工业氧化锌炼锌废水的处理工艺

Posted 2023-01-12 絮凝

篇首语：读书是最好的学习。追随伟大人物的思想，是最富有趣味的一门科学。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了工业氧化锌炼锌废水的处理工艺相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

探讨混凝沉淀联合好氧SBR反应器对工业氧化锌炼锌废水的处理效果，分析絮凝剂投加量、配比及pH、温度、污泥质量浓度、水力停留时间和容积负荷对结果的影响，得出混凝阶段阴离子聚丙烯酰胺(APAM)与聚合氯化铝(PAC)的质量比为4∶3，混合絮凝剂质量浓度12mg.L-1，pH 8～9，温度20～35℃；好氧SBR反应器处理阶段污泥质量浓度3 800mg.L-1，水力停留时间10h，容积负荷2.0kg.m-3.d-1为最佳处理工艺。按照最佳工艺处理，效果良好。
陕西某冶炼厂采用直接上料工业氧化锌湿法炼锌的方法制取锌锭，生产过程中产生的废水不仅含有锌、镉、铬等多种重金属离子，还有有机污染物。
目前，国内外对于重金属废水的处理，主要有离子交换法、电解法、絮凝法等，其中絮凝法操作简单，效果甚好。絮凝剂按其化学成分可分为有机絮凝剂和无机絮凝剂2大类。有机絮凝剂最普遍使用的是聚丙烯酰胺类絮凝剂，而无机絮凝剂最常用的是聚合氯化铝，聚合氯化铁、聚合硫酸铝、聚合硫酸铁等。本试验选用阴离子聚丙烯酰胺和聚合氯化铝2种絮凝剂混合处理废水。
聚丙烯酰胺类高分子絮凝剂能在水溶液中电离为大分子聚离子(polyion)和带相反电荷的小分子反离子(counterion)。由于兼有高分子长链和小分子电解质电离的双重结构特性，聚丙烯酰胺有普通中性高分子不具备的特性，如静电作用、离子的导电功能和电场响应效应以及亲水作用等。由于聚丙烯酰胺分子量较大，其絮凝主要遵循吸附架桥机制，即单个絮凝剂分子同时吸附在2个以上胶体或微粒表面，借助其长链特性把胶体或微粒连接在一起。由于具有用量少、效果好、环境污染小等优点，此类絮凝剂在水处理领域得到广泛应用。许多水处理研究者认为，不久的将来，高分子絮凝剂必会取代无机混凝剂。
聚合氯化铝简称聚铝(PAC)是一种高分子无机絮凝剂，聚铝水解产物中具有多核羟基含Al 3+络合物，例如[Al6(OH)14]4+、[Al7(OH)17]4+、[Al8(OH)20]4+等，使用过程中，这些络合物进一步水解，水解产物具有中和黑液胶体负电荷、压缩双电层、降低胶体ξ电位的能力，使原来相斥的胶体变成相互吸引的颗粒，破坏了胶团的稳定性，从而使胶体脱稳，沉淀除去[4-6]。
在水处理中，如只用高分子混凝剂，则处理成本较高，所以一般聚丙烯酰胺常与其他一些无机絮凝剂一起使用，在产生良好处理效果的同时，降低处理费用。另外聚丙烯酰胺的处理效果还受温度、水力条件、投加量等影响[7-8]。实践表明，只有适量投加聚丙烯酰胺，才能在胶体颗粒间产生有效的吸附架桥作用。如投加量过高，水中胶体颗粒被聚合物所包围，就会失去架桥结合的可能性而使胶体微粒处于再稳定状态。
SBR是序批式间歇活性污泥法(SequencingBatch Reactor Activated Sludge Process)的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术。该工艺是一种使用最为广泛的好氧活性污泥处理法之一，具有运行稳定，处理过程时间短、效率高、出水水质高，便于自动运行和管理，运行费用低等特性。企业使用SBR工艺既可以顺利处理废水，又可以节约处理成本[11-12]。本试验采取好氧SBR处理废水来降低其化学需氧量(COD)和氨氮。
1 材料与方法
1.1 材料
西安某炼锌厂的生产废水：淡黄色液体，上层有少量悬浮物，pH 8.1，COD为511mg.L-1，氨氮108mg.L-1，Zn 6.35mg.L-1，Cd 0.71mg.L-1，Cr 1.761mg.L-1，其他重金属含量较低或未检出。厂区生活污水：COD285mg.L-1，氨氮27mg.L-1。
1.2 测定方法
重金属含量测定采用原子吸收分光光度法，COD采用重铬酸钾法，氨氮采用纳氏试剂比色法。
结果取3次重复平均值，并同时进行数据分析质量控制。
1.3 试验方法
1.3.1 处理工艺流程处理工艺流程见图1。

如图1所示，废水首先进入沉淀池使其中的少量颗粒沉淀，上清液进入调节池用氢氧化钠和盐酸调节pH，投加絮凝剂进行絮凝沉降，压滤除去絮体，滤液进入SBR反应器，反应后出水检测。
1.3.2 混凝沉淀
分别单独投加PAC和APAM于废水中，快速搅拌溶解，再以60r.min-1的速度搅拌20min，静置沉降15min，使废水中微粒絮凝，测定废水重金属和COD去除率；用不同配比的PAC和APAM复合絮凝剂重复上述试验，探讨最佳投加量和配比。按照最佳投加量和配比分析pH和温度对去除率的影响，探讨最佳处理条件。
1.3.3 好氧SBR反应器处理
活性污泥的驯化：将取自杨凌污水处理厂生物接触氧化池内的絮状活性污泥作为接种污泥，接种量占SBR池有效容积的25%，活性污泥质量浓度(MLSS)为2 060mg.L-1。驯化期间先连续用生活污水曝气3d，混入絮凝沉淀后的炼锌废水并逐渐增大其比例，反应器运行至第9天时调节生活污水与炼锌废水体积比为1∶5。污泥的颜色由黑色逐渐变成黄褐色，污泥沉淀性能良好，出水COD去除率70%～80%，此时的污泥沉降比为30%～35%。
反应器运行：按照絮凝沉淀后炼锌废水与生活污水体积比为5∶1连续进水15个周期(反应器按照曝气7h，沉淀3h为1个周期)，每升水投加5mg尿素增大BOD5/COD至0.357。研究污泥质量浓度(MLSS)和水力停留时间(HRT)对COD和氨氮的处理效果。
按照以上单因素试验得出最佳工艺，按照最佳工艺进行混凝沉淀联合SBR反应器处理，分析处理效果。
2 结果与分析
2.1 单一絮凝剂对废水的处理效果
废水中加入PAC或APAM，在25℃，pH=8条件下，处理效果见图2。

由图2可见，随PAC或APAM投加量的增加，各金属的去除率均呈上升趋势，但在PAC或APAM质量浓度大于8mg.L-1后，上升趋势减缓。COD的去除率随二者投加量的增大略有上升。
2.2 复合絮凝剂对废水的处理效果
废水中复合絮凝剂质量浓度为5mg.L-1，在25℃，pH=8条件下，不同质量配比絮凝剂的处理效果见图3-A，可以看出，当PAC与APAM质量比为3∶4时，各金属和COD的去除率达到最大，故确定最佳PAC与APAM的质量配比为3∶4。试验中观察到，复合凝絮剂比单独使用PAC或单独使用APAM形成的絮体更密实，沉降速度明显加快。这可能是有机高分子絮凝剂的分子链上“悬挂"了多羟基无机絮体，既体现了无机絮体电中和能力强的特点，又发挥了APAM高分子有机絮凝剂的架桥能力。
按照最佳配比加入复合絮凝剂，分析复合絮凝剂投加量对废水处理效果的影响(图3-B)。可以看出，COD的去除率随着复合絮凝剂投加量的增大略有升高；当复合絮凝剂质量浓度在4～12mg.L-1时，各金属的去除率随复合絮凝剂投加量增大逐渐上升，当复合絮凝剂质量浓度在12～14mg.L-1时，各金属的去除率有所降低。可能是由于当絮凝剂投加量少时，混凝不充分，絮凝效果不好；而用量过大时，废水中胶粒被过多的絮凝剂包围，会使胶粒表面饱和，失去与其他胶粒结合的机会，达到另一种稳定状态，不易凝聚，导致絮凝效果变差。故确定复合絮凝剂最佳质量浓度为12mg.L-1。

2.3 pH和温度对废水处理效果的影响
由图4-A可见，按照最佳配比加入絮凝剂，在15℃，pH为6～8时，各金属去除率逐渐升高，pH>9时，各金属去除率逐渐降低。pH为6～8时，COD去除率呈上升趋势，pH为8～9时，COD去除率基本不变，pH>9时，COD去除率呈下降趋势。故确定絮凝最佳pH为8～9。在炼锌废水处理中，pH值的变化会引起废水中胶体粒子Zeta电位(电动电势)的变化，从而影响絮凝剂的絮凝效果。且只有在合适的pH值条件下，混凝剂中大量的阳离子才能在最大程度上水解、聚合成多核羟基络合离子，更好地发挥其压缩双电层、吸附、凝聚、电中和以及吸附架桥、卷扫网捕等作用，使微粒脱稳而被絮凝去除。
由图4-B可见，在pH=8，温度为20～35℃时，各金属和COD的去除率无显著差异，在15和40℃时，各金属和COD的去除率均有一定程度下降。可能是水温过低时，PAC水解(吸热反应)困难；而且，水温低，粘度大，不利于脱稳胶体相互絮凝，水温过高时，混凝剂的吸附凝聚作用会受到影响，不能最大限度的去除重金属微粒。
2.4 好氧SBR反应器连续运行处理效果及水力停留时间(HRT)对处理效果的影响
在28～35℃，pH=8，水力停留10h，曝气量0.2m3.h-1条件下，反应器连续进水15d。由图5-A可以看出，反应器连续运行1～5d，COD去除率逐渐上升，第5天后，COD去除率稳定在70%～75%，氨氮去除率稳定在60%以上。这是由于好氧SBR反应器中的优势菌种逐渐增长，在运行5d后菌群数量基本稳定，使得COD去除率达到70%以上。由于氨氮的含量并不高，曝气处理的作用比较明显，故去除率稳定在60%以上。

由图5-B可见，水力停留时间在4h时，氨氮和COD的去除率都很低，随着水力停留时间的增加，氨氮和COD的去除率逐渐升高，水力停留时间在10h以上时，氨氮和COD的去除率基本稳定。这是因为，水力停留时间过短，微生物和废水中有机物的接触时间变短，导致微生物对废水中有机污染物的降解尚未完全，因此出水COD和氨氮去除率不高；水力停留时间达到10h以上时，造成负荷过小，可能会导致污泥自身氧化，影响处理效果。故确定最佳水力停留时间为10h。
由图5-C可以看出，随着污泥质量浓度(MLSS)的升高，COD去除率逐渐升高，当污泥质量浓度上升至3 800mg.L-1左右时，COD去除率基本稳定。当MLSS升高到3 800mg.L-1后，COD去除率不再升高，这主要因为当MLSS过高时，活性污泥的沉降性能会受到影响，导致水中一些悬浮性物质的残留氨氮去除率随污泥质量浓度变化不明显，原因可能是大部分氨氮都通过曝气被吹脱，导致污泥浓度在2 300mg.L-1左右时氨氮去除率已经很高。确定最佳污泥质量浓度为3 800mg.L-1。
由图5-D可知，COD的去除率在容积负荷为2.0kg.m-3.d-1时达到最高，氨氮去除率随容积负荷的变化不明显。容积负荷大于2.0kg.m-3.d-1时，COD的去除率有所下降，说明已经超过了反应系统的处理能力。故确定最佳容积负荷为2.0kg.m-3.d-1。
3 最佳工艺试验
由试验得出最佳工艺：混凝阶段絮阴离子聚丙烯酰胺(APAM)与聚合氯化铝(PAC)的质量配比为4∶3，混合絮凝剂质量浓度为12mg.L-1，pH为8～9，温度20～35℃；好氧SBR反应器处理阶段污泥质量浓度3 800mg.L-1，水力停留时间10h，容积负荷2.0kg.m-3.d-1。在最佳条件下进行混凝沉淀联合好氧SBR反应器处理试验，Zn去除率92.4%，Cd去除率93.0%，Cr去除率87.9%，COD去除率84.7%，氨氮去除率92.5%，效果良好。处理后均可达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级标准。