化學(xué)清洗廢水處理技術(shù)方法 - 污水處理

化學(xué)清洗廢水是工業(yè)領(lǐng)域去除生產(chǎn)設(shè)備金屬表面因安裝或運(yùn)行過(guò)程形成的污垢而產(chǎn)生的廢水〔1〕。該類廢水中含有表面活性劑、磷酸鹽及其他無(wú)機(jī)鹽、乳化油、緩蝕劑、懸浮物（主要是銹垢、泥沙及其他機(jī)械雜質(zhì)）、金屬離子等。其有機(jī)物和無(wú)機(jī)鹽濃度高，生化性能差。

對(duì)于此類廢水應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的處理技術(shù)。目前處理工藝主要有破乳分離、熱解處理、微生物分解、沉淀、吸附、氧化還原、中和等。近年來(lái)，鐵炭微電解工藝和Fenton 試劑法處理高濃度難降解有機(jī)廢水正成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。鐵炭微電解法〔2〕利用金屬腐蝕原理，形成原電池對(duì)廢水進(jìn)行處理。由于其適用范圍廣﹑壽命長(zhǎng)﹑處理效果好﹑成本低﹑操作維護(hù)方便，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。Fenton 試劑具有極強(qiáng)的氧化能力，在處理難生物降解或一般化學(xué)氧化劑難以奏效的有機(jī)廢水時(shí)，具有反應(yīng)迅速、溫度和壓力等反應(yīng)條件溫和且無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)。S. M. Kim 等〔3〕先通過(guò)混凝沉淀大幅度降低廢水中溶解的有機(jī)物、乳化油和懸浮物，再進(jìn)行鐵炭微電解反應(yīng)，出水中加入H2O2，使其與鐵炭微電解生成的Fe2+構(gòu)成Fenton 試劑，產(chǎn)生的·OH 能迅速引發(fā)氧化鏈反應(yīng)，最終將有機(jī)化合物分解為CO2和H2O。微電解產(chǎn)生的Fe2+可供后續(xù)Fenton 試劑法使用，無(wú)需添加Fe2+，很大程度上降低了成本，而且能強(qiáng)化鐵炭微電解的氧化能力，同時(shí)節(jié)約了H2O2的用量，并達(dá)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(xué)清洗廢水，以期為化學(xué)清洗廢水處理提供新思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 廢水水質(zhì)

化學(xué)清洗廢水取自江西宜春某環(huán)保清洗系統(tǒng)設(shè)備廠，廢水水質(zhì)：CODCr為4 500~5 000 mg/L，油質(zhì)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(lián)無(wú)級(jí)變速電動(dòng)攪拌器（上?？v躍電子科技有限公司），JJ-1 型精密增力電動(dòng)攪拌器（金壇宏華儀器廠），pHS-25 型pH 計(jì)（武漢金帝儀器設(shè)備有限公司），BS224SAG104 電子分析天平（德國(guó)賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司），CS101 型電熱鼓風(fēng)干燥箱（深圳市眾鑫達(dá)自動(dòng)化儀表有限公司），立式萬(wàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(cè)定，pH 采用酸度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1）混凝實(shí)驗(yàn)：取200 mL 廢水水樣置于250 mL燒杯中，投加一定量的混凝劑，置于六聯(lián)攪拌機(jī)上攪拌（開始時(shí)快攪2 min，隨后慢攪8 min），反應(yīng)一定時(shí)間后靜置，取上清液測(cè)定COD，以確定最佳pH、PAC、PAM 用量和沉淀時(shí)間。

（2）鐵炭微電解/H2O2單因素影響實(shí)驗(yàn)：取100 mL混凝上清液置于250 mL 燒杯中，調(diào)節(jié)pH，投加一定量的鐵粉和石墨，反應(yīng)3 h 后滴加H2O2溶液，再反應(yīng)一段時(shí)間，沉淀30 min 后取上清液測(cè)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(yàn)：根據(jù)上述單因素試驗(yàn)得到的最佳條件進(jìn)行正交試驗(yàn)，進(jìn)一步確定最佳pH、H2O2用量以及反應(yīng)時(shí)間。

（4）活性炭吸附實(shí)驗(yàn)：取混凝+鐵炭微電解/H2O2處理后的廢水50 mL，在不同pH 下研究活性炭投加量與出水水質(zhì)的關(guān)系。

（5）聯(lián)合處理實(shí)驗(yàn)：根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定的最佳條件進(jìn)行聯(lián)合處理重復(fù)實(shí)驗(yàn)，考察其穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝沉淀正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

確定影響混凝沉淀的主要試驗(yàn)變量：反應(yīng)初始pH（A）、PAC 投加量（B）、PAM 投加量（C）、沉淀時(shí)間（D）。選取各因素水平（見表1），按照L9（34）進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果如表2 所示。

表1 因素與水平

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表2 可知4 個(gè)因素的主次關(guān)系：PAM 投加量>PAC 投加量> 沉淀時(shí)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，沉淀時(shí)間為40 min。試驗(yàn)過(guò)程中觀察到PAC 與PAM 聯(lián)用處理化學(xué)清洗廢水時(shí)，CODCr去除率較高，加入助凝劑后礬花大且沉降快；PAC 單獨(dú)使用時(shí)生成的絮凝體粒徑小，停止攪拌5 min 后絮凝沉淀才有明顯效果，90~100 min 后絮凝體沉淀才較完全；而PAC 與PAM 聯(lián)用時(shí)生成的絮凝體體積大，停止攪拌后馬上就有明顯的沉淀效果，且30~40 min 后絮凝沉淀已較完全。這是因?yàn)橹齽┛梢哉{(diào)節(jié)和改善混凝的條件，也可以改善絮凝體的結(jié)構(gòu)，通過(guò)強(qiáng)烈的吸附架橋作用使細(xì)小松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(shí)驗(yàn)

2.2.1鐵炭比的確定

為了確定鐵炭微電解/H2O2反應(yīng)的最佳鐵炭比，根據(jù)初步試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)節(jié)pH 至3、鐵粉投加量為30g/L、H2O2投加量為2.5 mL/L，反應(yīng)時(shí)間為120 min，改變石墨投加量，分析m（Fe）∶m（C）對(duì)COD 去除率的影響（鐵炭反應(yīng)水是經(jīng)混凝沉淀處理后的過(guò)濾出水），結(jié)果如圖1 所示。

由圖1 可知，m（Fe）∶m（C）＝1∶1 時(shí)，COD 去除率已基本達(dá)到最大，繼續(xù)提高石墨的投加比例，COD去除率沒(méi)有太大的提高。原因在于鐵屑的數(shù)量有限，難以形成足夠的微電池；同時(shí)石墨用量的增加使廢水與鐵屑的接觸機(jī)會(huì)減少，也影響了反應(yīng)進(jìn)度。綜合考慮原料投加量對(duì)處理成本的影響，選擇m（Fe）∶m（C）=1∶1 最適合。

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(yīng)時(shí)間為120 min，改變鐵炭投加總量（Fe+C），分析其對(duì)COD 去除率的影響，見圖2。

由圖2 可知，當(dāng)鐵炭投加總量為60 g/L 時(shí)，COD去除率基本達(dá)到最大，繼續(xù)增加投加量COD 去除率反而下降。這是因?yàn)殡S著鐵炭投加總量的增加電解產(chǎn)生的Fe2+濃度升高，造成羥基自由基復(fù)合幾率增大，不能有效與有機(jī)物反應(yīng)〔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(yàn)設(shè)計(jì)與分析

確定影響鐵炭微電解/H2O2法的主要試驗(yàn)變量為反應(yīng)初始pH（A）、H2O2投加量（B）、反應(yīng)時(shí)間（C）。選取各因素水平（見表3），按照L9（34）進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果如表4 所示。

表3 因素與水平

表4 鐵炭微電解/H2O2正交試驗(yàn)結(jié)果

由表4 可知，影響COD 去除率的3 個(gè)因素主次關(guān)系為pH>H2O2投加量>反應(yīng)時(shí)間，最佳條件為A1B2C1，即pH 為2、H2O2投加量為4 mL/L、反應(yīng)時(shí)間為60 min。在強(qiáng)酸性條件下，COD 的去除率較高，提高pH 后去除率降低。這是由于加入的鐵屑先進(jìn)行微電解反應(yīng)，此時(shí)H+越多生成的Fe2+就越多；加入H2O2溶液后，H2O2可在Fe2+催化下釋放出氧化性極強(qiáng)的·OH，將水中有機(jī)物氧化分解成CO2和H2O，降低水中的COD；同時(shí)·OH 能將Fe2+迅速氧化成Fe3+，并以Fe（OH）3形式析出，絮狀Fe（OH）3具有絮凝作用，可進(jìn)一步降低廢水COD〔6〕。因此，較低的pH 有利于·OH 的產(chǎn)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(guān)鍵，因此必須嚴(yán)格控制反應(yīng)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(yàn)變量為反應(yīng)初始pH（A）、活性炭投加量（B）、吸附時(shí)間（C）。選取各因素水平（見表5），按照L9（34）進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果如表6 所示。

表5 因素與水平

由表6 極差分析可知，影響COD 去除率的3 個(gè)因素主次關(guān)系為活性炭投加量>吸附時(shí)間>反應(yīng)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(shí)間為120 min。活性炭水處理所涉及的吸附過(guò)程較為復(fù)雜，影響因素也較多。低pH時(shí)水中有機(jī)物電離度較小，吸附去除率高，且活性炭表面負(fù)電荷隨著溶液中H+的增加而被中和，具有更高的活化表面，吸附性能變得更好〔7〕。

表6 活性炭吸附正交試驗(yàn)結(jié)果

2.4 聯(lián)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(yùn)行工藝條件對(duì)高濃度化學(xué)清洗廢水進(jìn)行處理，進(jìn)水COD 為4 750 mg/L，連續(xù)進(jìn)行7 次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該工藝處理高濃度化學(xué)清洗廢水，工藝運(yùn)行穩(wěn)定，COD 去除率穩(wěn)定在98%左右。

3 結(jié)論

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

（2）在最佳運(yùn)行工藝條件下，采用混凝+鐵炭微電解/H2O2+活性炭吸附聯(lián)合工藝處理高濃度化學(xué)清洗廢水，COD 總?cè)コ蔬_(dá)98%以上，出水COD 降至100 mg/L 左右，達(dá)到了國(guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 8978—1996）。聯(lián)合工藝運(yùn)行穩(wěn)定、成本合理、操作簡(jiǎn)單，是高濃度化學(xué)清洗廢水適宜的處理技術(shù)。