李亞斌
(天津渤化永利化工股份有限公司 天津300452)
在強(qiáng)堿催化正丁醛縮合的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的堿性有機(jī)高鹽污水,由于此污水具有強(qiáng)堿性、高COD等特點(diǎn),難以直接利用生物法進(jìn)行降解,如果直接進(jìn)入污水處理廠極易對(duì)微生物種群和數(shù)量等造成嚴(yán)重的沖擊,使微生物新陳代謝作用受到抑制。目前國(guó)內(nèi)對(duì)此種污水主要采用酸化-萃取法[1]、空氣催化氧化法[2]、氣浮法[3]、吸附沉降法[4]、減壓蒸發(fā)濃縮法[5]等進(jìn)行處理,但是處理效果不明顯,難以滿(mǎn)足目前綠色化工發(fā)展的要求。國(guó)外對(duì)有機(jī)高鹽污水的處理也做了相應(yīng)的研究,如美國(guó)門(mén)噸煉油廠利用流化床焚燒爐將含高含量有機(jī)物的堿性廢水在高溫下進(jìn)行氧化分解,但是此種方法能耗大,操作成本高,燒嘴往往會(huì)因聚合物或堿的結(jié)晶而堵塞[6]。美國(guó)專(zhuān)利US6358419B1采用酸-萃取技術(shù)的方法進(jìn)行縮合廢水處理,該方法中萃取劑隨著回收次數(shù)的增加,再生溫度也不斷提高,在循環(huán)試驗(yàn)多次后,萃取劑再生溫度從180℃提高到250℃,給工業(yè)化生產(chǎn)造成了一定的難度[7]。俄國(guó) H.E.安東諾等在 Nefteterab.Neftelchim上發(fā)表《2-乙基己醇生產(chǎn)中污水凈化》,利用曝氣氧化再生法使污水的COD下降率為80%,處理效果較好,但是污水的高 COD值,使得負(fù)荷劇增導(dǎo)致線性細(xì)菌增加,淤泥膨脹溢流,影響廢水治理工作的正常進(jìn)行[8]。因此急需一種經(jīng)濟(jì)有效、容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的高堿性有機(jī)高鹽縮合廢水處理工藝。
本研究主要通過(guò)臭氧氧化對(duì)工業(yè)廢水中的含苯環(huán)的芳烴、高碳有機(jī)物進(jìn)行斷裂降解,然后采用物理DTRO膜法對(duì)水體中的有機(jī)物進(jìn)行分離并對(duì)水體中的有機(jī)物進(jìn)行回收,解決水體中含油量高和水體濁度高等現(xiàn)象的同時(shí),縮短該有機(jī)高鹽污水的處理周期,降低處理成本。
硫酸、臭氧、丁醛縮合有機(jī)廢水(工業(yè)裝置)、DTRO膜、丁醛縮合污水、氫氧化鈉。
首先對(duì)工業(yè)裝置中的丁醛縮合污水進(jìn)行酸化處理,調(diào)節(jié)水的 pH值,然后對(duì)該有機(jī)污水進(jìn)行臭氧氧化,將氧化后的水體通過(guò)DTRO膜,實(shí)現(xiàn)有機(jī)物與水體的分離。
在正丁醛縮合制辛烯醛的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的高鹽有機(jī)廢水,其中有機(jī)物的含量和組分將會(huì)受到生產(chǎn)運(yùn)行負(fù)荷、油水分離罐中液位的高低、丁醛縮合反應(yīng)中pH值和溫度的波動(dòng)等因素的影響。為了更好地形成一套處理工藝,對(duì)某一運(yùn)行時(shí)段的水質(zhì)進(jìn)行分析,結(jié)果如表1。
表1 丁醛縮合廢水水質(zhì)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics on quality of butyraldehyde condensation wastewater
針對(duì)上述丁醛縮合廢水進(jìn)行酸化預(yù)處理,然后油水相分離。通過(guò)氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)儀對(duì)pH值=1處的油相和水相進(jìn)行檢測(cè)分析,進(jìn)一步了解污水中溶解的有機(jī)物,檢測(cè)結(jié)果圖1、圖2所示。
從圖1可以看出,油相中的有機(jī)物峰主要集中在12.00~14.00之間,該區(qū)間峰屬于分子量在200左右的難降解有機(jī)物,可以確定這種廢水如果直接用氧化法難以達(dá)到預(yù)處理的目的。如圖2所示,水相中在10.00~14.00范圍內(nèi)的峰值僅為油相峰高的 4%~10%,說(shuō)明經(jīng)過(guò)酸化和油水相分離預(yù)處理,水相污染物中的高分子有機(jī)物明顯減少。這進(jìn)一步說(shuō)明污水酸化隔油能夠去除污水中大部分高分子有機(jī)物,是目前主要的預(yù)處理手段。
圖1 酸化后油相GC-MS圖譜Fig.1 Oil-phase GC-MS spectrum after acidification
圖2 酸化后水相GC-MS圖譜Fig.2 Aqueous GC-MS spectrum after acidification
2.2.1 臭氧量對(duì)氧化效果的影響
臭氧催化氧化技術(shù)對(duì)廢水中很多難降解有機(jī)物具有很好的去除效果,而且不會(huì)產(chǎn)生污泥等二次污染物,具有綠色、高效的優(yōu)點(diǎn)。因此,以臭氧/臭氧催化氧化為核心的深度處理技術(shù)在石化廢水深度處理工程得到廣泛應(yīng)用。從目前的應(yīng)用效果來(lái)看,經(jīng)其處理的水質(zhì)較好,運(yùn)行較為穩(wěn)定;從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,在難降解工業(yè)廢水處理中將會(huì)得到更多的推廣和應(yīng)用。我們通過(guò)臭氧對(duì)本項(xiàng)目酸化隔油后的水質(zhì)進(jìn)行催化氧化,探索了臭氧量對(duì)臭氧氧化效果的影響,結(jié)果如圖3所示。
圖3 臭氧量對(duì)臭氧氧化效果的影響Fig.3 Effect of ozone on ozone oxidation
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,臭氧對(duì)于本項(xiàng)目水質(zhì)的催化效果是令人失望的,因?yàn)槠浯呋Ч](méi)有達(dá)到理論上降低 COD的效果。為了探究造成該結(jié)果的原因以及臭氧在處理過(guò)程中對(duì)水體中有機(jī)物的影響,我們對(duì)臭氧催化氧化前后的污水進(jìn)行拉曼檢測(cè)并對(duì)臭氧催化氧化前后水質(zhì)進(jìn)行定性分析。拉曼光譜圖如圖4所示。
圖4 污水的拉曼光譜圖Fig.4 Raman spectrum of sewage
從圖4中能夠看出污水的拉曼光譜主要集中在7個(gè)峰區(qū):①1450cm-1處為—O—CH3(甲氧基);②1440~1400cm-1處為—O—H(羥基,含醇類(lèi)或者酸類(lèi));③1320~1210cm-1處為=C—O—(羰基,含醛類(lèi));④1050cm-1處和 1100cm-1處分別為伯醇和仲醇類(lèi)化合物中強(qiáng)極性的 C—O—鍵;⑤900~860cm-1處的 2個(gè)譜峰表現(xiàn)為尖銳的針狀譜帶,符合苯環(huán)具有剛性,不能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)這一性質(zhì),所以此處譜峰代表 1,2,4-取代苯,相鄰氫數(shù)為 1;⑥在1640cm-1處出水溶液顯示出了弱譜帶,而臭氧氧化前在1640cm-1附近也有一個(gè)中強(qiáng)偏弱的峰值,且出現(xiàn)譜峰變寬現(xiàn)象,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖譜斷定此處譜峰代表烯烴—C=C—C=C—(共軛),譜峰變寬可能是由于有機(jī)物水解造成的;⑦臭氧催化氧化后在 980cm-1處出現(xiàn)1個(gè)峰值,該峰為烯烴類(lèi)=C—H(反式),這可能是由于臭氧氧化成的小分子基團(tuán)。
通過(guò)對(duì)比臭氧氧化污水前后的拉曼譜圖,能夠看出臭氧能夠有效氧化污水中的有機(jī)物。污水經(jīng)過(guò)臭氧氧化后化學(xué)耗氧量沒(méi)有明顯變化,這是由于在臭氧的氧化作用下,原來(lái)一些不影響 COD的大分子氧化成了對(duì) COD有影響的小分子,最終導(dǎo)致污水體現(xiàn)出來(lái)的COD沒(méi)有明顯的下降。
2.2.2 臭氧催化氧化反應(yīng)時(shí)間對(duì)COD去除率的影響
選定臭氧發(fā)生器電流強(qiáng)度 1A,臭氧催化劑的添加量約占廢水總體積的 30%。探索在不同反應(yīng)時(shí)間下臭氧對(duì)COD去除率的影響。
圖5為臭氧催化氧化中反應(yīng)時(shí)間對(duì)于污水COD去除率的影響曲線,從圖5能夠看出,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為45min時(shí),曲線出現(xiàn)一個(gè)明顯的拐點(diǎn),并且45min后的COD去除率緩緩增加且始終保持在27%以上??梢钥闯鲈诖呋趸?45min后繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間對(duì)于臭氧催化氧化的氧化效果影響較小,因此得出臭氧催化氧化本項(xiàng)目污水的最佳反應(yīng)時(shí)間為45min。
圖5 臭氧催化氧化中反應(yīng)時(shí)間對(duì)于COD去除率的影響Fig.5 Influence of reaction time on COD removal rate in ozone catalytic oxidation
2.2.3 臭氧對(duì)水中有機(jī)物的影響
首先用 H2SO4將丁辛醇縮合產(chǎn)生的原污水的pH值調(diào)節(jié)到1,再經(jīng)過(guò)油水分離處理,然后用NaOH反調(diào) pH值到7.5~8.5,并在電流強(qiáng)度為1A的條件下對(duì)丁辛醇縮合廢水進(jìn)行臭氧催化氧化,在反應(yīng)45min后過(guò)濾廢水,得無(wú)色無(wú)味透明清液。為了分析臭氧氧化后水中有機(jī)物的成分,我們采用拉曼光譜儀測(cè)試該溶液,驗(yàn)證臭氧催化氧化的氧化效果。
圖6是2種不同水質(zhì)的拉曼光譜圖譜,從圖中可以看出圖6(a)部分峰值比圖6(b)對(duì)應(yīng)相峰值略高,說(shuō)明臭氧催化氧化出水中含有部分小分子鏈的有機(jī)物;圖6(b)橫坐標(biāo)在 980cm-1附近出現(xiàn)尖峰,說(shuō)明臭氧催化氧化出水中含有不飽和烴,并且拉曼位移小于900cm-1處代表苯環(huán)類(lèi)物質(zhì)的峰值已經(jīng)全部消失。
通過(guò)對(duì)比臭氧催化氧化過(guò)程進(jìn)出水和自來(lái)水的水質(zhì)可知,臭氧催化氧化的氧化效果并不是簡(jiǎn)單的降解 COD,而是將丁辛醇縮合廢水中的小分子有機(jī)物高度碳化,并且將含有苯環(huán)的大分子有機(jī)物開(kāi)環(huán)、打斷,使一部分不顯 COD的大分子有機(jī)物變成了顯COD的小分子有機(jī)物。從而能夠使下一步中用到的DTRO膜不易堵塞,進(jìn)而降低DTRO膜的負(fù)載,提高DTRO膜的工作效率。
DTRO膜組件包括柱塞泵、變頻箱以及 1支DTRO膜,其中 DTRO膜進(jìn)水及出水處設(shè)有在線pH值檢測(cè)、在線電導(dǎo)率檢測(cè)、壓力表以及流量計(jì)。
處理方法為:廢水預(yù)處理(水解酸化-隔油、臭氧催化氧化)→二級(jí)過(guò)濾→DTRO膜系統(tǒng)。
圖6 不同水質(zhì)的拉曼光譜圖Fig.6 Raman spectrum of different water qualities
根據(jù)表2可知,DTRO膜進(jìn)水電導(dǎo)率以及 COD過(guò)高,并且在實(shí)際操作中,當(dāng)壓力小于 5MPa時(shí),DTRO膜清水出口并沒(méi)有清水流出。由于膜前柱塞泵最高壓力為 10MPa,可以將膜壓力控制在 7~10MPa的范圍內(nèi),探究 DTRO膜系統(tǒng)在不同壓力下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的COD以及TDS的變化。
表2 DTRO膜進(jìn)水水質(zhì)Tab.2 DTRO membrane influent quality
在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中,逐漸增大進(jìn)水操作壓力,當(dāng)壓力穩(wěn)定后,不定時(shí)、不定量取水樣,測(cè)定水樣中的COD和TDS含量。測(cè)定結(jié)果如圖7所示,當(dāng)操作壓力逐漸增大時(shí),出水 COD值曲線類(lèi)似指數(shù)函數(shù)曲線,即在 6~7MPa時(shí),水樣中 COD值穩(wěn)定上升,而在當(dāng)水壓增加到7~10MPa時(shí),水樣中COD迅速升高,可以發(fā)現(xiàn)水壓在 7MPa時(shí)為 COD值曲線的拐點(diǎn);另外TDS值曲線則呈現(xiàn)近似二次函數(shù)曲線,當(dāng)水壓為 8MPa時(shí),水樣中 TDS值達(dá)到最小。通過(guò)比較操作壓力為 7MPa和 8MPa時(shí)出水 COD和 TDS值,可以發(fā)現(xiàn)在這 2個(gè)操作壓力下 TDS值的變化沒(méi)有COD值的變化大。據(jù)此可以選取7MPa為DTRO膜的最佳操作壓力。
圖7 DTRO膜操作壓力分別與COD和TDS的關(guān)系Fig.7 Relationship of DTRO membrane operating pressure to COD and TDS respectively
優(yōu)化操作數(shù)據(jù)及運(yùn)行分析考核結(jié)果參見(jiàn)表3。
表3 性能考核結(jié)果表Tab.3 Performance evaluation results
①通過(guò)裝置的優(yōu)化運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了丁辛醇裝置中的堿性有機(jī)高鹽縮合廢水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
②利用酸化隔油法實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染的回收利用,在減少有機(jī)污染物排放的同時(shí),提高了經(jīng)濟(jì)效益,水體中的 CODGr≤500mg/L,處理后水體含鹽量降低,其中 TDS≤200mg/L。
③本工藝對(duì)廢水水量、水溫和濃度變化的適應(yīng)性較強(qiáng),易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制,出水水質(zhì)穩(wěn)定。
④采用物理 DTRO膜法進(jìn)行有機(jī)物與水體進(jìn)行分離,大幅度減少了藥劑的使用,防止大量藥劑的使用對(duì)水體造成二次污染。
國(guó)內(nèi)關(guān)于丁辛醇縮合廢水的處理一直是一個(gè)工業(yè)難題,由于水質(zhì)的高堿性、高有機(jī)相、高含鹽量等原因一直存在處理困難等問(wèn)題,雖然生物、化學(xué)催化等方法對(duì)于丁醛縮合廢水中的有機(jī)物脫除比較徹底,但是其運(yùn)行成本過(guò)高、處理周期長(zhǎng),造成難以在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行大規(guī)模的推廣。
本技術(shù)采用物理方法為主,在降低運(yùn)行成本和縮短處理周期的前提下,降低了丁辛醇裝置中的堿性有機(jī)高鹽縮合廢水處理難度,使處理達(dá)標(biāo)且出水水質(zhì)穩(wěn)定,可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè),同時(shí)提高了經(jīng)濟(jì)效益,值得在工業(yè)應(yīng)用中進(jìn)行廣泛推廣。