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        乳化液廢水硫酸鋁混凝破乳與硫酸溶解絮渣研究

        2018-10-31 08:20:42張笑維許芝費洪劍費慶志
        大連交通大學(xué)學(xué)報 2018年5期

        張笑維,許芝,費洪劍,費慶志

        (大連交通大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)*

        0 引言

        在金屬加工過程中及材料制造業(yè)中,乳化液作為潤滑劑及冷卻液而使用,每年有著較大的排放量.這些乳化液主要含有有機油及礦物油[1],還有表面活性劑及其他雜質(zhì).因為表面活性劑的存在降低了油水界面張力,形成了較強的界面膜,使得乳化液呈相對穩(wěn)定的狀態(tài).這類乳化液大都為COD高且較難處理的廢水.廢乳化液乳化程度高,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,有機物濃度和含油量高,如果排放不當,將會對環(huán)境造成非常嚴重的污染[2].常規(guī)的乳化液廢水處理方式包括超濾法[3],物理化學(xué)法[4],化學(xué)法[5],生物法[6]等.通常乳化液廢水的預(yù)處理過程先進行破乳,再進行油水分離.采用混凝方法進行乳化液廢水的預(yù)處理,可以在達到油水分離的同時,去除掉很多有機及無機污染物,且所用設(shè)備及操作手法簡單.相對的局限性較小[7].

        本文以某工廠乳化液為研究對象,提出了以混凝為主要方法的生化前處理過程.在混凝過程中采用硫酸鋁作為混凝劑并對高分子絮凝劑進行篩選,篩選出最高效、經(jīng)濟的絮凝劑,并確定其復(fù)配比例,這為后續(xù)的生化處理提供了保障.所產(chǎn)生的混凝絮渣屬于危險廢棄物,采用酸化法使用硫酸進行溶解,得到可循環(huán)使用的混凝劑,并證明其可行性.

        1 材料與方法

        1.1 原水參數(shù)

        乳化液取自大連開發(fā)區(qū)某工廠,為O/W型乳化液.其表面有黑色浮油,乳化液呈乳黃色,有輕微油脂氣味,其水質(zhì)見表1.

        表1 乳化液原水參數(shù)

        1.2 分析方法

        COD:重鉻酸鉀法、BOD5:微生物傳感器快速測定法、氨氮:納氏試劑分光光度法、磷:鉬銻抗分光光度法、電導(dǎo):電導(dǎo)率儀、pH:pH計、SS:重量法、含水率:重量法.

        1.3 儀器及實驗藥品

        儀器:KDB-ⅢCOD消解儀(青島科迪博電子有限公司)、98- 2磁力攪拌器(鞏義市子華儀器有限責任公司)、CP214電子天平(奧豪斯上海有限公司)、DGG- 9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海一恒科技有限公司);pHS- 25實驗室pH計(上海今邁儀器儀表公司)、DDS- 11A數(shù)顯電導(dǎo)率儀(上海雷磁新涇儀器有限公司)、5000可見分光光度計(上海元析儀器有限公司)、SPX- 250BS-Ⅱ生化培養(yǎng)箱(上海躍進儀器).

        藥品:重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、硫酸銀、濃硫酸、氫氧化鈉、鉬酸銨、酒石酸銻氧鉀、磷酸二氫鉀、鄰菲羅啉、碘化鉀、碘化汞、酒石酸鉀鈉、抗壞血酸、氯化銨、混凝劑為工業(yè)硫酸鋁(Al2(SO4)3·18H2O),硫酸鋁含量為17.9%、陰離子型聚丙烯酰胺(分子量1 200萬)、陽離子型聚丙烯酰胺(分子量800萬)、非離子型聚丙烯酰胺(分子量700萬).

        1.4 實驗方法

        在常溫下(22℃)通過6組燒杯實驗對100 mL乳化液進行處理,用磁力攪拌器進行攪拌8 min,后靜置30 min.通過對上層清液COD去除率的研究,從而選擇最佳混凝劑投加量及最佳助凝劑與pH值.因為COD可以有效反應(yīng)一定條件下有機物相對含量的指標,它反映了水中受還原物質(zhì)的污染程度[8].

        2 結(jié)果與討論

        2.1 硫酸鋁最佳投加量

        在使用酸堿控制pH相同(7.0)情況下依次投加不同量的混凝劑(干式投加).以剛開始出現(xiàn)沉淀時作為基礎(chǔ)投加濃度.

        圖1為Al2(SO4)3·18H2O投加量對COD 去除率的影響,由圖可知在Al2(SO4)3·18H2O固體投加量為21 g/L時,此時COD的去除率達到最大,為78.91%.實際硫酸鋁用量為3.76 g/L.對于無機絮凝劑[9],其性質(zhì)及結(jié)構(gòu)對絮凝作用影響巨大,因為不同的官能團,其極性、親水性、電荷性質(zhì)及電荷中和對于膠體顆粒的吸附及反映效果均不相同.由于硫酸鋁水溶液呈酸性(pH≤2.5),與堿性原水可以更好的作用,乳化液廢水表面通常帶有負電[5],而酸性的高質(zhì)子濃度會使得金屬陽離子存在方式得到增強,從而使溶液離子電性作用增強.存在吸附電性中和與壓縮雙電層的作用,破壞乳化液穩(wěn)定性,增強破乳目的.同時,在酸性條件下會破壞這些表面活性劑的平衡狀態(tài),使這些脂肪酸和脂肪醇從水中游離出來,其混凝后的絮渣可以得到更好地循環(huán).

        圖1 不同Al2(SO4)3·18H2O投加量條件下COD去除率

        2.2 絮凝劑最佳投加量

        在硫酸鋁投加量為3.76 g/L時,在相同pH下使用不同離子類型的PAM測定絮凝劑最佳投加量.設(shè)置6組100mL燒杯實驗,所用PAM均采用濕式投加方法,質(zhì)量濃度為1‰.

        由圖2可知,在不同形式的PAM在COD去除率達到最佳時,陰離子型PAM的相對用量較小,且相對價格較低.故選擇陰離子PAM為最佳絮凝劑,并根據(jù)其在0.005 g/100 mL左右的使用量進行優(yōu)化實驗.

        圖2 不同PAM及其COD的去除率

        由圖3可知在混凝劑硫酸鋁投加量3.76 g/L時,陰離子PAM的最佳投藥量為0.08 g/L,COD去除率為90.17%.可以看出有機高分子助凝劑在相對用量較少的情況下表現(xiàn)出較強的絮凝作用.在其隨著投加量的增加可得到相對較高的去除率,而在投加量過大時會出現(xiàn)膠體再穩(wěn)情況使得COD去除率出現(xiàn)波動.其最終的COD去除率大致相近,而區(qū)別主要體現(xiàn)在助凝劑的用量上.這是由于陰離子型助凝劑其有著更大的相對分子質(zhì)量,在水中因分子內(nèi)離子型集團相互排斥使得分子的伸展度比較大,從而在投加量相對較少情況下表現(xiàn)出良好的絮凝性.在使用了PAM情況下大大縮短了固液分離的時間(見表2).

        圖3 陰離子PAM投加量條件下COD的去除率

        表2 PAM對固液分離的影響

        2.3 最佳pH值

        在混凝劑硫酸鋁投加量3.76 g/L,助凝劑陰離子型PAM投加量0.08 g/L狀態(tài)下確定pH最佳投加量.通過HCl和NaOH調(diào)節(jié)pH范圍在5~10之間.

        由圖4可知,最佳混凝pH在6.5~7.5左右,這是由于pH對于膠體表面的ζ電位以及絮凝劑的性質(zhì)有很大作用.當pH<6.5(或>7.5)時[10],水中的H+或OH-增高影響到越來越多的硫酸鋁水解,使部分藥劑的混凝作用失效,使得去除率下降.最終混凝后上清液達到表3指標.

        圖4 最佳pH的確定

        CODmg/LBOD5mg/LSSmg/L氨氮mg/L磷mg/L電導(dǎo)ms/cm絮渣含水率/%pH8.35×1031.04×1033132180.464.5388.07

        2.4 混凝劑的回收

        乳化液廢水經(jīng)過混凝處理壓濾后會產(chǎn)生總體20%的絮渣,絮渣主要成分是Al(OH)3細小顆粒吸附大量微小油珠及其他雜質(zhì)而形成.根據(jù)《國家危險廢物名錄》該沉淀屬于HW09型危險廢棄物.該絮渣不僅會在排放時產(chǎn)生污染,且每噸的處理價格高達4 000元以上.O/W型乳化液產(chǎn)生沉淀也無法進行焚燒.本實驗用濃硫酸對絮渣處理調(diào)節(jié)pH至0.5~2[11]之間,來達到混凝絮渣的去除及混凝劑的回收.用濃硫酸處理的混合液仍有混凝作用,其原理如圖5.

        圖5 混凝劑循環(huán)使用原理圖

        使用不同量的濃硫酸處理100 mL乳化液產(chǎn)生的廢渣,經(jīng)過濾布過濾并進行擠壓(經(jīng)過過濾含水率經(jīng)在50%左右),將此濾渣使用硫酸溶解,其結(jié)果見表4.

        表4 濃硫酸處理絮渣結(jié)果

        由表4可知硫酸最佳使用量為25~30 mL/L左右.酸溶時間為1 h,用酸酸化后,溶液中Al的存在形式會隨著pH的變化而變化.當pH<3.5時,主要以Al3+存在;pH= 5.5~7.5主要是以多核Al7(OH)174+,Al13(OH)345+,Al13(OH)327+等配位離子;當pH> 7.5時主要是Al(OH)4-.絮渣溶解時,使鋁的形態(tài)發(fā)生變化,大部分變?yōu)锳l3+,微小的油珠從絮渣中溶出,并聚集變大上浮,與水相分開.其回收后的混合液體積約為20 mL,對乳化液(100 mL)進行處理,產(chǎn)生絮渣后再次酸溶,反復(fù)處理乳化液,其結(jié)果如表5所示.

        以混凝劑硫酸鋁處理乳化液COD的去除率達到50%以上計,回收混凝劑使用次數(shù)約在7次左右.在循環(huán)過程中,鋁的流失是導(dǎo)致去除率下降的主要因素,這一點可以從溶液的電導(dǎo)可以看出.并且原沉淀中殘留一部分PAM使得PAM的使用量大大減少.每升乳化液使用的濃硫酸量約為30 mL,NaOH 46.9 g,共計回收乳化油50 mL左右.整個過程中基本無絮渣的產(chǎn)生.

        表5 混凝劑循環(huán)使用處理乳化液實驗

        含油絮渣的處理需要專門的危險廢棄物處理公司,且處理的費用高達到4 000元/t,每噸乳化液產(chǎn)生約占總體積20%的絮渣.以此計算,若將乳化液直接交給危險廢棄物公司處理,處理費用一般達到2 000元/t左右.若采用常規(guī)藥劑處理方法處理每噸乳化液所需硫酸鋁的價格3.2元,PAM約1元,若將絮渣交予危險廢棄物公司,綜合處理費用每噸約800元左右.若采用硫酸鋁混凝及硫酸溶解絮渣方法,除常規(guī)藥劑費用外,加之硫酸每噸15元,NaOH 140元,綜合處理費用每噸小于200元,且采用酸溶乳化液不僅可以消除絮渣的排放,同時使得廢酸得到利用,更可回收油及混凝劑.直接的經(jīng)濟效益達到1 800元/t以上.

        3 結(jié)論

        (1)在混凝劑為硫酸鋁及絮凝劑為陰離子型聚丙烯酰胺時,最佳使用量為3.76 g/L及0.08 g/L,最佳反應(yīng)pH為6.5時,COD、SS去除率達到85%以上.其中BOD及氨氮的去除率也均超過了50%以上,這為后續(xù)的生化及其他處理方式大大減小了壓力;

        (2)經(jīng)混凝后會產(chǎn)生約占總體20%的絮渣.混凝絮渣經(jīng)過酸化溶解,減少甚至消除混凝產(chǎn)生的絮渣,混合液中混凝劑得到回收,在工業(yè)上采用廢酸代替濃硫酸的同時達到以廢治廢的效果.直接的經(jīng)濟收益達到1 800元/t以上.在實際工程應(yīng)用可行;

        (3)回收后的混凝劑仍然有循環(huán)使用的價值,可循環(huán)處理乳化液,循環(huán)次數(shù)約為7次左右.

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