高效绿色氧化剂SK-901处理化学镀镍废水试验

2022-11-10吴志宇旷玉丹李杏清王怡璇黎建平

净水技术 2022年11期

吴志宇，旷玉丹，李杏清，王怡璇，黎建平

(深圳市世清环保科技有限公司，广东深圳 518105)

化学镀镍技术是利用还原剂把溶液中的镍离子还原沉积在具有催化活性的表面上形成镀层，由于其不需要外电源且镀层均匀，已成为我国印制电路板行业不可或缺的部分，化学镀镍废水主要来源于化学镀镍生产过程中的镀件清洗[1]。化学镀镍废水中次磷酸盐、亚磷酸盐、TP、CODCr、氨氮、金属离子等含量高。为保证镀液的稳定性及镀层质量，还需要加入络合剂、缓冲剂和光亮剂等助剂，这些无机或有机助剂易与镍形成稳定络合物，使得废水处理难度陡然增大。如柠檬酸铵使得废水中氨氮的含量升高[2]，工艺中采用氨水调节pH，故废水中的氨除存在络合形态，还存在游离氨[3]。因此，化学镀镍废水主要污染指标为络合镍、次磷酸盐、亚磷酸盐、CODCr、氨氮等。目前，采用一般化学方法处理化学镀镍废水，水质难以达标且需二次添加药剂，处理成本较高，废水回用率较低。

采用氧化剂H2O2、高锰酸钾(钠)、氯气、NaClO、臭氧等，降低废水CODCr的同时还将次磷酸盐、亚磷酸盐氧化为磷酸盐[2]。贾晓玲等[4]采用NaClO氧化法，使化学镀镍废水的氨氮去除率达到91%以上，但采用此方法处理废水中的氨氮，将氨氮氧化成N2，需要再添加其他药剂，将增加企业成本。张洪亮等[5]采用Fenton氧化和沸石吸附联合处理化学镀镍废水，TP的去除率可达到91.88%，氨氮的去除率为86.3%。但采用此方法处理化学镀镍废水需添加药剂H2O2、FeSO4·7H2O、絮凝剂等，污泥量大且易产生二次污染，对环境和人类健康有害。氧化剂SK-901是一种新型、高效、多功能的绿色水处理剂，具有极强的氧化性，同时具有高絮凝性，不需要二次添加其他药剂，能够将化学镀镍废水中的次/亚磷酸氧化为正磷酸，能够捕捉Ni(OH)2颗粒和磷酸盐沉淀，沉淀颗粒不断长大，最后泥水分离，可降低废水中的污染物含量，绿色环保。

本研究开展了氧化剂SK-901处理化学镀镍废水的小试试验。分别考察不同SK-901添加量、pH、反应时间，探讨出工艺最佳运行条件，为处理化学镀镍废水的实际应用提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 试验废水

试验废水取自深圳某电路有限公司化学镀镍废水，具体水质如表1所示。

表1 试验废水水质Tab.1 Test Wastewater Quality

1.2 试验材料

氧化剂SK-901：SK-901是一种新型、高效、多功能的绿色水处理剂，主要通过高价金属铁的化合物制得，铁以高价态形式存在，其标准电极电势达到2.20 V，具有极强的氧化性，能够将化学镀镍废水中的次/亚磷酸氧化为正磷酸，将有机物矿化为CO2和H2O2。被还原的Fe3+生成Fe(OH)3颗粒，释放的Ni2+形成Ni(OH)2颗粒、正磷酸形成沉淀物。Fe(OH)3本身是一种混凝剂，能够捕捉Ni(OH)2颗粒和磷酸盐沉淀，在絮凝剂的作用下，沉淀颗粒不断长大，最后进行泥水分离，降低废水中的污染物含量。

采用SK-901处理化学镀镍废水针对性强，可降低化学镀镍废水中络合镍、次/亚磷酸盐、CODCr、氨氮等污染物的含量。

1.3 试验药剂和仪器

试验仪器：电子天平，pHSJ-4F型pH计，HJ-6A型磁力搅拌器，TU-1900型紫外可见分光光度计。

试验药剂：重铬酸钾、硫酸铝钾、钼酸铵、硫酸汞、抗坏血酸、酒石酸锑钾、碘化钾、碘化汞、酒石酸钾钠，所用药品均采用分析纯。试验室用水均为蒸馏水。

1.4 试验方法

对供试水样进行烧杯试验。取100 mL化学镀镍废水放于烧杯中，调节废水pH，添加10 mL质量浓度为10 000 mg/L的SK-901水溶液，置于磁力搅拌器上搅拌，进行氧化反应。待反应完成，加入少量絮凝剂絮凝沉淀，过滤后取滤液测定处理后水样中TP、CODCr、氨氮含量，并计算去除率。

(1)单因素试验方法

取适量试验水样，调节废水至不同pH，添加不同量(0～50 mL)的10 000 mg/L SK-901水溶液，置于磁力搅拌器上搅拌，进行氧化反应，设置不同的反应时间。待反应完成，加入少量絮凝剂絮凝沉淀，过滤后取滤液测定处理后水样中TP、CODCr、氨氮含量。

(2)正交试验方法

以出水中残余TP、CODCr、氨氮的质量浓度为指标，以反应时间、废水初始pH、SK-901的添加量进行L9(33)正交试验。采用极差分析法对正交试验结果进行分析。

1.5 分析方法

CODCr采用快速消解分光光度法[6]进行测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法[7]测定；TP采用钼酸铵分光光度法[8]进行测定；络合镍采用火焰原子吸收分光光度法[9]进行测定。

2 结果与分析

2.1 添加量对处理效果的影响

在室温条件下，取600 mL试验水样，平均分成6份放于6个烧杯中，每份水样中分别添加0、10、20、30、40、50 mL质量浓度为10 000 mg/L的SK-901水溶液，反应时间为0.5 h，考察SK-901添加量对CODCr、氨氮、TP处理效果的影响，结果如图1所示。

图1 添加量对污染物去除的影响Fig.1 Effect of Dosages on Pollutants Removal

如图1所示，SK-901处理化学镀镍废水TP、氨氮和CODCr时，随着添加量的增加，CODCr去除率趋于平缓，但TP和氨氮降低趋势不明显。这是因为SK-901去除CODCr是依靠其强氧化能力，而其氧化能力具有一定限度[10]。另外，增大投加量会造成处理成本的增加。崔红梅等[11]采用Fenton氧化法处理生产废水，随着药剂投加量的增加去除效果先增大后趋于平缓，最后废水CODCr的去除率可以达到63.4%。罗琨等[12]采用Fenton氧化法降解电镀废水中的有机物，CODCr的去除率为75.15%，Ni2+去除率为86.60%。

2.2 反应pH影响

在室温条件下，取500 mL试验水样，平均分成5组。分别设置反应pH值为2.0、4.0、6.0、8.0、10.0，添加3 mL质量浓度为10 000 mg/L的SK-901水溶液，反应时间为0.5 h，考察反应pH对CODCr、氨氮、TP处理效果的影响，结果如图2所示。

图2 pH值对污染物去除的影响Fig.2 Effect of pH Value on Pollutants Removal

2.3 反应时间影响

在室温条件下，取500 mL试验水样，平均分成5组。设置反应pH值为10.0，添加3 mL质量浓度为10 000 mg/L的SK-901水溶液，分别设置反应时间为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h，考察反应时间对CODCr、氨氮、TP处理效果的影响，结果如图3所示。

图3 反应时间对污染物去除的影响Fig.3 Effect of Reaction Time on Pollutants Removal

如图3所示，SK-901处理化学镀镍废水TP、氨氮和CODCr时，随着反应时间的增加，TP和氨氮显著降低，但CODCr出现增加趋势。反应2.0 h时，TP和氨氮质量浓度分别降至266.60 mg/L和14.30 mg/L，去除率分别为15.47%和60.71%。再进一步增加处理时间，氨氮的去除效果提升不明显，但TP质量浓度可进一步降至242.20 mg/L，其去除率达到23.21%。SK-901具有强氧化性，处理初期反应速率较快，随着处理时间的延长，氨氮受自身浓度和SK-901浓度的影响，表现为去除率随反应时间的增加增幅减缓。在反应0.5 h之后，CODCr出现升高趋势，由于SK-901的强氧化性，难降解的络合态分子分解生成能被重铬酸钾氧化的物质，采用重铬酸钾法测定CODCr会出现上升趋势，且随时间的延长，反应不断进行,测得的CODCr含量不断上升。研究[14]表明，随着时间的延长，废水中残余磷浓度不断下降，一定时间后趋于平稳，磷去除率可达到99.99%。胡冰等[15]采用芬顿氧化处理制药废水二级生化出水，氧化反应在1.5 h已经基本完成对CODCr的去除，继续延长反应时间，CODCr去除率基本不再发生变化。

2.4 正交试验

SK-901处理化学镀镍废水受到不同因素影响，如pH、SK-901添加量、反应时间，正交试验确定这3个反应条件为SK-901处理化学镍废水的试验研究因素，每个因素3个水平(表2)。A因素为反应pH值，参照pH单因素试验，碱性条件下处理效果最佳，因此，pH值共3个水平即9.0、10.0、11.0；B因素为SK-901用量，共3个水平即投加量为25、30、35 mL/L；C因素为反应时长，共3个水平即1.5、2.0、2.5 h。采用L9(33)正交表进行试验，以TP、CODCr、氨氮去除率为试验观测值。

表2 SK-901处理化学镍废水的正交试验设计Tab.2 Orthogonal Test Design of SK-901 for Chemical Nickel Wastewater Treatment

按照表2所列方案进行试验，共进行9组试验，正交结果如表3所示。其中H1、H2、H3为TP在各因素对应条件下的平均去除率，I1、I2、I3为CODCr在各因素对应条件下的平均去除率，J1、J2、J3为氨氮在各因素对应条件下的平均去除率。

表3 SK-901处理化学镍废水的正交试验结果Tab.3 Orthogonal Test Results of Nickel Wastewater Treatment by SK-901

由表3可知，可以预测SK-901处理化学镀镍废水TP的最优工艺条件是C1B3A1，反应pH值为9.0，按投加量为35 mL/L加入质量浓度为10 000 mg/L的SK-901水溶液，反应1.5 h。处理CODCr的最优工艺条件是C1B3A2，反应pH值为10.0，按投加量为35 mL/L加入质量浓度为10 000 mg/L的SK-901水溶液，反应1.5 h。处理氨氮的最优工艺条件是A3C2B1，反应pH值为11.0，按投加量为25 mL/L加入质量浓度为10 000 mg/L的SK-901溶液，反应2.0 h。

综合考虑，SK-901最佳处理工艺条件：设置反应pH值为10.0，按投加量为25 mL/L向化学镀镍废水中加入质量浓度为10 000 mg/L的SK-901水溶液，反应1.5 h。此时试验水样中CODCr质量浓度为638.28 mg/L，氨氮质量浓度为11.64 mg/L，TP质量浓度为268.18 mg/L，络合镍质量浓度为96.7 mg/L。