破乳-混凝-電絮凝預處理蘭炭廢水的實驗研究

趙萌,景立明,張安龍,劉欣東,劉爽,馬子昂

(陜西科技大學 環境科學與工程學院,陜西 西安 710000)

蘭炭廢水成分復雜,含有大量煤焦油、酚類,氨氮等物質,其毒性大、色度高、難處理[1-2]。目前國內外蘭炭廢水處理主要以物化處理+生化處理為主,而物化預處理效果往往對生化處理系統能否穩定運行起著關鍵作用。工業上采用的物化預處理工藝包括氣浮除油,萃取脫酚和精餾蒸氨,此類預處理工藝雖然能有效去除煤焦油,并能對影響生化處理效果的酚類物質和氨進行回收,但投資大,運行成本高[3-4]。本研究以破乳-混凝-電絮凝為主進行預處理,以期降低成本,提高廢水可生化性,利于后續生化處理系統穩定有效運行。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

硫酸(1 mol/L)、硫酸汞、甲基橙指示液(0.5 g/L)、碘化鉀、硫代硫酸鈉(0.012 5 mol/L)、磷酸(1+9) 均為分析純;重鉻酸鉀(0.5 mol/L),優級純;聚醚型破乳劑(淡黃色液體),密度1.2～1.35 g/cm3,市售;絮凝劑(無色液體),季銨型陽離子高分子化合物,固含量>50%,動力粘度30～200 cps.20 ℃,市售;鋁板。

實驗用水取自陜西榆林神木某蘭炭企業綜合廢水集水池,廢水外觀呈棕黑色,不透光,具有刺鼻氣味,水質監測指標見表1。

表1 蘭炭廢水原水水質指標Table 1 Raw water quality index of orchid charcoal wastewater

1.2 實驗方法

1.2.1 破乳、混凝、電絮凝單一工藝處理蘭炭廢水 取原水過濾,經定性濾紙抽濾后,水樣留用。取上述水樣于多個燒杯中,分別控制不同破乳劑投加量及pH,加藥后快速攪拌2 min再慢速攪拌至其反應完全,過濾,上清液留樣,確定最佳破乳劑投加量及反應最佳pH;同時,取抽濾后水樣于多個燒杯,投加一定量絮凝劑,快速攪拌5 min之后靜置過濾,留樣;再取抽濾后水樣進行雙鋁板電極電絮凝,在電流密度200 A/m2、極板間距2 cm的條件下,確定最佳反應時間和pH,過濾,對過濾水進行COD以及氨氮的測定。

1.2.2 破乳-混凝-電絮凝組合工藝處理蘭炭廢水 取上述抽濾后水樣250 mL,依次進行破乳,混凝,電絮凝實驗,實驗方法同上,每一步驟都留樣進行指標測定。

1.3 分析方法

COD測定采用快速消解分光光度法;BOD采用BOD快速測定儀進行測定;石油類采用分光光度法,揮發酚采用4-氨基安替比林分光光度法,氨氮測定采用納氏試劑分光光度法,電導率和pH采用電導率儀及pH計進行測定。

2 結果與討論

2.1 破乳劑的最佳投加量及pH確定

蘭炭廢水中含有大量煤焦油[5],大部分油類與酚類物質結合在一起形成的大分子物質極難降解,使除油成為蘭炭廢水處理的首要條件。本實驗采用過濾對廢水進行初步預處理,去除部分浮油及分散油。通過控制破乳劑投加量為1.62,2.025,3.375,5.075,10.125 mg/L,保持原水pH,室溫,攪拌后靜置10 min,過濾,對COD進行測定,結果見圖1。

圖1 破乳劑投加量對COD去除率的影響Fig.1 Effect of demulsifier dosage on COD removal rate

由圖1可知,破乳劑的去除效果隨投加量的增加而呈現先上升后下降的趨勢,前期破乳效果隨投加量而變好,投加量達到5.075 mg/L時,處理效果最好,COD去除率為29.1%。這是由于破乳劑投加量過多,導致破乳劑進入水中未發生破乳反應,聚醚高分子物質在水中溶解,導致水中COD含量增加。

水樣的pH對破乳劑效果同樣有影響。本文在破乳劑投加量為5.075 mg/L,室溫條件下,對 pH分別為5,6,7,9時對破乳的效果做了實驗驗證,結果見圖2。

圖2 破乳反應pH對COD去除率的影響Fig.2 Effect of pH of demulsification solution on COD removal rate

由圖2可知,當pH偏酸時去除率只有19.58%,這是因為酸性條件下過多的H+會抑制破乳劑中聚合硫酸鋁的水解,削弱其絮凝作用[6]。中性以及偏堿性時去除率變化不明顯,最佳pH為6,去除率可達到28.94%。這是由于弱酸條件下較少的H+與脂肪酸皂發生反應生成了脂肪酸,乳化液的水油界膜被破壞使脂肪酸分離出來,提高了破乳效果[7]。

2.2 混凝對廢水的去除效果分析

蘭炭廢水中難降解的酚類居多,工業上的脫酚蒸氨儀器及運行費用高昂,單純的藥劑投加可以在去除酚類的同時,省去儀器的購建運行等費用。市面上的混凝劑多為鋁鹽、鐵鹽以及二者的聚合物質,但其用量大,混凝絮體小,季銨有機高分子混凝劑結合混凝助凝效果于一體,是本實驗較為理想的處理藥劑。由于混凝劑投加后有明顯的沉淀現象產生,所以混凝實驗在經過抽濾后的水樣中直接投加混凝劑,直至沉淀不產生為終點。經過處理后,混凝劑用量為72.4 mg/L,水樣顏色有了明顯的變化。COD去除率達到60.71%,氨氮去除率達到46.62%。見圖3,左為未處理的原水,右為混凝后的水樣。

圖3 混凝前后廢水顏色對比圖Fig.3 Color comparison of wastewater before and after coagulation

2.3 電絮凝的最佳反應條件確定

混凝單元利用混凝劑的吸附架橋作用絮凝沉淀去除有機物,而鋁板電絮凝在電極電解出Al3+,通過形成鋁的聚合物絮凝有機污染物對其進行沉淀去除,此外,電解產生的·OH還能以極強的氧化作用徹底氧化污染物為CO2和H2O[8]。

電絮凝單元以雙鋁板為陰陽極進行實驗,電流密度為200 A/m2,極板間距為2 cm,pH為6,反應120 min,其中,取反應20,40,60,80,100,120 min時的水樣測定COD值,結果見圖4。

圖4 電絮凝反應時間對COD去除率的影響Fig.4 Effect of electroflocculation time on COD removal rate

pH對電絮凝有更大的影響。同樣條件下,處理時間為40 min,分別在4,5,6,7不同pH下對電絮凝去除率進行了比對,結果見圖5。結果顯示,在pH為4的酸性條件下,電絮凝的COD去除效果明顯。這是因為酸性條件下鋁的活性較高[10],Al3+含量也高,水解速度加快,生成更多具有絮凝作用的聚合物[Al(OH)3]n,有利于絮凝作用去除有機污染物。

圖5 電絮凝反應pH對COD去除率的影響Fig.5 Effect of electroflocculation pH on COD removal rate

2.4 組合工藝對廢水的去除效果分析

為進一步確定單一工藝以及聯用工藝對蘭炭廢水的處理效果,本實驗對抽濾后的水樣進行破乳-混凝-電絮凝處理,在pH為6的條件下,投加破乳劑5.075 mg/L,過濾;取上清液再次投加混凝劑72.4 mg/L,過濾;取上清液在電流密度為200 A/m2,極板間距為2 cm,pH為4的條件下,雙鋁板電解40 min,工藝對COD和氨氮的去除率對比及組合工藝處理效果見圖6～圖7。

圖6 不同工藝對COD及氨氮的去除率對比圖Fig.6 Comparison of COD and ammonia nitrogen removal rate by different processes

圖7 組合工藝處理效果圖Fig.7 The effect of combined process treatment

單一工藝條件下,混凝劑最大投加量為72.4 mg/L,再投加混凝劑不產生沉淀,此時COD及氨氮的去除率最高;破乳劑投加量為5.075 mg/L,對COD和氨氮的單一去除率不高,但添加破乳劑能大大縮減混凝劑的用量。電絮凝在最佳參數下反應40 min時COD去除率為28.05%,氨氮去除率為16.04%,混凝劑若不計成本投加,其對COD的去除率可達到60.71%,氨氮去除率達到51%,但藥劑投加量過大,成本高,本實驗將對原水進行過濾-破乳-混凝-電絮凝處理。圖7右圖為原水經過過濾,破乳,混凝以及電絮凝處理后,水樣稀釋50倍的效果,其具體處理結果見表2。

表2 組合工藝對COD的去除效果一覽表Table 2 List of COD removal effects of combined processes

結果表明,3種工藝聯用后,COD在逐步降低,最終去除率達到70.64%,氨氮去除率達到41.38%,B/C提高到0.17。多次實驗表明,過濾去除了大部分浮油和分散油,每次去除的COD穩定在2 000 mg/L左右,說明該蘭炭廢水中的浮油分散油對COD的占比在5.2%左右?；炷齽┑挠昧靠s減了一半,并且經過破乳混凝后,原水中的乳化油及酚類等大分子物質大部分被去除掉,再電絮凝去除其他有機化合物后使COD達到11 000 mg/L左右。

3 結論

(1)經過濾后的蘭炭廢水在pH為6,破乳劑投加量為5.075 mg/L時可取得較好的破乳效果,在該條件下進行破乳并過濾分離乳化油,可取得COD去除率為28.94%的處理效果。

(2)采用雙鋁板為電極的電絮凝工藝處理蘭炭廢水,在弱酸條件下可取得較好的處理效果,當電流密度為200 A/m2,極板間距為2 cm時,在pH為4的條件下,電絮凝反應40 min時COD去除率達到28.05%,氨氮去除率達到16.04%。

(3)破乳-混凝-電絮凝組合工藝對蘭炭廢水進行預處理可取得COD去除率70.64%,氨氮去除率41.38%的處理效果,同時,經組合工藝處理后廢水B/C由0.04提高到0.17,可為后續廢水進入生化單元創造良好的條件。

(4)單一混凝工藝在混凝劑投加量72.4 mg/L時最高取得60.71%的COD去除率,采用破乳-混凝-電絮凝組合工藝對蘭炭廢水進行處理廢水,混凝劑投加量降低至30 mg/L(減少約58.5%)時組合工藝對COD去除率可提升至70.64%。