孫岳新 王棟棟 俞 強(qiáng)
(1.河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院礦產(chǎn)資源與建工系,河北唐山,063004;2.華北理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,河北唐山,063210)
中國造紙產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大,是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,造紙行業(yè)快速發(fā)展,但也帶來一些環(huán)境問題[1-2]。制漿造紙廢水主要來源于制漿、漂白、堿回收、抄紙等工段[3]。主要包括蒸煮廢液、制漿中段廢水和抄紙廢水,該類廢水色度高、有機(jī)污染物成分復(fù)雜、固體懸浮物(SS)含量高、化學(xué)需氧量(CODCr)高,可生化性差,處理難度大[4-5]。常規(guī)的處理工藝難以將廢水處理達(dá)標(biāo),且污水循環(huán)利用效率低。對(duì)廢水進(jìn)行深度處理進(jìn)一步去除CODCr、色度和有機(jī)污染物已經(jīng)成為環(huán)保發(fā)展的趨勢(shì)[5]。
目前國內(nèi)造紙廢水深度處理技術(shù)主要有以下幾種:①高級(jí)氧化法:主要有臭氧催化氧化法、UV/H2O2氧化法、UV/O3/H2O2氧化法、芬頓氧化法;②電化學(xué)法:主要包括電絮凝、鐵碳微電解、電化學(xué)等;③膜分離法:主要有超濾、納濾、反滲透膜等方法[6-8]。高級(jí)氧化法是通過產(chǎn)生一種氧化性較強(qiáng)的自由基,降解廢水中的大分子有機(jī)污染物,變成小分子有機(jī)物。其中光催化法能耗高,催化劑價(jià)格昂貴[9];臭氧催化氧化法成本高,后續(xù)臭氧的破解與泄露是工程常見問題[10];應(yīng)用較為廣泛的是芬頓氧化法。電化學(xué)法的主要原理是通過電場(chǎng)作用產(chǎn)生帶有吸附、聚合功能的電子使有機(jī)污染物凝聚成團(tuán),再經(jīng)過超導(dǎo)磁分離達(dá)到降解有機(jī)物的目的,但該方法能耗高,電極易腐蝕,對(duì)進(jìn)水要求較高不適用造紙廢水[11-12]。膜分離法中的超濾、反滲透膜法能耗低、處理效率高,但膜污染一直是工程難以越過的障礙[13]。故本研究根據(jù)相似工程經(jīng)驗(yàn)及相對(duì)成熟的工藝,最終決定采用高級(jí)氧化集成技術(shù)處理造紙廢水。
本課題以河北某造紙廢水二沉池出水進(jìn)行深度處理中試試驗(yàn),根據(jù)廢水水質(zhì)特點(diǎn),采用活性炭吸附+芬頓氧化+臭氧催化氧化的高級(jí)氧化集成技術(shù)處理該造紙廢水。本研究重點(diǎn)介紹該高級(jí)氧化集成技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),對(duì)試驗(yàn)運(yùn)行效果進(jìn)行分析與討論,以期為后續(xù)造紙廢水工藝推廣提供理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)意義。
廢水主要來源于河北某造紙污水處理廠二沉池出水。該造紙廠主要以廢紙為原料,生產(chǎn)??埣霸瓭{白紙,廢水主要來源于制漿過程中的大量洗滌廢水、抄紙廢水。進(jìn)水為二沉池出水,設(shè)計(jì)進(jìn)水水量為5 m3/h,進(jìn)、出水水質(zhì)如表1所示。
表1 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)Table 1 Designed incoming and outgoing water quality
由表1可知,該水質(zhì)可生化性差,二沉池出水的BOD5/CODCr=0.11,傳統(tǒng)的生化法處理效果較差,出水水質(zhì)難以達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2018)準(zhǔn)Ⅳ類要求。
2.1 廢水處理工藝流程
該中試試驗(yàn)采用高級(jí)氧化集成技術(shù),具體工藝流程如圖1所示。
圖1 工藝處理流程圖Fig.1 Process flow chart
2.2 技術(shù)參數(shù)
2.2.1 活性炭吸附試驗(yàn)
活性炭因其巨大的比表面積可吸附水中的懸浮物、色度,一般作為難降解、難生化COD的預(yù)處理,可有效降低后續(xù)芬頓試劑的使用量。
調(diào)節(jié)廢水pH值為3(試驗(yàn)表明活性炭在酸性條件下去除效果最好),活性炭添加量為0.5~4.0 g/L,吸附時(shí)間為0.1~1.0 h。
2.2.2 芬頓氧化試驗(yàn)
芬頓氧化工藝使用的二價(jià)鐵離子(Fe2+)和H2O2之間的鏈反應(yīng)催化生成具有較強(qiáng)氧化能力的羥基自由基(?OH)。?OH氧化電位僅次于氟,高達(dá)2.80 V,此外還具有很高的親電性,其電子親和能力達(dá)569.3 kJ,具有很強(qiáng)的加成反應(yīng)特性。因此芬頓試劑可氧化水中的大多數(shù)有機(jī)物,特別適用于生物難降解的有機(jī)廢水的氧化處理。
首先調(diào)節(jié)活性炭吸附處理后出水的pH,使其pH值在3.5~4.0之間,然后向其中加入0.2~0.8 g/L的H2O2,之后加入FeSO4·7H2O,攪拌溶解,分別使摩爾比n(Fe2+)∶n(H2O2)=1∶2~1∶8,攪拌時(shí)間為0.5~2.0 h,攪拌后調(diào)節(jié)pH值為7~8左右,加入1~2 mg/L的聚丙烯酰胺(PAM)混凝沉淀1 h,取上清液測(cè)定COD濃度;反復(fù)試驗(yàn),找出最優(yōu)操作條件。
2.2.3 臭氧催化氧化試驗(yàn)
臭氧催化氧化是高級(jí)氧化工藝中常見的一種,無二次污染,是一種綠色的環(huán)保工藝。但單獨(dú)使用臭氧消耗太大且效果差,因此需經(jīng)過預(yù)處理將CODCr降至50~100 mg/L,之后采用臭氧催化氧化工藝,從而減少臭氧使用量。一般臭氧添加量在20~50 mg/L。
芬頓氧化出水后進(jìn)入臭氧催化氧化試驗(yàn),臭氧濃度為10%,H2O2添加量0.2 g/L,臭氧與H2O2的氣液體積比分別為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1,反應(yīng)時(shí)間分別設(shè)置為0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 h,進(jìn)行分批次重復(fù)試驗(yàn),找出最優(yōu)條件。
3.1 活性炭吸附試驗(yàn)效果分析
3.1.1 活性炭添加量的影響
取某河北造紙污水處理廠二沉池出水,進(jìn)水CODCr為180 mg/L,調(diào)節(jié)pH值為3左右,分別加入0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 g/L粉末活性炭,平行試驗(yàn),吸附時(shí)間為30 min,結(jié)果如圖2所示。
圖2 活性炭添加量對(duì)CODCr去除效果影響Fig.2 Effect of activated carbon addition on CODCr removal
從圖2可以看出,不同活性炭添加量對(duì)CODCr去除效果不同,當(dāng)活性炭添加量在1.0 g/L時(shí),出水CODCr降至140 mg/L,去除效果最好,去除率達(dá)到22.2%。之后增加活性炭添加量,CODCr濃度又開始升高;原因是因?yàn)榛钚蕴刻砑恿枯^小時(shí),吸附未達(dá)到飽和,隨著活性炭添加量的繼續(xù)增加,活性炭官能團(tuán)吸附達(dá)到飽和,繼續(xù)添加活性炭反而會(huì)使附著在活性炭表面的大分子有機(jī)物脫落,導(dǎo)致CODCr濃度升高。
3.1.2 活性炭吸附時(shí)間的影響
根據(jù)上述實(shí)驗(yàn),確定最佳活性炭添加量為1.0 g/L,同時(shí)分析不同吸附時(shí)間對(duì)CODCr的去除效果,吸附時(shí)間分別為10、20、30、40、50、60 min,活性炭吸附后產(chǎn)生的泥渣做危廢處置,結(jié)果如圖3所示。
圖3 活性炭吸附時(shí)間對(duì)CODCr去除效果影響Fig.3 Effect of residence time of activated carbon adsorption time on CODCr removal
由圖3可知,吸附時(shí)間為10 min時(shí),CODCr去除率僅為12.8%;吸附時(shí)間為30 min時(shí),CODCr去除率最高,可達(dá)到23.1%。主要是由于活性炭吸附大分子有機(jī)物需要一定的時(shí)間,吸附達(dá)到飽和后,去除率最高;繼續(xù)增加吸附時(shí)間,會(huì)使水中大分子難降解有機(jī)物與已被吸附的CODCr產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附作用,導(dǎo)致吸附能力下降。
3.2 芬頓氧化試驗(yàn)效果分析
取上述最佳條件下活性炭吸附后的出水(CODCr為140 mg/L),進(jìn)行以FeSO4·7H2O、H2O2添加量、反應(yīng)pH值、水溫四因素四水平的正交試驗(yàn),以CODCr去除率為衡量標(biāo)準(zhǔn),所得正交試驗(yàn)分析表如表2所示。
表2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表Table 2 Orthogonal test data analysis table
正交試驗(yàn)結(jié)果表明,各因素對(duì)CODCr去除效果的影響順序依次為FeSO4·7H2O添加量>H2O2添加量>pH值>水溫,在正交試驗(yàn)最優(yōu)條件下,即pH值為3.5、水溫為45℃、H2O2添加量為500 mg/L、n(Fe2+)∶n(H2O2)=1∶4、PAM添加量為1 mg/L時(shí),CODCr去除效果最好,去除率可達(dá)到64.3%,出水CODCr為50 mg/L。原因是因?yàn)樵贖2O2添加量較少時(shí),有利于產(chǎn)生?OH,?OH是分解廢水中有機(jī)物的主要活性基團(tuán),而H2O2在亞鐵離子的催化作用下會(huì)釋放大量?OH,從而更好地去除廢水中的CODCr。芬頓氧化過程產(chǎn)生的底泥外運(yùn)處置。
3.3 臭氧催化氧化試驗(yàn)效果分析
3.3.1 臭氧添加量的影響
取最優(yōu)條件下芬頓氧化處理后的廢水上清液(CODCr為50 mg/L)進(jìn)行臭氧催化氧化試驗(yàn),pH值7~8,臭氧濃度約為10%,氣液比分別為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1,結(jié)果如圖4所示。
圖4 臭氧添加量對(duì)CODCr去除效果影響Fig.4 Effect of ozone addition on CODCr removal
從圖4中可以看出,在臭氧濃度為10%,氣液比在2∶1時(shí),CODCr去除效果最好,出水CODCr為25 mg/L,去除率達(dá)到50%。
3.3.2 臭氧反應(yīng)時(shí)間的影響
根據(jù)上述實(shí)驗(yàn),在氣液比為2∶1的條件下,分別驗(yàn)證不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)CODCr的去除效果,反應(yīng)時(shí)間分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h,結(jié)果如圖5所示。
從圖5可以看出,反應(yīng)時(shí)間在1.0 h時(shí),CODCr去除效果最佳,出水CODCr達(dá)到25 mg/L,去除率達(dá)到50%;隨著反應(yīng)時(shí)間的繼續(xù)增加,CODCr去除率降低,主要是因?yàn)槌粞踉趶U水中的半衰期是0.5 h,在水中衰減0.5 h后在催化劑作用下釋放出強(qiáng)氧化性羥基,分解難降解有機(jī)物,整個(gè)時(shí)間在1 h左右效果最佳。
圖5 臭氧反應(yīng)時(shí)間對(duì)CODCr去除效果影響Fig.5 Effect of ozone reaction time on CODCr removal efficiency
綜上所述,高級(jí)氧化集成技術(shù)最佳處理?xiàng)l件為:活性炭添加量在1.0 g/L,吸附時(shí)間為30 min,出水CODCr達(dá)到140 mg/L;活性炭吸附處理后出水進(jìn)入芬頓氧化試驗(yàn),pH值為3.5、水溫為45℃、PAM添加量為1 mg/L、H2O2添加量為500 mg/L、n(Fe2+)∶n(H2O2)=1∶4時(shí),CODCr去除效果最好,去除率可達(dá)到64.3%;芬頓氧化處理后出水進(jìn)入臭氧催化氧化試驗(yàn)時(shí),臭氧反應(yīng)時(shí)間為1.0 h,氣液比為2∶1,廢水總的CODCr去除率達(dá)到最高為86.1%。
采用活性炭吸附+芬頓氧化+臭氧催化氧化的高級(jí)氧化集成技術(shù)深度處理造紙廢水,可將原廢水CODCr從180 mg/L降到25 mg/L,達(dá)到地表水準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(COD≤30 mg/L),其中活性炭吸附噸水藥耗成本為0.75元/t(活性炭價(jià)格按9000元/t);芬頓氧化噸水藥耗為1.58元/t(FeSO4·7H2O價(jià)格為800元/t,30%H2O2價(jià)格為1200元/t,PAM價(jià)格為12000元/t,30%硫酸價(jià)格為150元/t,30%氫氧化鈉溶液價(jià)格為1200元/t);臭氧催化氧化噸水藥耗為3.18元/t(臭氧電耗為11 kW·h/tCOD),3段工藝共用工程成本為2.34元/t;耗材成本為1.05元/t;總運(yùn)行成本為8.9元/t,整個(gè)中試試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果理想,運(yùn)行成本及投資成本(相對(duì)光催化氧化、膜工藝)低,具有較大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
(1)活性炭吸附試驗(yàn)去除造紙二沉池出水CODcr時(shí),粉末的除塵、防爆會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大影響,因此粉末活性炭的添加、除塵、防爆設(shè)計(jì)是關(guān)鍵,在以后的工程應(yīng)用中應(yīng)注重加強(qiáng)。
(2)芬頓氧化試驗(yàn)中,使用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值時(shí),不宜添加過多,否則會(huì)產(chǎn)生大量的污泥,增加外運(yùn)處理成本,控制pH值的回調(diào)是關(guān)鍵。
(3)臭氧催化氧化試驗(yàn)中,現(xiàn)場(chǎng)會(huì)伴隨有臭氧的泄露,造成人員胸悶,因此,在工程應(yīng)用中,臭氧的泄露及臭氧發(fā)生器的冷卻這類問題必須解決。
(4)活性炭產(chǎn)生的泥渣作為危廢處置,處理費(fèi)用7000元/t,芬頓氧化工藝產(chǎn)生的污泥外運(yùn)處置為300元/t,費(fèi)用較高,需要結(jié)合當(dāng)?shù)嘏欧艠?biāo)準(zhǔn),解決此兩大難題,耦合相關(guān)工藝實(shí)現(xiàn)廢水資源化利用。
本課題主要以某造紙廢水為主要研究對(duì)象,分別研究活性炭吸附+芬頓氧化+臭氧催化氧化的高級(jí)氧化集成技術(shù)處理廢水中化學(xué)需氧量(CODCr)的效果。
6.1 最佳操作條件:首先調(diào)節(jié)廢水pH值為3,之后添加1 g/L粉末活性炭,吸附時(shí)間30 min,出水CODCr達(dá)到140 mg/L;之后進(jìn)入芬頓氧化試驗(yàn),該工藝最佳操作條件:pH值為3.5、水溫為45℃、PAM添加量為1 mg/L、H2O2添加量為500 mg/L、n(Fe2+)∶n(H2O2)=1∶4時(shí),CODCr去除效果最好,CODCr出水可達(dá)到50 mg/L;芬頓出水進(jìn)入臭氧催化氧化工藝時(shí),最佳操作條件:臭氧濃度10%,氣液比2∶1,反應(yīng)時(shí)間為1.0 h時(shí),CODCr去除率最高,可達(dá)到58.3%;最終出水CODCr達(dá)到25 mg/L,最終廢水系統(tǒng)CODCr去除率達(dá)到86.1%,出水符合地表水準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。
6.2 采用高級(jí)氧化集成技術(shù)處理深度處理造紙廢水時(shí),總運(yùn)行成本為8.9元/t。