌5 min 後絮凝沉澱才有明顯效果,90~100 min 後絮凝體沉澱才較完全;而PAC 與PAM 聯用時生成的絮凝體體積大,停止攪拌後馬上就有明顯的沉澱效果,且30~40 min 後絮凝沉澱已較完全。這是因為助凝劑可以調節和改善混凝的條件,也可以改善絮凝體的結構,通過強烈的吸附架橋作用使細小鬆散的絮凝體變得粗大而緊密〔4〕。

2.2 鐵炭微電解/H2O2單因素影響實驗

2.2.1鐵炭比的確定

為了確定鐵炭微電解/H2O2反應的最佳鐵炭比,根據初步試驗結果,調節pH 至3、鐵粉投加量為30g/L、H2O2投加量為2.5 mL/L,反應時間為120 min,改變石墨投加量,分析m(Fe)∶m(C)對COD 去除率的影響(鐵炭反應水是經混凝沉澱處理後的過濾出水),結果如圖1 所示。

由圖1 可知,m(Fe)∶m(C)=1∶1 時,COD 去除率已基本達到最大,繼續提高石墨的投加比例,COD去除率沒有太大的提高。原因在於鐵屑的數量有限,難以形成足夠的微電池;同時石墨用量的增加使廢水與鐵屑的接觸機會減少,也影響了反應進度。綜合考慮原料投加量對處理成本的影響,選擇m(Fe)∶m(C)=1∶1 最適合。

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2.2.2鐵炭用量的確定

固定m(Fe)∶m(C)=1∶1、pH=3、H2O2投加量為2.5 mL/L,反應時間為120 min,改變鐵炭投加總量(Fe+C),分析其對COD 去除率的影響,見圖2。

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由圖2 可知,當鐵炭投加總量為60 g/L 時,COD去除率基本達到最大,繼續增加投加量COD 去除率反而下降。這是因為隨著鐵炭投加總量的增加電解產生的Fe2+濃度升高,造成羥基自由基複合幾率增大,不能有效與有機物反應〔5〕。綜合考慮COD 的去除和處理成本,鐵炭投加量以60 g/L 最適合。

2.2.3鐵炭微電解/H2O2正交試驗設計與分析

確定影響鐵炭微電解/H2O2法的主要試驗變量為反應初始pH(A)、H2O2投加量(B)、反應時間(C)。選取各因素水平(見表3),按照L9(34)進行正交試驗,結果如表4 所示。

表3 因素與水平

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表4 鐵炭微電解/H2O2正交試驗結果

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由表4 可知,影響COD 去除率的3 個因素主次關係為pH>H2O2投加量>反應時間,最佳條件為A1B2C1,即pH 為2、H2O2投加量為4 mL/L、反應時間為60 min。在強酸性條件下,COD 的去除率較高,提高pH 後去除率降低。這是由於加入的鐵屑先進行微電解反應,此時H+越多生成的Fe2+就越多;加入H2O2溶液後,H2O2可在Fe2+催化下釋放出氧化性極強的·OH,將水中有機物氧化分解成CO2和H2O,降低水中的COD;同時·OH 能將Fe2+迅速氧化成Fe3+,並以Fe(OH)3形式析出,絮狀Fe(OH)3具有絮凝作用,可進一步降低廢水COD〔6〕。因此,較低的pH 有利於·OH 的產生,提高處理效果。

由此可知,pH 為主要影響因素,是決定處理效果的關鍵,因此必須嚴格控製反應的pH。

2.3 活性炭吸附條件的確定

確定影響活性炭吸附效果的主要試驗變量為反應初始pH(A)、活性炭投加量(B)、吸附時間(C)。選取各因素水平(見表5),按照L9(34)進行正交試驗,結果如表6 所示。

表5 因素與水平

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由表6 極差分析可知,影響COD 去除率的3 個因素主次關係為活性炭投加量>吸附時間>反應初始pH,最佳條件為A2B2C2,即pH 為6,活性炭投加量為20 g/L,吸附時間為120 min。活性炭水處理所涉及的吸附過程較為複雜,影響因素也較多。低pH時水中有機物電離度較小,吸附去除率高,且活性炭表麵負電荷隨著溶液中H+的增加而被中和,具有更高的活化表麵,吸附性能變得更好〔7〕。

表6 活性炭吸附正交試驗結果

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2.4 聯合工藝處理效果

采用混凝+鐵炭微電解/H2O2+活性炭吸附工藝,按最佳運行工藝條件對高濃度化學清洗廢水進行處理,進水COD 為4 750 mg/L,連續進行7 次實驗。實驗結果表明,采用該工藝處理高濃度化學清洗廢水,工藝運行穩定,COD 去除率穩定在98%左右。

3 結論

(1)確定了采用混凝+鐵炭微電解/H2O2+活性炭吸附聯合工藝處理高濃度化學清洗廢水時各影響因素的主次關係及最佳工藝條件。

(2)在最佳運行工藝條件下,采用混凝+鐵炭微電解/H2O2+活性炭吸附聯合工藝處理高濃度化學清洗廢水,COD 總去除率達98%以上,出水COD 降至100 mg/L 左右,達到了國家一級排放標準(GB 8978—1996)。聯合工藝運行穩定、成本合理、操作簡單,是高濃度化學清洗廢水適宜的處理技術。