劉 紅，查方來(lái)

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢，430081)

復(fù)合絮凝劑(PAC+PAM+磁粉)處理熱軋廢水的試驗(yàn)研究

劉 紅，查方來(lái)

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢，430081)

將磁粉與聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)聯(lián)用組成復(fù)合絮凝劑來(lái)處理熱軋廢水。在改變絮凝劑各組分投加量的條件下進(jìn)行絮凝試驗(yàn)，分析熱軋廢水的濁度和含油量變化，研究復(fù)合絮凝劑的最優(yōu)投加方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)磁粉、PAC和PAM的投加量分別為5 mg/L、15 mg/L和1.5 mg/L時(shí)，熱軋廢水的凈化效果最佳，其濁度由82.6 NTU降為10.5 NTU，含油量由15.62 mg/L降為7.44 mg/L。

熱軋廢水；磁粉；復(fù)合絮凝劑；廢水處理

熱軋廢水是在熱軋鋼過(guò)程中以水為冷卻劑直接冷卻軋輥、軸承等設(shè)備以及高壓水除鱗時(shí)產(chǎn)生的，其主要污染物有兩種[1-2]：一種是鋼板在加工過(guò)程中產(chǎn)生的氧化鐵皮，它們隨冷卻水進(jìn)入地溝，排入濁環(huán)水處理單元；另一種是油類，主要來(lái)源于熱軋過(guò)程中作為潤(rùn)滑劑和冷卻劑使用的乳化液或棕櫚油，這些油類在失去作用后排入濁環(huán)水處理單元，形成含油乳化液廢水。由于氧化鐵皮和油類物質(zhì)常常黏附在一起形成油泥，極易導(dǎo)致冷卻水噴嘴堵塞，影響設(shè)備安全，或是附著在產(chǎn)品上，造成軋件表面的泥斑和微坑，影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此它們是熱軋濁環(huán)水處理中需要解決的主要問(wèn)題[3-4]。

目前，熱軋濁環(huán)水處理主流工藝由旋流沉淀(一級(jí))、平流沉淀(二級(jí))和除油過(guò)濾三步驟組成[5]。旋流沉淀池用于分離去除大的氧化鐵皮類顆粒；平流沉淀池用于處理較小的顆粒物及部分油類物質(zhì)，通常需投加一定的絮凝劑以強(qiáng)化去除效果；除油過(guò)濾器主要用于攔截前面步驟中仍未處理干凈的污染物以保障水質(zhì)達(dá)標(biāo)。在平流沉淀池中，通常投加聚合氯化鋁(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)復(fù)合絮凝劑[6]， 但其絮凝效果還有待于進(jìn)一步改善。

磁粉具有穩(wěn)定絮體并少量吸附油脂的作用[7-8]，可強(qiáng)化絮凝效果，因此本文擬研發(fā)一種磁粉強(qiáng)化復(fù)合絮凝劑來(lái)處理熱軋廢水。以鐵磷為原料，采用粉磨加工及磁化處理工藝制備磁粉，將磁粉與PAC、PAM聯(lián)用組成復(fù)合絮凝劑，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化復(fù)合絮凝劑的配方，以期在保證熱軋廢水處理效果的同時(shí)降低處理成本。

1 試驗(yàn)

1.1 原料及試劑

試驗(yàn)用熱軋廢水取自某熱軋廠，廢水濁度為82.6±5.0 NTU、含油量為15.62 mg/L。鐵磷粉取自某鋼鐵企業(yè)所屬粉末冶金公司，為工業(yè)鐵磷經(jīng)過(guò)干燥和球磨得到。PAC和 PAM均為化學(xué)純?cè)噭?/p>

1.2 試驗(yàn)器材

主要包括N35銣鐵硼永磁鐵、JJ-4型六聯(lián)電動(dòng)攪拌器、HAC2100P型濁度計(jì)以及OIL-6D型全自動(dòng)紅外測(cè)油儀。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 磁粉的制備

將鐵磷粉置于瑪瑙研缽中，手工研磨，過(guò)200目篩，取篩下份備用。將200目以下的鐵磷粉按照約5 g/dm2的標(biāo)準(zhǔn)平鋪在一張白紙上，用數(shù)個(gè) N35銣鐵硼永磁體拼在一起形成一定面積的方形，然后將平鋪好的鐵磷粉連同白紙置于其上，保持10 min，將鐵磷粉制備成磁粉，收集待用。

1.3.2 絮凝試驗(yàn)

取熱軋廢水200 mL加入錐形瓶中, 按照一定用量首先加入PAC或磁粉，在300 r/min下攪拌1 min后，加入一定量PAM攪拌30 s，再以60 r/min攪拌10 min，靜置30 min。吸取液面下方1 cm處清液，測(cè)定水樣濁度及含油量。廢水的濁度去除率和油類去除率分別按式(1)和式(2)計(jì)算。

(1)

(2)

式中：Turbm為處理后上清液的濁度;Turbo為熱軋廢水原液的濁度；Oilm為處理后上清液的含油量；Oilo為熱軋廢水原液的含油量。

2 結(jié)果與討論

2.1 PAC投加量對(duì)熱軋廢水濁度和油類去除效果的影響

單獨(dú)采用PAC為絮凝劑，在PAC投加量為 1～40 mg/L的條件下進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)處理后的熱軋廢水濁度和含油量，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 不同PAC投加量下的熱軋廢水濁度去除率

Fig.1 Turbidity removal rate of hot rolling wastewater at different PAC dosages

圖2 不同PAC投加量下的熱軋廢水油類去除率

Fig.2 Oil removal rate of hot rolling wastewater at different PAC dosages

由圖1和圖2可見(jiàn)，PAC投加量越大，熱軋廢水的濁度及油類去除效果越好，但投加量達(dá)到一定數(shù)值后，濁度及油類去除率的提高速率變緩。對(duì)于濁度而言，當(dāng)PAC投加量大于20 mg/L時(shí)，其絮凝效果接近飽和，進(jìn)一步加大PAC用量不具有經(jīng)濟(jì)性，而當(dāng)PAC投加量大于30 mg/L時(shí)，油類去除率的提高程度也不大。綜合考慮，合理的PAC投加量為20～30 mg/L。

對(duì)比圖1和圖2還可以看出，在PAC投加量從1 mg/L增加到40 mg/L的過(guò)程中，濁度去除率迅速提高并趨于穩(wěn)定，而油類去除率的變化則相對(duì)較緩。熱軋廢水中含油量與濁度的變化規(guī)律不完全一致的主要原因可能在于，PAC對(duì)濁度的去除主要靠絮凝作用，當(dāng)廢水中懸浮物減少到一定量時(shí)絮凝劑的使用效率就會(huì)迅速降低，而PAC對(duì)油類的去除主要靠吸附作用，因此油類去除率變化曲線相對(duì)呈準(zhǔn)線性關(guān)系[9]。

2.2 PAM投加量對(duì)熱軋廢水濁度和油類去除效果的影響

采用PAC+PAM為絮凝劑，固定PAC投加量為20 mg/L，考察PAM用量為0.25～4 mg/L條件下熱軋廢水的濁度和油類去除率，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 不同PAM投加量下的熱軋廢水濁度去除率

Fig.3 Turbidity removal rate of hot rolling wastewater at different PAM dosages

Fig.4 Oil removal rate of hot rolling wastewater at different PAM dosages

由圖3可看出，0.25～4 mg/L 用量的PAM與20 mg/L用量 的PAC配合使用，可將熱軋廢水的濁度由20 NTU有效降至10 NTU左右；當(dāng)PAM投加量大于1.5 mg/L時(shí)，其輔助絮凝效果已不明顯。這是因?yàn)?，PAC在絮凝過(guò)程中主要起中和電荷的作用，而PAM是一種長(zhǎng)鏈狀高分子，它在絮凝過(guò)程中主要起架橋的作用，廢水中的小顆粒物首先被PAC中和、脫穩(wěn)并形成初步的小聚集體，PAM進(jìn)一步通過(guò)架橋作用將小聚集體連接成較大的聚集體，強(qiáng)化了絮凝效果[10]。少量PAM即可實(shí)現(xiàn)較完全的架橋功能，投入超過(guò)一定量時(shí)其對(duì)絮凝效果的強(qiáng)化不再明顯。由圖4可看出， PAM對(duì)于去除油類物質(zhì)的輔助作用不顯著。這主要是因?yàn)橛皖愇镔|(zhì)屬于中性或近似中性，對(duì)于電荷的反應(yīng)不敏感，油類本身不會(huì)絮凝沉降，但在絮凝沉降過(guò)程中其可以被顆粒物通過(guò)黏附卷掃等作用而附帶去除一部分，因此少量的PAM對(duì)油類物質(zhì)的去除效果影響有限。

2.3 PAC +PAM+磁粉對(duì)熱軋廢水濁度和油類的去除效果

以PAC+PAM+磁粉為復(fù)合絮凝劑進(jìn)行絮凝試驗(yàn)，固定PAM用量為1.5 mg/L，磁粉與PAC的總投加量為20 mg/L，逐步增加磁粉的投加量而減少PAC的投加量，得到不同磁粉投加量下的熱軋廢水濁度和油類去除率，如圖5和圖6所示。

由圖5可以看出，在磁粉投加量由0提高至5 mg/L(同時(shí)PAC投加量由20 mg/L降至15 mg/L)的過(guò)程中，處理后的廢水濁度基本穩(wěn)定在10 NTU左右，與直接采用PAC(用量20 mg/L)+PAM(用量1.5 mg/L)的絮凝效果基本相同。這是因?yàn)闊彳垙U水中的顆粒物(主要為氧化鐵皮類物質(zhì))通常具有順磁性，能夠被磁性物質(zhì)所吸引，在絮凝過(guò)程中，磁粉可在水中起到聚集核及穩(wěn)定絮體的作用，從而提高PAC的使用效率，強(qiáng)化絮凝效果。當(dāng)磁粉投加量大于5 mg/L、PAC投加量小于15 mg/L時(shí)，隨著磁粉加入量的提高廢水濁度反而增加。這主要是由于PAC用量減少，其對(duì)廢水中顆粒物的電荷中和效應(yīng)降低，而磁粉本身為中性，不具備中和電荷的能力，因此絮凝效果隨著PAC用量的減少而逐步變差。

Fig.5 Turbidity removal rate of hot rolling wastewater at different magnetic powder dosages

Fig.6 Oil removal rate of hot rolling wastewater at different magnetic powder dosages

由圖6可以看出，在磁粉投加量由0增至3 mg/L(同時(shí)PAC投加量由20 mg/L降至17 mg/L)的過(guò)程中，熱軋廢水的含油量小幅降低；在磁粉投加量繼續(xù)增加至5 mg/L(同時(shí)PAC投加量減少至15 mg/L)的過(guò)程中，熱軋廢水的含油量略微減少。這主要是因?yàn)榇欧郾旧韺?duì)油類物質(zhì)具有吸附作用，在絮體數(shù)量沒(méi)有明顯減少的條件下可少許提高絮凝過(guò)程中油類物質(zhì)的去除率。當(dāng)磁粉投加量大于5 mg/L時(shí)，熱軋廢水的油類去除率明顯降低，這主要是由于PAC用量的減少導(dǎo)致絮體產(chǎn)生數(shù)量不足，從而造成對(duì)油類物質(zhì)的去除效果不佳。

綜上所述，比較適宜的磁粉投加量為5 mg/L，可用于替代PAC+PAM絮凝劑中約25%的PAC。對(duì)初始濁度為82.6 NTU、含油量為15.62 mg/L的熱軋廢水，使用PAC(用量20 mg/L)+PAM(用量1.5 mg/L)進(jìn)行處理后，其濁度可降至10.3 NTU、含油量降至9.81 mg/L，而使用PAC(用量15 mg/L)+PAM(用量1.5 mg/L)+磁粉(用量5 mg/L)進(jìn)行處理后，其濁度可降至10.5 NTU、含油量降至7.44 mg/L。因此，與PAC+PAM絮凝劑相比，磁粉強(qiáng)化復(fù)合絮凝劑在基本保持對(duì)熱軋廢水濁度處理效果的同時(shí)，其對(duì)廢水中油類物質(zhì)的去除率有所提高，在技術(shù)指標(biāo)上具有一定的先進(jìn)性。

3 結(jié)論

(1)本研究開(kāi)發(fā)了一種用于處理熱軋廢水的磁粉強(qiáng)化復(fù)合絮凝劑(PAC+PAM+磁粉)。對(duì)于試驗(yàn)所用熱軋廢水，在PAC投加量為15 mg/L、PAM投加量為1.5 mg/L、磁粉投加量為5 mg/L的條件下，其使用效果最佳。廢水濁度可由82.6 NTU降至10.5 NTU，含油量可由15.62 mg/L降至7.44 mg/L。

(2)磁粉在水中起到聚集核及穩(wěn)定絮體的作用，提高了PAC的使用效率，從而強(qiáng)化了絮凝效果。在保證廢水凈化效果的前提下，磁粉強(qiáng)化復(fù)合絮凝劑中的磁粉可替代PAC+PAM絮凝劑中約25%的PAC，降低了熱軋廢水處理成本。

[1] 劉杰. 熱軋濁環(huán)水質(zhì)改善和提高的研究[J]. 廣東化工, 2013, 40(11): 223-224.

[2] 張景來(lái)，王劍波，常冠欽，等. 冶金工業(yè)污水處理技術(shù)及工程實(shí)例[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[3] 熊國(guó)宏，蒼大強(qiáng)，李素芹，等．低濁、高油軋鋼濁環(huán)水處理試驗(yàn)研究[J]. 工業(yè)水處理, 2008, 28(6): 39-42.

[4] 于爾捷，陳浩，姜安璽．用復(fù)合絮凝劑處理含乳化油廢水的試驗(yàn)研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2002, 2(4): 3-6.

[5] 鞏恩輝. 軋鋼廢水處理的工藝分析[J]. 科技信息, 2012(19): 289-290.

[6] Yang W Y, Qian J W, Shen Z Q. A novel flocculant of Al(OH)3-polyacrylamide ionic hybrid[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2004, 273(2): 400-405.

[7] 王進(jìn), 陳衛(wèi)，劉成. 磁粉與PAM聯(lián)用強(qiáng)化飲用水處理的試驗(yàn)研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2014, 14(5): 197-200.

[8] 陳瑜, 李軍, 陳旭孌, 等．磁絮凝強(qiáng)化污水處理的試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)給水排水, 2011, 27(17): 78-81.

[9] Tansel B, Dimitric-Clark V. Microscopic characterization of oil droplets removed by flocs after coagulation of oil-water emulsions[J]. Journal of Environmental Science and Health Part A, 2002, 37(2): 127-138.

[10]Bache D H, Johnson C, McGilligan J F, et a1. A conceptual view of floc structure in the sweep floc domain[J]. Water Science and Technology, 1997, 36(4): 49-56.

[責(zé)任編輯 尚 晶]

Experimental study on treatment of hot rolling wastewater byusing composite flocculant (PAC+PAM+magnetic powder)

LiuHong,ZhaFanglai

(College of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China)

A composite flocculant made up of magnetic powder, polyaluminium chloride (PAC) and polyacrylamide (PAM) was used in the hot rolling wastewater treatment. Flocculation tests were conducted with different added quantities of each flocculant component. The variations in turbidity and oil content of the wastewater were analyzed, and the optimum dosage of the composite flocculant was studied. Experimental results show that the best purifying effect for the hot rolling wastewater is obtained when the dosages of magnetic powder, PAC and PAM are 5 mg/L, 15 mg/L and 1.5 mg/L, respectively. Under that condition,turbidity of the wastewater decreases from 82.6 NTU to 10.5 NTU and oil content drops from 15.62 mg/L to 7.44 mg/L.

hot rolling wastewater; magnetic powder; composite flocculant; wastewaer treatment

2015-05-08

湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2014CFB821).

劉 紅(1964-)，女，武漢科技大學(xué)教授.E-mail：504227090@qq.com

X703.1

A

1674-3644(2015)05-0361-04