韓文婧,崔榮偉,李雪貞,王萌

(濰坊職業(yè)學(xué)院,山東 濰坊 262737)

化工業(yè)一直以來都是環(huán)境主要污染源頭,化工產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中會使用大量的水,生產(chǎn)用水中含有大量的化學(xué)污染物,比如氨氮、砷、硫、鋅、汞等,這些化學(xué)污染物對人與其他生物生命安全造成一定威脅,如果化工廢水不能得到有效的處理,排放到河流中被魚、蝦等生物吸收,會破壞掉水資源生態(tài)環(huán)境,如果人食用到化學(xué)含量超標(biāo)魚、蝦,會產(chǎn)生重金屬中毒,如果長時(shí)間食用這種有毒食物,會誘發(fā)癌癥、心臟病等疾病發(fā)生,嚴(yán)重威脅到人們的身體健康安全。全國每年會生產(chǎn)大量的化工廢水,據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2020年國內(nèi)廢水總量為3 684.65億t,其中化工廢水占32.41%,化工廢水排放量相比較2019年增長了1.24%,計(jì)算下來每天要排放的化工廢水約3.26億t,在未來化工廢水排放量還會不斷增長,因此有必要采取有效手段對化工廢水凈化處理。蒸氨環(huán)保處理技術(shù)是一種常用的化工廢水凈化處理手段,由于其具有較高的環(huán)保性,處理成本比較低,因此已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到化工廢水處理領(lǐng)域中。但是由于國內(nèi)對于化工廢水的蒸氨環(huán)保處理技術(shù)研究起步比較晚,相關(guān)工藝與理論還不夠成熟,雖然近幾年化工廢水處理問題受到研究領(lǐng)域重視,相關(guān)學(xué)者與專家開展了一系列研究,對蒸氨環(huán)保處理技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化與完善,但是現(xiàn)有的技術(shù)還是存在一定的局限性,在實(shí)際應(yīng)用中廢水氨氮去除率比較低,并且處理用時(shí)時(shí)間比較長,效率比較低,傳統(tǒng)技術(shù)仍舊存在較大的優(yōu)化空間,為此提出化工廢水的蒸氨環(huán)保處理技術(shù)研究。

1 試劑、設(shè)備準(zhǔn)備及廢水預(yù)處理

根據(jù)化工廢水凈化處理需求,采用蒸氨環(huán)保處理工藝對其處理,具體處理流程如圖1所示。

圖1 化工廢水蒸氨環(huán)保處理流程圖

如圖1所示,化工廢水在處理前,要做一些準(zhǔn)備工作,預(yù)先準(zhǔn)備蒸氨環(huán)保處理需要使用的試劑和設(shè)備,其中試劑包括氯化銨、酒石酸鉀鈉、碘化汞、碘化鉀、氯化鈉、氫氧化鈉、鹽酸、乙酸、殼聚糖以及硝酸,試劑規(guī)格均為分析純[1]。處理需要準(zhǔn)備的儀器設(shè)備主要為蒸氨環(huán)保處理裝置,該裝置如圖2所示。

圖2 蒸氨環(huán)保處理裝置示意圖

除了要準(zhǔn)備處理裝置以外,還需要準(zhǔn)備數(shù)顯恒溫磁力攪拌機(jī)、恒溫水浴振蕩器、數(shù)顯恒溫水浴鍋、電熱鼓風(fēng)干燥箱、電子調(diào)溫萬用電爐以及電子天平等儀器設(shè)備[2]。按照使用說明書對儀器設(shè)備技術(shù)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn),檢驗(yàn)各個(gè)儀器設(shè)備是否可以正常使用。然后對原廢水進(jìn)行檢驗(yàn)的預(yù)處理,使用濾網(wǎng)將廢水中的固體廢棄物濾除掉,并沉淀1 min,去除掉廢水中的泥沙。

2 氨氮吹脫

將預(yù)處理后的廢水導(dǎo)入到蒸氨環(huán)保處理裝置中,對其進(jìn)行氨氮吹脫。廢水首先進(jìn)入到處理裝置中的調(diào)節(jié)池內(nèi),在調(diào)節(jié)池內(nèi)放入氫氧化鈉試劑,氫氧化鈉試劑投入量需要根據(jù)化工廢水量確定,每升廢水投入0.1 mL氫氧化鈉,使用電子天平稱取氫氧化鈉試劑,將其放入到調(diào)節(jié)池中[3]。利用氫氧化鈉將化工廢水pH值調(diào)節(jié)到10左右。經(jīng)過調(diào)節(jié)后的廢水順著導(dǎo)管進(jìn)入到吹氨塔,在吹氨塔內(nèi)進(jìn)行氨氮吹脫。氨氮吹脫所使用的試劑主要為氯化銨、酒石酸鉀鈉、鹽酸、乙酸、殼聚糖,使用電子天平稱取適量的化學(xué)試劑,將其投入到吹氨塔內(nèi)[4]。將塔頂壓力設(shè)置為0.54 MPa,氣液比設(shè)置為1 000∶1?？紤]到吹脫溫度與化工廢水氨氮析出率呈一定的線性關(guān)系,具體如圖3所示。

圖3 吹脫時(shí)間-氨氮析出率曲線圖

從圖3可以看出,在前2 min,化工廢水氨氮析出率增長比較快,但是2 min以后,化工廢水氨氮析出率基本趨于穩(wěn)定,因此為了保證化工廢水處理效率和處理成本,將氨氮吹脫時(shí)間控制在2 min左右,不得少于2 min。此外,吹脫溫度也會對化工廢水氨氮吹脫效果具有一定的影響,將其控制在60 ℃左右。吹脫后的廢水中氨氮化學(xué)物質(zhì)從塔底輸入到氨氮回收池,通過氨氮吹脫去除掉化工廢水中的氨氮成分。

3 固體吸附及過濾

去除掉廢水中氨氮化學(xué)物質(zhì)后,輸入到吸附塔,在吸附塔內(nèi)對廢水做進(jìn)一步處理?？紤]到化工廢水環(huán)保處理需求,利用沸石對化工廢水中砷、硫、鉀、鈉以及未被脫除掉的氨氮等化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行吸附處理,在吸附塔底鋪墊一層沸石,沸石具有吸附功能,沸石鋪墊厚度至少為50 cm。由于沸石在吸附過程中隨著時(shí)間變化沸石會達(dá)到飽和狀態(tài),此時(shí)沸石將不再具有吸附功能,為了提升沸石吸附特性,利用碘化汞、碘化鉀、氯化鈉制作成再生劑。其制備方式為:將點(diǎn)碘化汞、碘化鉀放入到數(shù)顯恒溫水浴鍋內(nèi),使用數(shù)顯恒溫磁力攪拌機(jī)與恒溫水浴振蕩器對試劑攪拌與振蕩,兩種試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將析出的物質(zhì)放入到電子調(diào)溫萬用電爐內(nèi)進(jìn)行加熱,再將其碾壓成粉末,加入氯化鈉試劑稀釋,以此制備成沸石吸附再生劑。當(dāng)吸附塔內(nèi)沸石吸附時(shí)間達(dá)到2 min時(shí),將制備好的再生劑投入到塔內(nèi),對廢水繼續(xù)吸附,吸附時(shí)間為1.5 min。經(jīng)過吸附后的廢水導(dǎo)入到吸收塔,向塔內(nèi)投入適量的硝酸試劑,利用硝酸將廢水中剩余化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行析出,吸收時(shí)間為1 min。最后化工廢水流入過濾池,在過濾池內(nèi)對析出的廢棄物濾除,以此完成化工廢水的蒸氨環(huán)保處理。

4 實(shí)驗(yàn)論證

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

為了檢驗(yàn)本次提出的化工廢水的蒸氨環(huán)保處理技術(shù)的可行性與可靠性,選擇某化工工廠廢水為實(shí)驗(yàn)樣本,利用本次設(shè)計(jì)技術(shù)對該化工工廠廢水進(jìn)行蒸氨環(huán)保處理,并選擇兩種傳統(tǒng)技術(shù)作為對比,兩種傳統(tǒng)技術(shù)分別為基于芬頓預(yù)氧化+MBR工藝與基于臭氧氧化與吸附聯(lián)用處理技術(shù),以下用傳統(tǒng)技術(shù)1與傳統(tǒng)技術(shù)2表示。實(shí)驗(yàn)取化工廠廢水1 000 L,使用10 L玻璃容器盛放,使用數(shù)字對其編號,共獲取100份樣本,廢水水質(zhì)指標(biāo)為:pH值范圍為9.44～10.36,氨氮含量為5 562～6 024 mg/L,化學(xué)需氧量范圍為6 451.15～38 695.65 mg/L,鉀含量為1.65 mg/L,鈉含量為8.46 mg/L,鐵含量為3.15 mg/L,錳含量為5.41 mg/L,鋅含量為4.17 mg/L,硫含量為2.86 mg/L。實(shí)驗(yàn)中使用的試劑均來自上海OYHFA化學(xué)試劑有限公司,儀器設(shè)備準(zhǔn)備:AFFH-A5F5型號數(shù)顯恒溫磁力攪拌機(jī)一臺、FAOU-3617恒溫水浴振蕩器一臺、IOYUF-4512數(shù)顯恒溫水浴鍋一臺、QORT-A5F5電熱鼓風(fēng)干燥箱一臺、NKAN-48A1電子調(diào)溫萬用電爐一臺以及IYFA-6214電子天平一臺,以上儀器設(shè)備均來自上海FOTO儀電科學(xué)儀器股份有限公司。按照上述流程對儀器設(shè)備校準(zhǔn)、原廢水簡單處理、氨氮吹脫、固體吸附及過濾,其具體處理情況如表1所示。

表1 化工廢水蒸氨環(huán)保處理結(jié)果 單位:mg·L-1

從表1中數(shù)據(jù)可以看出,經(jīng)過處理后的化工廢水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)標(biāo),說明本文設(shè)計(jì)技術(shù)基本可以完成化工廢水凈化處理任務(wù),以下對技術(shù)的具體應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

本次實(shí)驗(yàn)以廢水氨氮去除率和處理效率作為三種技術(shù)性能評價(jià)指標(biāo),氨氮是廢水中難以去除的化學(xué)成分,處理后的廢水中氨氮含量越高,表示處理效果越差。實(shí)驗(yàn)以廢水氨氮濃度為變量,記錄不同氨氮濃度情況下廢水氨氮去除率,其計(jì)算公式如下:

式中,u表示化工廢水氨氮去除率;e1表示處理前化工廢水氨氮濃度;e2表示處理后化工廢水氨氮濃度。利用上述公式計(jì)算出不同氨氮濃度情況下廢水氨氮去除率,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制三種技術(shù)氨氮去除率對比圖如圖4所示。

圖4 三種技術(shù)氨氮去除率對比圖

從圖4可以看出,本文技術(shù)氨氮去除率相對較高,雖然會隨著廢水氨氮濃度的提高而不斷降低,但是去除率降低幅度比較小,當(dāng)廢水氨氮濃度為6 000 mg/L時(shí),氨氮去除率為87.56%,可以將氨氮去除率控制在85%以上,說明文本設(shè)計(jì)技術(shù)基本可以去除掉化工廢水中的氨氮化學(xué)物質(zhì);而兩種傳統(tǒng)技術(shù)氨氮去除率相對比較低,并且會隨著廢水氨氮濃度的增加而大幅度降低,當(dāng)廢水氨氮質(zhì)量濃度為6 000 mg/L時(shí),傳統(tǒng)技術(shù)1與傳統(tǒng)技術(shù)2氨氮去除率分別為38.49%,19.52%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)技術(shù),說明在氨氮去除效果方面,設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)技術(shù)的適用性,對化工廢水去除效率進(jìn)行檢驗(yàn),實(shí)驗(yàn)分為四組,每組實(shí)驗(yàn)處理的化工廢水量相同,均為250 L,記錄每組實(shí)驗(yàn)化工廢水處理用時(shí)時(shí)間,用時(shí)時(shí)間越短,表示化工廢水凈化處理效率越高,根據(jù)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制三種技術(shù)廢水處理效率對比圖如圖5所示。

圖5 三種技術(shù)化工廢水處理效率對比圖

從圖5可以看出,本文設(shè)計(jì)技術(shù)處理化工廢水用時(shí)時(shí)間比較短,最長用時(shí)為11.36 min,平均用時(shí)為9.46 min;而兩種傳統(tǒng)技術(shù)處理化工廢水用時(shí)時(shí)間比較長,傳統(tǒng)技術(shù)1與傳統(tǒng)技術(shù)2處理化工廢水最長用時(shí)時(shí)間分別為42.13,44.54 min,平均用時(shí)為40.26,42.17 min,遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于設(shè)計(jì)技術(shù),說明設(shè)計(jì)技術(shù)在效率方面也優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。因此本次實(shí)驗(yàn)證明了,無論是在氨氮去除率方面還是在處理效率方面,本文技術(shù)均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢,相比較傳統(tǒng)技術(shù)更適應(yīng)于化工廢水蒸氨環(huán)保處理。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)技術(shù)存在的不足與缺陷,提出了一套新的化工廢水的蒸氨環(huán)保處理思路,有效提高了化工廢水氨氮去除率,以及處理效率,實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)工藝的優(yōu)化與創(chuàng)新。此次研究對豐富化工廢水凈化處理工藝?yán)碚?為化工廢水的蒸氨環(huán)保處理提供參考依據(jù),具有一定的理論意義與現(xiàn)實(shí)意義。但是由于此次研究時(shí)間有限,提出的技術(shù)尚未在實(shí)際中得到大量應(yīng)用與操作,在某些方面可能存在一些不足之處,今后會對該課題展開深層次探究,為化工廢水的蒸氨環(huán)保處理提供有力的理論支撐。