絮凝沉淀与芬顿氧化法处理含漆废水

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  【摘要】:用絮凝沉淀加芬顿氧化组合工艺处理含漆废水,实验了絮凝剂的种类和用量及芬顿试剂的用量对废水中污染物去除率的影响并确定最佳反应条件。实验结果表明,絮凝剂选择PAC和APAM最为合适,投加量分别为2 kg/t废水和30 g/t废水,COD去除率约83%。芬顿氧化优化条件为:H2O2和FeSO4摩尔比为17:1,投加量为60 L/t废水,分三次投加,每次投加量的比为7:2:1。经过两步处理,将含高浓度污染物废水的COD从30532 mg/L降至1294 mg/L,去除率达到95.8%,BOD为723 mg/L,B/C为0.56,可以送至污水生化处理系统做后续达标处理。
  【关键词】:废漆水;混凝沉淀;芬顿氧化。
  Abstract:Waste paintwaterwas treated by coagulation- precipitation and Fenton oxidation. The effect of different coagulants and Fenton reagents on the removal of contaminants in the waste water was tested and the optimal reaction conditions were determined. The experiment results showed that:the appropriate coagulationswere PAC (w=5%) and APAM (w=0.1%), the optimum dosages were 40 mL/L (waste water) and 30 mL/L (waste water), and the COD removal rate reached 83%; the optimum operating conditions of Fenton reagent were n(H2O2) : n(Fe2+)=17:1, the optimum dosage of hydrogen peroxide(w=30%) was 60 mL/L (waste water), and the hydrogen peroxide was added in three times (the ratio of every time was 7:2:1 ). After the above two steps, the COD removal rate of the treated water was 95.8%, which was 1294 mg/L. And the BODwas 723 mg/L. The ratio of BOD and COD was 0.56, so it could be putted into biochemical system for further treatment.
  Key words:Waste paint water;Flocculent settling;Fenton oxidation.
  工业上,在染料、涂料的生产和使用中会产生大量含漆废水,主要危害成分有树脂、有机溶剂、表面活性剂、油类、颜料、醇类、醛类等,难以被微生物降解,会对水体、土壤会造成严重污染,影响人体健康,属于HW12类危险废弃物。许多企业对此类废水没有进行及时处理,造成废水堆积、浓缩,大大提高了废水中污染物的浓度。目前废漆水的处理方法有物化法、生物法,并能达到一定的出水效果。物化法有混凝沉淀法、气浮法、吸附法。其中混凝法是通过投加药剂,经网捕、吸附、架桥的作用,使废水中小颗粒或胶体聚集形成大颗粒,进而固液分离[1]。曾德芳[2]等用改性絮凝剂处理涂料废水,出水COD、SS的去除率分别达到74.1%、95.4%;陈英文[3]等使用混凝-厌氧-好氧工艺处理印染废水,出水COD降至100mg/L,色度也大大降低。气浮法利用溶气水产生大量微小气泡,与水中油泥或絮狀物吸附上浮,分离效果也较为显著,但此法耗能大,运行成本高[4]。吸附法用活性炭等对污染物进行吸附,可用于废水的深度处理[5]。生物法运行成本低,工艺较为成熟,处理效果显著,在废漆水处理方面也有很多成熟的应用,赵雪等用两级曝气生物滤池常州涂料化工研究院的涂料废水进行处理,并实现稳定运行,出水水质达涂料废水二级排放标准[6],生物法与物化法的联用在处理含漆废水方面也有很多应用[7]。
  使用混凝法主要去除废水中的固体小颗粒、胶体等成分,而涂料在生产和使用过程中会涉及到分散剂、增稠剂、防腐剂等有机物,这些物质难以通过混凝的方法降解[8],影响着出水水质,需要进行深度氧化,芬顿氧化法可以很好地达成这一目的。芬顿氧化法是目前公认的反应机理是羟基自由基理论,通过H2O2和Fe2+发生反应产生·OH,·OH将有机物氧化分解为CO2、H2O等无害物质,Wink D A等详细介绍了有关羟基自由基的产生、传递和反应链的终止[9]。整个芬顿反应的速率取决于羟基自由基的产生速率,故过氧化氢和亚铁离子浓度及两者的比例影响着有机物的降解速率和最终的COD去除率,另外反应的pH也是重要的影响因素。反应完成后调至碱性生成Fe(OH)3胶体也可以起到絮凝吸附的作用[10],最终通过混凝沉淀得到清澈水质较好的出水,经调节送至生化系统进一步处理达标。
  1 、实验部分
  1.1 仪器与药品
  实验用混凝剂聚合氯化铝(PAC),聚合硫酸铁(PFS),阴离子聚丙烯酰胺(APAM),阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)由河南巩义科源净水材料厂提供;氯化钙,氧化钙,硫酸亚铁,双氧水由天津市津北精细化工有限公司提供。COD、氨氮、总磷、硫化物由连华科技5B-3B(V8)测定,pH由上海雷磁PHS-3C测定;氯离子,硫酸根离子由Thermo ICS-1100离子色谱测定,电导率由梅特勒FE38电导仪测定。   1.2 实验水样
  本实验所用废水来源于廊坊某涂料公司,主要特征是色度、浊度大,悬浮物多,有刺激性气味。通过水质检测,该废水的COD为30532.3 mg/L,悬浮物为3063.3 mg/L。
  1.3 实验方法
  絮凝实验:调pH至8,取多组样品进行实验,分别加入一定量的混凝剂(PAC、PFS)和絮凝剂(CPAM、APAM),快速搅拌10s,静置30min,过滤取得上清液,通过检测其COD来确定最佳的混凝剂、絮凝剂种类及投加量。
  芬顿氧化实验:取几组絮凝过滤后的上清液,用废酸调节pH至3,先加入FeSO4溶液,再加入H2O2溶液,常温下搅拌反应2h,反应后用NaOH溶液调节pH至9,加APAM溶液将铁泥沉淀,静止后过滤得上清液,测定其COD。采用单一变量法比较不同加药量的处理效果,确定最佳投药量。
  2 、实验结果与讨论
  2.1 絮凝剂的选择和用量
  2.1.1 絮凝剂种类的确定
  分别考察聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铁(PFS)两种混凝剂和两种聚丙烯酰胺(CPAM和APAM)作为絮凝剂的处理效果,通过观察絮凝现象和检测COD来进行比较。取样品分别投加PAC,PAC和CPAM,PAC和APAM,PFS,PFS和CPAM,PFS和APAM。表2是6组实验的沉淀效果过滤后上清液的COD。
  从沉淀现象可以看出单独使用PAC和PFS的混凝效果都不好,但PAC的效果略好于PFS。当以混凝剂和絮凝剂组合的形式实验时,PAC组的沉淀速度、絮体大小、色度、浊度都比PFS组的好,另外APAM的效果比CPAM的效果略好。
  从COD降低程度来看,PFS组的效果略微优于PAC组,但其色度和浊度大。絮凝剂CPAM和APAM的效果相当,结合两者的成本,选择APAM更合适。所以最终确定使用PAC和APAM组合作为混凝剂和絮凝剂。
  2.1.2 絮凝剂投加量的确定
  实验分为8组,每组取样50mL。前4组分别投加1、2、3、4 mL 浓度为50 g/L的PAC和1 mL浓度为1 g/L的APAM;后4组分别投加2 mL浓度为50 g/L的PAC和0.5、1、1.5、2 mL浓度为1 g/L的APAM。通过观察产生絮体大小、沉降速度、澄清度并检测过滤后上清液的出水COD,结果分别如表3、表4所示。
  从表3可以看出,PAC投加量从1 mL增加到4 mL时,出水COD呈下降趋势,当PAC投加量为1 mL和2 mL时絮体较大、沉淀速度较快,且只有当投加量为2 mL时,出水是最清澈的。因为当PAC加入量太少时,不能很好地使胶体脱稳,对胶粒的架桥效果不够明显[11],导致形成的絮体不够多,不能很好地起到吸附网部的作用,所以表现为出水仍较混浊;当PAC投加过量时,胶粒表面会吸附较多无机高分子PAC,导致两胶粒接近时,吸附的无机高分子之间由于所带电荷产生静电力而相互排斥,无法聚集,使絮凝效果下降甚至出现“再稳”现象,所以絮体无法聚集沉降下来。
  从表4可以看出,当APAM的加入量从0.5 mL到1.5 mL时,出水COD呈下降趋势,继续增加APAM的量时,出水COD上升。当APAM投加量为0.5 mL和1 mL时,沉淀絮体较小,沉降较慢,而当APAM投加量为1.5 mL和2 mL时,絮体较大,沉降较快。APAM由于其携带的酰胺基和很长的分子链,在实验中的作用是废水中已由PAC混凝产生的絮体通过架桥、吸附[12],形成更大的絮体,加速沉降。当APAM投加量过少时架桥、吸附作用不明显,故絮体较小,COD去除率较低,当APAM过量时,由于其自身为有机高分子含有一定的COD,故会使出水COD偏高。
  最终确定出混凝剂和絮凝剂应分别选择PAC和APAM,投加量分别为每50mL废水中加2mL的PAC(质量浓度为5%)和1.5mL的APAM(质量浓度为0.1%)。
  2.2 芬顿氧化实验
  2.2.1 雙氧水和硫酸亚铁溶液投加比例的确定。
  取4组50mL混凝后的水样,30%双氧水(约10 mol/L)投加量为2.5mL,1 mol/L硫酸亚铁溶液投加量分别为0.5、1、1.5、2mL,反应2 h后测定滤液COD,图1是每组出水的COD。
  可见当硫酸亚铁溶液投加量从0.5 mL增加到1.5 mL时,出水COD呈下降趋势,且下降较快,但继续增加硫酸亚铁溶液投加量时,COD下降变得缓慢。从氧化反应机理[13]来看,Fe2+与H2O2作用产生有强氧化性的·OH,再与有机物反应。当Fe2+较少时,体系中产生·OH不足,降解能力差;当Fe2+过多时,产生的·OH会与部分Fe2+反应,导致有机物的降解速率变化缓慢,且当Fe2+过多时,会产生更多的Fe3+,而Fe3+可以催化H2O2分解为O2和H2O,所以也会影响降解速率。另外,如果Fe2+过多,在最后沉淀时,会产生大量的铁泥,增加后续成本,故选择1.5 mL为最佳投加量,即双氧水和硫酸亚铁溶液的体积比为5:3,此时测得COD在1046mg/L以下,可以进入生化处理系统进一步处理。
  2.2.2 双氧水投加量的确定
  取某次4组絮凝后沉淀的上清液各50mL,确定双氧水和硫酸亚铁溶液的体积比为5:3,双氧水的投加量分别为1.25、2.5、3.75、5 mL,测定出水上清液的COD,结果如图2。
  可以看出,随着双氧水的增加,出水COD逐渐下降,但在双氧水投加量大于3 mL时,COD的下降趋势趋于平缓,此时由于双氧水在反应体系中产生大量·OH,与Fe2+反应产生Fe3+,导致体系中Fe3+与Fe2+比例偏高,从而影响·OH的产生,且Fe3+能催化双氧水分解为O2盒H2O2所以降解速率的增加会变得缓慢,而在双氧水投加量为3 mL时COD降至2000mg/L以下,故确定双氧水的最佳投加量为3 mL。   2.2.3 双氧水投加方式的确定
  取5组絮凝后的上清液各50mL,测定双氧水分次投加的出水COD,本文研究的重点是首次投加量对反应的影响,每组的投加量分别为:5、3、2 mL,6、3、1 mL,7、2、1 mL,8、2、0 mL,10、0、0 mL,时间间隔1 h,共反应3 h,图3是每组出水COD。
  可以看出初次投加双氧水的量过少时,最终处理效果相对较差,当首次投加量7mL时,COD降解率最高,再增加首次投加量时,COD去除率略有降低。原因是如果初次投加双氧水过少,后续加入的双氧水停留时间短,不能够充分反应,而首次投加双氧水过多时,会增加副反应,导致利用率降低,且双氧水过多会使反应过于剧烈,易发生危险,故选择三次投加的比例为7: 2:1。
  2.3 处理后出水
  取600mL废漆水(三种废水各200 mL),投加24 mL的浓度为50 g/L的PAC和18 mL的1 g/L的APAM搅拌1分钟,静置20分钟,出水投加2 mL的废酸调pH=3,投加22 mL的1mol/L的硫酸亚铁和36 mL30%的双氧水,反应三小时,出水投加NaOH溶液调节pH=9,搅拌5分钟,投加5mL的1g/L的APAM,静置30 min后过滤,测上清液出水水质如表5。
  3 实验结论
  (1)对含漆废水首先采用絮凝的方法来处理,选择PAC和APAM两种组合药剂,投加量分别为4%和3%,即每50 mL废水中投加PAC和PAMA的量分别为2 mL和1.5 mL。
  (2)芬顿反应,硫酸亚铁溶液和双氧水的体积比3:5,双氧水投加量为6%,分三次投加,比例为7:2:1。
  (3)经两种工艺后,废水的COD降至1294 mg/L,BOD为723 mg/L,符合进入生化系统的条件。
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