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        電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)在重金屬廢水處理中的應(yīng)用研究

        2020-04-02 08:09:32袁春燕蔣曉云徐先鋒易亞男
        有色設(shè)備 2020年1期

        袁春燕, 蔣曉云, 徐先鋒, 易亞男

        (長沙華時(shí)捷環(huán)保科技發(fā)展股份有限公司, 湖南 長沙 410006)

        重金屬廢水來源于冶金、電鍍、采礦、化工等行業(yè),如礦山排水、選礦廠尾礦排水、有色金屬冶煉廠排水、電鍍廠鍍件洗滌水,以及電解、農(nóng)藥、醫(yī)藥、油漆、顏料等工業(yè)的廢水。廢水中重金屬離子的種類、含量及其存在形態(tài)隨不同生產(chǎn)種類而異,差異很大[1]。

        重金屬對微生物的毒性己經(jīng)被廣泛的研究[2]。微量濃度的重金屬即可使天然水體產(chǎn)生毒性效應(yīng),某些重金屬在微生物作用下轉(zhuǎn)化為金屬有機(jī)化合物,從而產(chǎn)生更大的毒性。一般重金屬產(chǎn)生毒性的范圍大約在1.0~10 mg/L之間,毒性較強(qiáng)的重金屬如鎘、汞等,毒性濃度范圍在0.001~0.1 mg/L[3]。水中的重金屬可以通過食物鏈富集,并通過多種途徑(食物、飲水、呼吸)進(jìn)入人體,與體內(nèi)有機(jī)成分結(jié)合成金屬絡(luò)合物或金屬螯合物,從而對人體產(chǎn)生危害。

        隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展,重金屬廢水大量排放,重金屬污染日益嚴(yán)重。水中的重金屬通過各種方式造成土壤、水生生物等的污染,重金屬在食物和生物鏈中不同程度的累積,對人類的生存和健康造成了嚴(yán)重的危害。

        目前,世界上重金屬廢水處理方法主要有三類[4]:第一類是化學(xué)法,主要是指水中重金屬離子通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)除去的方法,包括中和沉淀法、硫化物沉淀法、鐵氧體沉淀法、鋇鹽沉淀法、氧化還原法、鐵粉法、電解法等;第二類是物理化學(xué)法,指使廢水中的重金屬在不改變其化學(xué)形態(tài)的條件下采用氣浮法、離子交換法、吸附法、溶劑萃取法、液膜法、反滲透法和電滲析法等除去的方法;第三類是生物法,指借助微生物或植物的絮凝、吸收、積累、富集等作用去除廢水中重金屬的方法,其中包括生物絮凝法、 生物化學(xué)法、生物吸附法、生物沉淀法等。

        1 電化學(xué)技術(shù)及納米晶磁技術(shù)介紹

        1.1 電化學(xué)技術(shù)介紹

        電化學(xué)技術(shù)屬于化學(xué)法,通過給多塊鋼板加直流電,在鋼板之間產(chǎn)生電場,待處理的水流入鋼板的空隙。在該電場中,通電的鋼板會有一部分被消耗,變成鐵離子進(jìn)入水中。電場中的離子與非離子污染物被通電,并與電場中電離的產(chǎn)物以及鐵離子發(fā)生反應(yīng)。在此過程中,各種離子相互作用,以其最穩(wěn)定的形式結(jié)合成固體顆粒,從水中沉淀出來。

        由于電化學(xué)過程中電解反應(yīng)的產(chǎn)物只是離子,不需要投加任何氧化劑或還原劑,對環(huán)境不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生污染,且該技術(shù)可以處理同時(shí)含有鎘、砷、銻、銅、鋅、汞、銀、鎳、鉈等多種重金屬離子的廢水,因此電化學(xué)技術(shù)可以被稱為是一種環(huán)境友好、高效的水處理技術(shù)。

        1.2 納米晶磁技術(shù)介紹

        沉淀技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的水處理技術(shù),適用于各種場合的固液分離處理。從20世紀(jì)初到現(xiàn)在,沉淀技術(shù)的發(fā)展依次經(jīng)歷了靜態(tài)沉淀、污泥接觸型沉淀、污泥循環(huán)型沉淀和加載沉淀。

        納米晶磁技術(shù)屬于加載沉淀,是在常規(guī)混凝沉淀工藝中投加了納米晶磁磁種,作為沉淀物結(jié)晶晶核。納米晶磁磁種的投加有利于混凝絮體生成與長大,同時(shí)納米晶磁磁種可與混凝絮體有效地結(jié)合[5],使混凝絮體密度遠(yuǎn)超過常規(guī)混凝工藝形成的絮體,可大幅提高絮體的沉降速度,從而減少沉降時(shí)間和水處理設(shè)備的占地面積[6]。

        納米晶磁技術(shù)同步設(shè)置了納米晶磁磁種回收系統(tǒng),將絮體污泥中的納米晶磁磁種和化學(xué)沉淀物進(jìn)行分離,納米晶磁磁種可以循環(huán)使用,降低運(yùn)行費(fèi)用。納米晶磁技術(shù)主要包括磁絮凝反應(yīng)過程、高速沉降固液分離過程和納米晶磁磁種回收過程。

        2 電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)處理重金屬廢水的研究

        2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

        采用中試實(shí)驗(yàn)研究電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)在重金屬廢水處理上的應(yīng)用效果,并研究不同分子量絮凝劑(PAM)、不同表面水力負(fù)荷對納米晶磁技術(shù)處理效果的影響,確定電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)應(yīng)用于重金屬廢水處理的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

        2.2 實(shí)驗(yàn)材料及裝置

        2.2.1 實(shí)驗(yàn)材料

        河南某鉛鋅冶煉企業(yè)產(chǎn)生的含砷、鉈重金屬廢水采用“硫化反應(yīng)、沉淀+石灰中和反應(yīng)、沉淀+電化學(xué)+曝氣+斜板沉淀”的處理工藝,本中試用水為石灰中和反應(yīng)、沉淀工段產(chǎn)水,水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

        表1 電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)中試實(shí)驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)

        2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

        表2 實(shí)驗(yàn)裝置一覽表

        2.2.3 納米晶磁中試設(shè)備

        納米晶磁中試設(shè)備包括加藥系統(tǒng)、磁絮凝反應(yīng)區(qū)、高速沉降固液分離區(qū)和納米晶磁磁種回收系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1、圖2所示。

        圖1 納米晶磁中試設(shè)備立面圖

        圖2 納米晶磁中試設(shè)備平面圖

        2.3 實(shí)驗(yàn)工藝流程

        納米晶磁中試設(shè)備設(shè)于河南某鉛鋅冶煉企業(yè)含砷、鉈重金屬廢水處理曝氣池附近。電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)處理重金屬廢水中試工藝流程如圖3所示。

        圖3 電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)處理重金屬廢水中試工藝流程圖

        石灰中和反應(yīng)、沉淀工段產(chǎn)水送至原有處理系統(tǒng)的電化學(xué)設(shè)備中處理,廢水中的As3+和Tl+在電化學(xué)設(shè)備的陽極分別被氧化成容易形成化學(xué)沉淀的As5+和Tl3+,As5+和Tl3+與電化學(xué)設(shè)備中產(chǎn)生的Fe3+和OH-反應(yīng),生成FeAsO4和Tl(OH)3,并與Fe(OH)3膠體形成共沉物;隨后采用潛污泵將電化學(xué)曝氣池的出水泵送至納米晶磁中試設(shè)備;在納米晶磁中試設(shè)備的磁絮凝反應(yīng)區(qū)中加入定量的磁粉(本中試實(shí)驗(yàn)首次磁粉加入量約為50 kg,后續(xù)根據(jù)出水效果調(diào)整),然后通過加藥系統(tǒng)加入絮凝劑(PAM);經(jīng)磁絮凝反應(yīng)的出水重力流入高速沉降固液分離區(qū)進(jìn)行泥水分離,上清液溢流排放;污泥經(jīng)納米晶磁磁種回收系統(tǒng)回收磁種后外排,磁種則進(jìn)入磁絮凝反應(yīng)區(qū)循環(huán)利用。

        2.4 實(shí)驗(yàn)方法

        (1)不同分子量絮凝劑(PAM)對處理效果的影響研究

        采用燒杯實(shí)驗(yàn),定性比對在不投加混凝劑的情況下,不同分子量絮凝劑(PAM)對電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)應(yīng)用于重金屬廢水處理的處理效果的影響。實(shí)驗(yàn)步驟:將分子量800萬和1 600萬的絮凝劑(PAM)配制成1‰濃度待用;取實(shí)驗(yàn)樣品500 mL原水于燒杯中,向燒杯中投加0.5 g磁粉,攪拌0.5~1 min;向燒杯中滴加絮凝劑(PAM),投加量3ppm,攪拌0.5 min后,逐漸降低攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速、靜置,觀察實(shí)驗(yàn)效果。

        (2)不同表面水力負(fù)荷對處理效果的影響研究

        選取三種不同的固液分離區(qū)表面水力負(fù)荷參數(shù)進(jìn)行中試實(shí)驗(yàn),確定電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)中的最佳固液分離區(qū)(沉淀區(qū))表面水力負(fù)荷參數(shù)。穩(wěn)定電化學(xué)設(shè)備的產(chǎn)水量為1 000 m3/d,開啟潛污泵從曝氣池取水,通過調(diào)節(jié)回流閥控制納米晶磁中試設(shè)備的進(jìn)水量和表面水力負(fù)荷;開啟加藥系統(tǒng)中的絮凝劑加藥計(jì)量泵向磁絮凝反應(yīng)區(qū)投加絮凝劑(PAM,分子量1 600萬),投加量3ppm;穩(wěn)定0.5 h后取出水樣進(jìn)行檢測。同時(shí)檢測河南某鉛鋅冶煉企業(yè)產(chǎn)生的含砷、鉈重金屬廢水處理系統(tǒng)出水作對比。

        2.5 分析方法

        實(shí)驗(yàn)分析項(xiàng)目為固體懸浮物(SS)、As和Tl,檢測方法見表3。

        表3 實(shí)驗(yàn)分析項(xiàng)目及檢測方法表

        3 結(jié)果與討論

        3.1 不同分子量絮凝劑(PAM)對處理效果的影響研究

        絮凝劑分子量是影響電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)處理重金屬廢水的處理效果的重要因素之一,且在工程應(yīng)用中較易實(shí)現(xiàn)通過更換不能分子量的絮凝劑來優(yōu)化處理效果。

        實(shí)驗(yàn)中采用兩種不同分子量絮凝劑(PAM),分子量分別為800萬和1 600萬,燒杯實(shí)驗(yàn)反應(yīng)靜置后效果如圖4所示。

        圖4 不同分子量絮凝劑用于納米晶磁技術(shù)的處理效果

        由圖4可知,分子量為1 600萬的絮凝劑(PAM)在納米晶磁技術(shù)燒杯實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的絮凝更密實(shí),沉淀后上清液更清澈。

        納米晶磁磁種本身具有巨大的比表面積,對水中懸浮顆粒及膠體物質(zhì)同時(shí)具有電性中和、磁性吸附和聚集作用[7]。而絮凝劑(PAM)的分子量越大,其聚合物鏈長越長,對微粒的范德華力增大,所帶極性基團(tuán)的數(shù)目也增多,對水中懸浮顆粒及膠體物質(zhì)的吸附速度加快,降低微粒表面電位的能力也提高。因此分子量為1 600萬的絮凝劑(PAM)與納米晶磁磁種具有更好的磁混凝協(xié)同效果。

        3.2 不同表面水力負(fù)荷對處理效果的影響研究

        固液分離區(qū)(沉淀區(qū))表面水力負(fù)荷是影響電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)處理效果的重要因素,直接決定該組合技術(shù)的處理能力。

        實(shí)驗(yàn)中采用三種不同的固液分離區(qū)(沉淀區(qū))表面水力負(fù)荷參數(shù),分別為10 m3/m2·h、15 m3/m2·h和20 m3/m2·h,同時(shí)與原工藝出水?dāng)?shù)據(jù)對比,出水檢測結(jié)果如表4所示。

        由表4可以看出,采用電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)處理含砷、鉈重金屬廢水時(shí),在絮凝劑(PAM,分子量1 600萬)投加量為3ppm,固液分離區(qū)(沉淀區(qū))表面水力負(fù)荷為10 m3/m2·h、15 m3/m2·h和20 m3/m2·h的情況下,出水中:SS均小于10 mg/L,去除率高于98.4%;As均低于0.3 mg/L,去除率高于99.3%;Tl未檢出,去除率接近100%。出水水質(zhì)滿足《鉛、鋅工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 25466—2010)的要求。

        表4 不同表面水力負(fù)荷下電化學(xué)與納米晶磁

        由表4可以看出,采用電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)處理含砷、鉈重金屬廢水時(shí),固液分離區(qū)(沉淀區(qū))表面水力負(fù)荷低于15 m3/m2·h的情況下,出水水質(zhì)優(yōu)于“電化學(xué)+斜板沉淀池”出水。納米晶磁中試設(shè)備固液分離區(qū)占地面積1.38 m2(長1.20 m、寬1.15 m),而類似項(xiàng)目中采用普通斜板沉淀池表面水力負(fù)荷一般為2.0~2.5 m3/m2·h,占地面積為8.28~10.35 m2,節(jié)約占地面積約85%。

        采用電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)處理含砷、鉈重金屬廢水時(shí),不用投加混凝劑(PAC)。因?yàn)樵陔娀瘜W(xué)設(shè)備的運(yùn)行過程中,可溶性陽極鐵極板電解產(chǎn)生陽離子—Fe2+,進(jìn)一步曝氣氧化成Fe3+,經(jīng)水解、聚合,產(chǎn)生多核羥基絡(luò)合物及氫氧化物,這些物質(zhì)作為混凝劑,在納米晶磁磁種的協(xié)同作用下,對水中污染懸浮物及膠體進(jìn)行混凝、絮凝。

        4 結(jié)論

        (1)電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)應(yīng)用于重金屬廢水處理,絮凝劑(PAM)的分子量影響絮凝效果,1 600萬分子量的絮凝劑(PAM)相比于800萬分子量的絮凝劑(PAM),與納米晶磁磁種具有更好的磁混凝協(xié)同效果,更有利于污染物的去除。

        (2)電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)應(yīng)用于重金屬廢水處理,固液分離區(qū)(沉淀區(qū))較優(yōu)表面水力負(fù)荷為15 m3/m2·h,相比普通斜板沉淀池,節(jié)約占地面積約85%。

        (3)電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)應(yīng)用于重金屬廢水處理,不用投加混凝劑(PAC),混凝劑消耗減少100%。

        (4)電化學(xué)與納米晶磁組合技術(shù)應(yīng)用于重金屬廢水處理在減少藥耗、縮短沉降時(shí)間、減少占地面積、降低工程投資和運(yùn)行成本上有很大優(yōu)勢,具有非常好的應(yīng)用前景。

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