贵冶场面水预处理实验研究

刘远东

（江西铜业股份有限公司贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

江铜集团贵溪冶炼厂是我国大型现代化炼铜工厂，被誉为“花园式工厂”。2012年，该厂启动了节水减排与废水综合治理改造工程［1］。按照国家《重金属污染综合防治“十二五”规划》［2］要求，实行清洁生产和循环经济，逐步实现废水零排放［3］，贵冶对重点区域开展了一系列的整治工作［4］，确保排水水质能够不断满足日益严格的国家环保排放标准［5］，如表1所示。为了避免地面冲洗水和厂区雨水直接进入排水网，同年该厂开始建立一座废水应急处理站，该应急处理站于2014年正式投入运行。应急处理站自运行以来，存在废水处理能力不足，药剂使用成本偏高等问题［6］。为了实现企业可持续发展［7］，工厂要求对场面水和前期雨水进行预处理后，部分回用，部分进入工厂排水网，提高工厂废水回用率，减少新水的用量［8］。本文介绍了场面水的净化方法、流程并对最佳工艺条件进行了探索，获得了相关数据，为工业化运用提供了依据。

表1 《铜、镍、钴工业污染物排放标准》（GB 25467—2010） mg/L

2 实验

2.1 实验原理

2.1.1 硫酸铝溶液净化反应原理

工业上通常采用铝盐(硫酸铝、聚合硫酸铝铁、聚合氯化铝)去除重金属离子［9］。硫酸铝溶于水后电离出SO4

2-和Al3+，Al3+与H2O电离产生的OH-结合生成了Al(OH)3胶体。Al(OH)3胶体的吸附能力强，粒子带有正电荷，与带负电的其他物质相遇，彼此电荷被中和。失去了电荷的胶粒将聚集在一起长大，依靠重力，以污泥的形式沉入水底，从而达到净化水质的目的。硫酸铝溶于水中发生的主要化学反应方程式如下：

2.1.2 DTCR溶液净化反应原理

DTCR是一类氨基二硫代甲酸型螯合物，是一种新型有机高分子重金属捕集沉淀剂，分子量为10～15万，具有大量的极性基团。这类官能团上的配位原子硫离子原子半径较大、带负电，易于极化变形，同时趋向成键，能够与价键轨道为dsp2、sp3、d2sp3等类型离子分别形成平面四方形、正四面体、八面体结构［10］。在常温下与废水中的Cu2+、Pb2+、Mn2+、Cd2+、Zn2+、Ni2+、Hg2+等各种重金属离子迅速反应，生成不溶于水的螯合盐，再加入少量有机或无机絮凝剂，形成絮状沉淀，而且沉淀中的重金属不会再溶出（强酸条件除外），没有二次污染，从而达到去除重金属离子的目的［11］。

2.2 实验原料及试剂

实验用场面水样为贵冶生产车间场面水，其化学成分如表2所示。实验试剂有硫酸铝溶液（工业级）、DTCR溶液（高分子重金属离子捕集沉淀剂）、NaOH溶液（分析纯，用蒸馏水配制成50g/L）、稀硫酸溶液（分析纯，用蒸馏水配制成100g/L）、PAM溶液（工业级，用蒸馏水配制成0.1%的浓度）。

表2 贵冶生产车间场面水成分表 mg/L

2.3 实验方法

2.3.1 硫酸铝净化实验

量取场面水上清液3L，测得pH值为8.5。常温搅拌下加入硫酸铝溶液，搅拌20min后，加入NaOH溶液，调节反应溶液的pH。搅拌均匀后加入PAM溶液，缓慢搅拌20min后，静置10～15min，取上清液用原子吸收光谱仪定量分析。实验工艺流程如图1所示。

图1 硫酸铝净化实验工艺流程图

2.3.2 DTCR溶液净化实验

量取场面水上清液3L，测得pH为8.5。常温搅拌下加入DTCR溶液，搅拌20min后，加入稀硫酸溶液，调节反应溶液的pH。搅拌均匀后加入PAM溶液，缓慢搅拌20min后，静置10～15min，取上清液用原子吸收光谱仪定量分析。实验工艺流程如图2所示。

图2 DTCR净化实验工艺流程图

3 结果与讨论

3.1 硫酸铝净化实验结果与讨论

3.1.1 终点pH对结果的影响

量取场面水上清液3L，测得pH为8.5。常温搅拌下加入硫酸铝溶液6mL，搅拌20min后，加入NaOH溶液，调节反应溶液的pH，终点分别为8、9、10。搅拌均匀后加入PAM溶液，缓慢搅拌20min后，静置10～15min，取上清液用原子吸收光谱仪定量分析。所得实验结果如表3所示。

表3 终点pH对净化效果的影响 mg/L

由表3可知，随着pH值升高，溶液中重金属离子的含量同步升高，说明硫酸铝的净化效果变差。硫酸铝适宜的pH值范围是5～9，因此，溶液的终点pH值应控制在9以下。根据《铜、镍、钴工业污染物排放标准》（GB 25467—2010），结合生产实际以及成本因素考虑，最佳的终点pH值为8。

3.1.2 硫酸铝添加量对结果的影响

量取场面水上清液3L，测得pH为8.5。常温搅拌下分别加入硫酸铝溶液3mL、6mL、9mL。搅拌20min后，加入NaOH溶液，调节反应溶液的pH值，终点为8。搅拌均匀后加入PAM溶液，缓慢搅拌20min后，静置10～15min，取上清液用原子吸收光谱仪定量分析。所得实验结果如表4所示。

表4 硫酸铝添加量对净化效果的影响 mg/L

由表4可知，随着硫酸铝添加量的增加，溶液中重金属离子的含量同步下降，说明增加硫酸铝的量对净化效果有帮助。根据《铜、镍、钴工业污染物排放标准》（GB 25467—2010），结合生产实际以及成本因素考虑，最佳的硫酸铝添加量为每升水2mL。

3.2 DTCR净化实验结果与讨论

3.2.1 终点pH对结果的影响

量取场面水上清液3L，测得pH值为8.5。常温搅拌下加入DTCR溶液6mL，搅拌20min后，加入稀硫酸溶液，调节反应溶液的pH值，终点分别为8、9、10。搅拌均匀后加入PAM溶液，缓慢搅拌20min后，静置10～15min，取上清液用原子吸收光谱仪定量分析。所得实验结果如表5所示。

表5 终点pH对净化效果的影响 mg/L

由表5可知，随着pH值升高，溶液中重金属离子的含量变化不大，说明DTCR溶液在这个pH值范围内净化效果差别不大。DTCR溶液适宜的pH值范围是3～10，因此，溶液的终点pH值只要控制在这个范围之内即可。根据《铜、镍、钴工业污染物排放标准》（GB 25467—2010），结合生产实际以及成本因素考虑，最佳的终点pH值为9。

3.2.2 DTCR溶液添加量对结果的影响

量取场面水上清液3L，测得pH值为8.5。常温搅拌下分别加入DTCR溶液3mL、6mL、9mL。搅拌20min后，加入NaOH溶液，调节反应溶液的pH值，终点为9。搅拌均匀后加入PAM溶液，缓慢搅拌20min后，静置10～15min，取上清液用原子吸收光谱仪定量分析。所得实验结果如表6所示。

表6 DTCR溶液对净化效果的影响 mg/L

由表6可知，随着DTCR溶液添加量的增加，溶液中重金属离子的含量在下降，说明增加DTCR溶液的量对净化效果有帮助。根据《铜、镍、钴工业污染物排放标准》（GB 25467—2010），结合生产实际以及成本因素考虑，最佳的DTCR溶液添加量为每升水2mL。

3.3 两种净化试剂的净化验证实验

根据条件实验所得场面水净化的最佳条件，量取场面水上清液，常温搅拌下加入硫酸铝溶液2mL/L液，搅拌20min后，加入NaOH溶液，调节反应溶液的pH值，终点为8。搅拌均匀后加入PAM溶液，缓慢搅拌20min后，静置10～15min，取上清液用原子吸收光谱仪定量分析；量取场面水上清液，常温搅拌下加入DTCR溶液2mL/L液，搅拌20min后，加入稀硫酸溶液，调节反应溶液的pH值，终点为9。搅拌均匀后加入PAM溶液，缓慢搅拌20min后，静置10～15min，取上清液用原子吸收光谱仪定量分析。所得实验结果如表7所示。

表7 净化验证实验结果 mg/L

由表7可知，在最佳条件下硫酸铝溶液和DTCR溶液都可以很好脱除场面水中的重金属离子。经过上述两种试剂处理过的场面水都可以达到国家外排标准。由于硫酸铝溶液为酸性介质，DTCR溶液为碱性介质，而废水外排的国家标准要求废水的pH值在6～9之间。因此可以用硫酸铝溶液去处理碱性废水，DTCR溶液去处理酸性废水，这样就可以减少调节反应系统pH值的调整剂用量，降低处理成本。

3.4 经济效益分析

经过测算，用硫酸铝溶液净化场面水的成本为0.60元/t，用DTCR溶液净化场面水的成本也为0.60元/t，而目前贵冶应急处理站处理废水的设计成本为0.80元/t。按场面水每小时60m3计算，每年可以节约的处理成本约为(0.80-0.60)×60×24×365/10000=10.51 万元。

4 结论

（1）贵冶生产车间场面水可以通过加入硫酸铝溶液或者DTCR溶液进行净化处理，处理后的水样达到了《铜、镍、钴工业污染物排放标准》（GB 25467—2010），可以直接外排或者作为生产用水回用处理。

（2）硫酸铝溶液净化反应的最佳条件为：反应体系的pH值为8，硫酸铝添加量为每升水2mL；DTCR溶液净化反应的最佳条件为：反应体系的pH值为9，DTCR添加量为每升水2mL。

（3）相较于现有废水处理工艺，场面水的预处理工艺具有流程短、药剂少、成本低、处理佳等特点。每年可以节约废水处理成本约10.51万元。

（4）在最佳条件下，硫酸铝溶液和DTCR溶液对场面水的净化处理，处理后的场面水重金属含量都低于《铜、镍、钴工业污染物排放标准》（GB 25467—2010）。硫酸铝溶液为酸性介质，DTCR溶液为碱性介质，而废水外排的国家标准要求废水的pH值在6～9。因此可以用硫酸铝溶液去处理碱性废水，用DTCR溶液去处理酸性废水，这样就可以减少调节净化反应系统pH值的调整剂用量，降低处理成本。