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中纤板废水处理工艺
作者:佚名 文章来源:南京蓝污环保 点击数: 更新时间:2015-3-16
 

中纤板废水是典型的高SS、高COD、高色度的废水,混凝是比较合适的预处理工艺。国内外关于中纤板废水处理方面的文献中,绝大部分都是用混凝工艺作为预处理〔1-2〕,但报道的重点一般都是生物处理阶段或整个工艺流程,对于混凝工艺只是提及,并未做深入研究。事实上,混凝阶段是整个工艺中成本最高、污染物去除效率也最高的阶段,因此有必要对该阶段进行深入研究。

笔者研究以对中纤板废水中SS 和COD 的去除效果为主要依据,旨在筛选出处理中纤板废水最合适的混凝剂并确定最优的混凝工艺,为该工艺的现场应用提供理论数据。

1 实验内容与方法

1.1 废水水质

笔者实验用水取自江苏某木业公司中纤板生产线废水。取来的废水均经过24 h 以上静沉,取上层废水进行实验研究,主要水质指标为:pH 4.8~5.0;COD 7 000~10 000 mg/L;SCOD 6 000~9 000 mg/L;SS3 000~4 000 mg/L;B/C 为0.2~0.3。

1.2 实验方法与步骤

混凝实验采用烧杯实验的方法。在进行混凝实验前,各混凝剂聚合硫酸铁(PFS)、聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铝铁(PAFC)、三氯化铁(FeCl3)均配制成5%溶液,助凝剂聚丙烯酰胺(PAM)配制成0.1%溶液,根据投加体积折算成投加量。具体操作方法和步骤如下:(1)取200 mL 中纤板废水,调节pH。(2)以250 r/min,搅拌30 s,将废水混匀。(3)在废水中投加混凝剂(PFS、PAC、PAFC、FeCl3)后,以200r/min 快速搅拌1 min。(4)在废水中投加助凝剂PAM 后,以40 r/min 慢速搅拌10 min。(5)沉淀不同时间后,取上清液测各水质指标。

1.3 检测指标与分析方法

实验中主要检测指标与分析方法:SS,重量法(GB 11901—1989);COD,快速消解分光光度法(HJ/T399—2007);SCOD,将废水经中速定量滤纸过滤后测滤液的COD;pH,玻璃电极法(GB/T 6920—1986)。

主要仪器:pHs-3C pH 计(上海雷磁仪器厂),JJ-4A 六联电动搅拌器(金坛荣华仪器制造有限公司),CR2800-01 COD 消解仪(上海澜锐仪器科技有限公司),722N 可见光分光光度计(上海精密科学仪器有限公司),Nano 系列纳米粒度和Zeta 电位仪(英国马尔文仪器有限公司)。

2 实验结果与讨论

2.1 混凝剂筛选

选取了较为常见的几种混凝剂,在废水COD6 700 mg/L,不调节废水pH 的情况下,进行混凝实验,考察混凝剂种类对中纤板废水混凝效果的影响,结果见图1。

从图1 可以看出,3 种高分子絮凝剂(PAC、PFS、PAFC)处理效果明显优于无机盐混凝剂(FeCl3)。且对COD 的去除率没有明显差别,在投加量达到1 g/L时,COD 去除率均可达到50%左右。但考虑到废水处理后可能回用到木片水洗单元,而PFS 和PAFC处理后的出水中可能含有Fe2+和Fe3+使水产生色度,进而影响木片颜色,笔者研究后续混凝实验选择PAC 作为混凝剂进行混凝剂工艺的优化。

2.2 废水pH 对混凝效果的影响

废水pH 通常是混凝实验中需要考虑的重要因素。pH 影响着污染物的存在形态和表面性质,也影响着混凝剂的水解平衡和产物存在形态和时间。在同样的混凝条件下,不同废水pH 可能会对处理效果产生很大影响〔3〕。实验调节中纤板废水pH至不同数值后,进行PAC 混凝实验,结果见图2。

从图2 可以看出,当废水pH 在5 左右时,SS 和COD 去除率分别达到最高值99%和50%。pH 增大,SS 和COD 去除率缓慢下降,到pH 为9 以后,下降趋势更为明显。中纤板废水本身的pH 就是在5 左右,因此该实验结果可以避免今后混凝实验中调节pH 的麻烦,直接用中纤板废水进行混凝研究。但目前用PAC 作为混凝剂处理废水的报道中〔4〕,最佳的pH 均在偏碱性范围内。这可能是因为PAC 水解过程中会不断产生H+,因此需要废水中有足够的碱来中和;另一方面,当废水pH 为7~8 时,PAC 的水解产物以Al13形态存在,而Al13一直被认为是PAC 中促进絮凝的最佳成分〔5〕。因此偏碱性的废水有利于PAC 充分水解和Al13发挥最佳的混凝效果。

但实验中的最佳混凝pH 却是在偏酸性环境中,原因值得进一步分析。大部分混凝实验中,并不考虑废水本身pH 的变化对废水脱稳性能的影响,只考察混凝剂能充分水解的pH 范围,并以此来确定最佳的混凝pH。对于成分复杂的工业废水,不同pH 时,废水中的成分、脱稳性能、粒度分布可能产生较大变化〔6〕。比如在碱性条件下,中纤板废水中的木质素大分子逐渐降解,以木素钠盐(R-ONa)形式存在,完全溶于废水中,呈亲水胶体〔7〕,导致废水中SS和SCOD 上升。实验调节中纤板废水pH 后,测定废水中的Zeta 电位值和粒度分布情况,结果见表1 和图3。

表1 不同pH 中纤板废水的Zeta 电位值

从表1 可以看出,在pH 为4~10 的测定范围内,废水的Zeta 电位均为负值,说明废水中的胶粒带负电荷。随着pH 升高,Zeta 电位绝对值呈升高趋势,距离等电点的距离越来越远,胶体脱稳也越来越困难,因此废水pH 越高,混凝效果越差。从图3可以看出,当废水pH 从4 升高至10,粒度分布曲线逐渐向左移动,表明废水中胶体和颗粒物的粒径逐渐减小。而过于细小的粒径无疑增大了混凝的难度,也不利于絮体沉降。

综合以上分析,PAC 混凝中纤板废水的最佳pH 并不在PAC 水解的最佳pH 范围,而在酸性范围达到最高去除率,原因主要是中纤板废水本身的性质随pH 变化而变化造成的。而目前的中纤板厂的废水处理站在用PAC 进行混凝处理前,均加片状氢氧化钠或石灰调节废水pH 为碱性,认为PAC 会在碱性范围内达到最佳混凝效果。但通过上述一系列实验,从现象和机理上均证明了对于中纤板废水,用PAC 混凝的最佳pH 为5,即废水原来的pH,因此完全可以不用调节pH 进行PAC 混凝。该结论对于提高对中纤板废水的混凝效果和降低处理成本均有重要意义。

2.3 PAC 投加量对混凝效果的影响

混凝剂的投加量是影响混凝效果的最重要因素。笔者实验用废水取自实际生产废水,因生产工艺和取水时间不能保证每次都相同,导致每批实验用水的水质有所波动,仅以COD 10 000 mg/L左右,SS3 800 mg/L 左右的废水,在不调节pH 的情况下,进行PAC 投加量的实验,结果见图4。

从图4可以看出,PAC 对中纤板废水的混凝效果非常明显。当PAC 投加量在0~1.5 g/L 时,SS、COD和SCOD 的去除率几乎呈线性增长。在投加量为1.5g/L 时,COD 去除率接近50%并趋于稳定,此时SS去除率达84%、SCOD 的去除率接近22%,且还有上升趋势;在PAC 投加量达2 g/L 时,SS 去除率接近100%,SCOD 的去除率接近30%。继续增加PAC 投加量,SS、COD 和SCOD 的去除率均增加有限。这是因为投加量过大,胶粒表面被PAC 分子所饱和,已无吸附点位而失去架桥作用,而且胶粒被PAC 包裹会带上正电荷,进而导致胶粒间因带同种电荷相互排斥,又重新处于稳定的分散状态。根据实验,确定对于该浓度中纤板废水,PAC 的最佳投加量为2 g/L。

还可以看出,PAC 对于SS 的去除显然比对COD 和SCOD 的去除更加有效。这也体现了PAC 的絮凝机理,主要是对带负电荷的胶粒起到作用,因此对SS 去除率很高。PAC 对于SCOD 的去除,主要是混凝形成的絮体对溶解性有机物的吸附去除,吸附作用有限,因此对SCOD 的去除也有限。PAC 对COD的去除,则一方面是由于混凝作用对胶粒状态的有机物的混凝去除,另一方面是混凝形成的絮体对溶解性有机物的吸附去除,两种作用兼而有之。中纤板废水中,SCOD 占COD 成分的90%左右,由于PAC对SCOD 的去除效率有限,导致对COD 的去除效率也有限。可以推断,PAC 的投加量主要是和废水中SS 直接相关,而不是和COD 直接相关。根据笔者实验结果,在1 L中纤板废水中投加2 g PAC,能将废水中的SS 从3 860 mg/L,降低至32 mg/L,达到最好效果。相当于每去除1 g SS,消耗PAC 0.52 g。在后续实验中,对于不同浓度的中纤板废水,测定SS 后,按上述结论投加PAC。

2.4 沉淀时间对混凝效果的影响

混凝后的沉淀时间取决于絮体沉降速度的快慢,该指标决定了沉淀构筑物的大小,对于工艺的实际应用有重要意义。实验从污染物去除效率和沉淀污泥体积的角度,考察了PAC 混凝中纤板废水最佳的沉淀时间,结果见图5。

液中的SS 和COD 已经保持稳定,不再变化。沉淀时间对SS 和COD 的去除率几乎没有影响,SS 去除率一直接近100%,COD 去除率一直在50%左右波动。而沉淀污泥的体积随着沉淀时间的延长逐渐减小的趋势却非常明显,在60 min 之内几乎呈线性下降,到180 min 时,污泥体积由最初的850 mL 减小到350 mL,被压缩得非常致密。由实验结果,当沉淀时间达到180 min,污泥的沉降、压缩才比较完全,这个结论与相关报道基本一致〔8〕,即在中纤板废水处理工程中建造混凝沉淀池时,池的体积宜按停留时间3 h 设计,这样混凝污泥含水率降低,出水也更加稳定。

2.5 助凝剂PAM 投加量对混凝效果的影响

在无机混凝剂混凝过程中,一般添加有机高分子助凝剂来提高水处理效果。目前应用最广泛的高分子助凝剂是PAM。笔者实验使用相对分子质量为1 000 万的阴离子型PAM 进行助凝实验(PAC 按最佳投加量投加),考察PAM 投加量对混凝效果的影响,结果发现0~20 mg/L 的助凝剂PAM 投加量对中纤板废水中SS 和COD 的去除效果几乎没有影响,相关报道中也有类似的结论〔9〕。原因主要是阴离子型助凝剂和废水中胶粒带同种电荷,无法进行压缩双电层和电性中和作用,其絮凝机理主要是:在混凝后期絮体长大的过程中,促进絮体聚集成较大的粒子,使之迅速沉淀。基于这样的分析,实验又考察了不同PAM 投加量下絮体的沉降速度,结果见图6。

从图6 可以看出,随着PAM 投加量的加大,絮体的沉降速度加快,尤其在较短的沉淀时间内,这种趋势更加明显。PAM 的投加虽然不能进一步提高SS和COD 的去除率,但可以明显提高絮体的沉降速度,缩短沉降时间,减小沉淀池体积。对于实验用中纤板废水,投加5 mg/L 左右的PAM 就可以将沉淀时间由180 min 缩短为110 min 以内,且沉淀110 min后污泥体积减小10%以上,可以明显减小沉淀池容积和沉淀污泥体积,为混凝后的污泥处理带来便利。由笔者实验结果,建议工程中PAM 的投加量为5mg/L 左右。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

3 结论

(1)通过筛选,确定了中纤板废水混凝预处理中适用的混凝剂为PAC。

(2)当中纤板废水pH 为5 左右,即不调节废水pH 时,PAC 混凝中纤板废水的效果最好。该pH 范围内,PAC 虽不能充分水解,但中纤板废水本身在pH 为5 左右时,其成分和所含胶粒的脱稳性能较碱性条件更利于混凝过程。

(3)对于实验用中纤板废水,PAC 投加量达到2g/L 时,SS、COD 和SCOD 的去除率分别接近100%、50%和30%。PAC 对带负电荷的胶粒(即SS)的去除最为有效,推断PAC 投加量主要是与废水中SS 直接相关,并且对于不同浓度中纤板废水,按m(PAC)∶m(SS)=0.52来进行PAC 投加。

(4)沉淀时间对SS 和COD 的去除率并无太大影响,但适当的沉淀时间可以使混凝污泥进一步压实,减少后续污泥处理的困难,且出水更加稳定、清澈。建议工程中混凝沉淀池的水力停留时间为180 min。

(5)助凝剂PAM 的投加对混凝效果几乎没有影响,但可以有效地促进絮体的增大,增加絮体沉降速度和减小污泥体积。投加5 mg/L PAM 可以将沉淀时间由180 min 缩短为110 min 以内,且使污泥体积减小10%以上。

 

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