低阶煤热解废水混凝沉淀深度处理试验研究

2019-10-30刘治华韩洪军肖万才周洪义朱海兴徐春艳

中国煤炭 2019年9期

刘治华韩洪军肖万才周洪义朱海兴李琨徐春艳

（1.哈密天合投资有限公司，新疆自治区哈密市，839000；2.哈尔滨工业大学环境学院，黑龙江省哈尔滨市，150090）

低阶煤热解废水是煤高温干馏、煤气净化、副产品回收过程中产生的高浓度低阶煤热解废水［1］，其生化需氧量（COD）、多元酚、氨氮浓度较高，有机物成分复杂，主要含有酚类化合物、多环芳香族化合物、含氮、氧、硫的杂环化合物及脂肪类化合物［2］。该废水具有很强的毒性且难以生物降解［3-4］。低阶煤热解废水经过生物处理后，出水中的酚、氰、硫化物等基本污染物可基本上达到或接近排放标准，而COD值却通常与污水排放标准（GB 8978-1996）相差较多［5］，需经过深度处理才能达到排放标准［6］。

目前国内普遍应用的低阶煤热解废水深度处理技术主要有氧化塘法、活性炭吸附法以及混凝沉淀法等。氧化塘深度处理低阶煤热解废水简单易行、处理效果好、能耗低、易管理、费用低，吴宏伟等经试验证明，采用氧化塘深度处理低阶煤热解废水COD可达到排放标准［7］，但氧化塘不适用于气温较低的环境；活性炭吸附法深度处理废水效果较好，出水污染物均能达到国家排放标准，但由于活性炭再生系统操作难度大，装置运行费用高，在低阶煤热解废水处理中尚未得到推广使用；混凝法工艺简单，操作简便，可实现全程自动化，是目前比较常用的深度处理方法。混凝沉淀法的关键在于混凝剂及絮凝剂的选择及投加量［8］，目前国内低阶煤热解厂家通常选用聚合硫酸铁作为混凝剂，但其对有机物的去除并不理想［9］。本试验考察了聚合氯化铝（PAC）作为混凝剂、聚丙烯酰胺和脱色剂作为絮凝剂对低阶煤热解废水中COD和色度的去除效果，研究了3种药剂最优投加量及投加条件。

1 试验部分

1.1 试验药剂

试验中所应用的聚合氯化铝（PAC）来自巩义市净水材料有限公司，Al2O3含量为30.32%，盐基度为78.76%；阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）来自于任丘市顺达化工有限公司，固含量≥90%；DC-491脱色絮凝剂来自于宜兴凯米拉化学品有限公司。

1.2 试验水质

试验用水取自哈密万乐公司低阶煤热解废水二级处理工艺的出水，其具体水质如下：吸光度为0.8～1.1 A，p H值为7.0～7.5，COD为200～300 mg/L，水温为22℃～26℃。

1.3 试验及测定方法

该混凝沉淀试验采用1台六联式混凝试验搅拌机进行，设定搅拌速度为60 r/min，搅拌时间为5 min，沉淀1 h取上清液进行水质分析。

低阶煤热解废水中的色度应用分光光度法进行测定。在一定范围内，显色物质的浓度与特定波长下吸光度成正比例关系。因此，可按式（1）计算脱色率［10］：

式中：A前——低阶煤热解废水混凝前测定的吸光度，A；

A后——混凝后测定的吸光度，A。

低阶煤热解废水CODCr浓度采用重铬酸钾蒸馏滴定法测定，COD去除率可按式（2）进行计算：

式中：COD前——低阶煤热解废水混凝前测定的化学需氧量，mg/L；

COD后——混凝后的化学需氧量，mg/L。

2 试验结果与分析

2.1 聚铝投加量对混凝效果的影响

混凝剂去除效果与低阶煤热解废水中悬浮物浓度及有机物性质有关，其最佳投加量必需通过试验确定［11］。本试验中聚合氯化铝PAC投加量从0 mg/L依次提高到240 mg/L，单次投加量增加20 mg/L。通过试验得出不同PAC投加量对低阶煤热解废水COD去除率和脱色率的效果如图1所示。

图1 PAC投加量—COD去除率和脱色率变化

由图1可知，低阶煤热解废水COD去除率随着聚合氯化铝PAC投加量的增加而提高。当PAC投加量由20 mg/L增加到140 mg/L时，COD去除率由13.8%增长到29.1%，显著提高了15.3%；继续增加PAC投加量至180 mg/L时，COD去除率提高到30.9%；之后随着PAC投加量的增加，COD去除率趋于稳定，维持在30%左右。低阶煤热解废水脱色率与PAC投加量呈正相关关系，并且投加量达到140 mg/L以上时脱色率趋于稳定，达到在60%左右。

低阶煤热解废水中COD去除率和脱色率随着PAC投加量增加先显著提高而后趋于稳定的变化规律，可以通过PAC在低阶煤热解废水中的水解反应进行解释。聚合氯化铝PAC是一种高分子混凝剂，在水中发生水解反应后会产生多种高价态的聚合离子，这些高价态的聚合离子拥有较大的比表面积［12］，因而同时在水中进行电中和与吸附架桥的反应——絮凝作用［13］。聚合氯化铝PAC通过这种絮凝作用与低阶煤热解废水中微粒吸附在一起，若投加量小于140 mg/L，微粒表面不能有足够的絮凝分子，无法形成可沉降的大分子絮体。而当投加量为140 mg/L时，微粒周围被高分子化合物包裹，致使混凝效果不能被进一步提高。因此，综合考虑絮凝剂效果以及实际运行成本，选择PAC的最优投加量为140 mg/L。

2.2 p H值对混凝效果的影响

低阶煤热解废水p H值对混凝作用的影响主要体现在通过pH值的变化改变胶体颗粒表面电荷的ζ电位及改变混凝剂在水中的水解程度［14］。废水的pH值不同，混凝剂水解产物的形态及比例不一样，混凝效果也不同。因此该试验考察了最佳混凝剂投加量时，不同低阶煤热解废水p H值对混凝效果的影响。当PAC投加量为140 mg/L时，试验原水pH值分别调至4、5、6、7、8、9，搅拌速度为60 r/min，搅拌时间为5 min，搅拌后静沉1 h后取上清液检测废水中COD及色度，试验结果如图2所示。

图2 pH值—COD去除率和脱色率变化

由图2可知，在PAC投加量稳定在140 mg/L的前提下，原水p H值由4到8的过程中，COD去除率和脱色率均稳步上升，当p H=8时，COD去除率和脱色率分别达到了31.3%和63.9%；原水p H值由8提高到9以后，COD去除率和脱色率均有下降趋势，分别降低到30.2%和61%。

由试验结果可知，p H值变化对混凝剂混凝效果影响显著，对于PAC来说，最优的p H值在8左右。这主要是因为p H值较低时，混凝剂的高价离子会转变成低价态，PAC中的铝主要以低价态的单体铝形态存在，从而失去凝集作用［15］。随着低阶煤热解废水p H值上升，单体铝逐渐转化为高价态铝离子，PAC中的高价态铝离子的多聚物含量逐渐增加［16］，电中和与吸附架桥能力增强，提高了COD和色度的去除效果。当p H值超过8时，混凝剂在废水中逐渐以低电荷凝胶态为主，电中和能力变弱，对COD及色度的去除率下降。低阶煤热解废水p H值正好与最优混凝pH值8接近，因此无需进行调节低阶煤热解废水p H值即可达到良好的混凝效果。

2.3 聚丙烯酰胺投加量对混凝效果的影响

聚丙烯酰胺（PAM）可以使絮体颗粒迅速凝结变大，加速絮凝体的沉淀，提高混凝效果［17-18］。该试验中选择PAC投加量为140 mg/L，不调节低阶煤热解废水p H值，在250 mL废水分别投加0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/L阳离子聚丙烯酰胺，考察不同投加量下阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）对混凝效果的影响，其结果如图3所示。

图3 PAM投加量—COD去除率和脱色率变化

由图3可知，当PAM投加量由0 mg/L增加到2 mg/L的过程中时，COD去除率由29.1%逐渐增长到35.7%，此时脱色率达到67.1%；当PAM投加量由2 mg/L增加到3 mg/L的过程中时，COD去除率开始降低，而脱色率依然逐渐增加，但增加趋势减缓。

PAM是一种可有效地提高混凝剂的混凝效果的高分子絮凝剂，但为保证絮凝效果需控制PAM在废水中的投加量。PAM投加量不足会减少其与絮凝体颗粒碰撞的几率，降低絮体大小和沉降效果；而絮凝剂用量过多不仅会增加运行成本而且影响出水水质。当聚丙烯酰PAM投加量达到2 mg/L且投加量继续增大时，COD去除率反而有所下降，从79.8%下降至70.3%。综上所述，聚丙烯酰胺PAM最佳投加量确定为2.0 mg/L，此时COD去除率和脱色率分别为35.7%和67.1%。