破乳-混凝-电絮凝预处理兰炭废水的实验研究

2023-09-15赵萌景立明张安龙刘欣东刘爽马子昂

应用化工 2023年8期

赵萌,景立明,张安龙,刘欣东,刘爽,马子昂

(陕西科技大学环境科学与工程学院,陕西西安 710000)

兰炭废水成分复杂,含有大量煤焦油、酚类,氨氮等物质,其毒性大、色度高、难处理[1-2]。目前国内外兰炭废水处理主要以物化处理+生化处理为主,而物化预处理效果往往对生化处理系统能否稳定运行起着关键作用。工业上采用的物化预处理工艺包括气浮除油,萃取脱酚和精馏蒸氨,此类预处理工艺虽然能有效去除煤焦油,并能对影响生化处理效果的酚类物质和氨进行回收,但投资大,运行成本高[3-4]。本研究以破乳-混凝-电絮凝为主进行预处理,以期降低成本,提高废水可生化性,利于后续生化处理系统稳定有效运行。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

硫酸(1 mol/L)、硫酸汞、甲基橙指示液(0.5 g/L)、碘化钾、硫代硫酸钠(0.012 5 mol/L)、磷酸(1+9) 均为分析纯;重铬酸钾(0.5 mol/L),优级纯;聚醚型破乳剂(淡黄色液体),密度1.2～1.35 g/cm3,市售;絮凝剂(无色液体),季铵型阳离子高分子化合物,固含量>50%,动力粘度30～200 cps.20 ℃,市售;铝板。

实验用水取自陕西榆林神木某兰炭企业综合废水集水池,废水外观呈棕黑色,不透光,具有刺鼻气味,水质监测指标见表1。

表1 兰炭废水原水水质指标Table 1 Raw water quality index of orchid charcoal wastewater

1.2 实验方法

1.2.1 破乳、混凝、电絮凝单一工艺处理兰炭废水取原水过滤,经定性滤纸抽滤后,水样留用。取上述水样于多个烧杯中,分别控制不同破乳剂投加量及pH,加药后快速搅拌2 min再慢速搅拌至其反应完全,过滤,上清液留样,确定最佳破乳剂投加量及反应最佳pH;同时,取抽滤后水样于多个烧杯,投加一定量絮凝剂,快速搅拌5 min之后静置过滤,留样;再取抽滤后水样进行双铝板电极电絮凝,在电流密度200 A/m2、极板间距2 cm的条件下,确定最佳反应时间和pH,过滤,对过滤水进行COD以及氨氮的测定。

1.2.2 破乳-混凝-电絮凝组合工艺处理兰炭废水取上述抽滤后水样250 mL,依次进行破乳,混凝,电絮凝实验,实验方法同上,每一步骤都留样进行指标测定。

1.3 分析方法

COD测定采用快速消解分光光度法;BOD采用BOD快速测定仪进行测定;石油类采用分光光度法,挥发酚采用4-氨基安替比林分光光度法,氨氮测定采用纳氏试剂分光光度法,电导率和pH采用电导率仪及pH计进行测定。

2 结果与讨论

2.1 破乳剂的最佳投加量及pH确定

兰炭废水中含有大量煤焦油[5],大部分油类与酚类物质结合在一起形成的大分子物质极难降解,使除油成为兰炭废水处理的首要条件。本实验采用过滤对废水进行初步预处理,去除部分浮油及分散油。通过控制破乳剂投加量为1.62,2.025,3.375,5.075,10.125 mg/L,保持原水pH,室温,搅拌后静置10 min,过滤,对COD进行测定,结果见图1。

图1 破乳剂投加量对COD去除率的影响Fig.1 Effect of demulsifier dosage on COD removal rate

由图1可知,破乳剂的去除效果随投加量的增加而呈现先上升后下降的趋势,前期破乳效果随投加量而变好,投加量达到5.075 mg/L时,处理效果最好,COD去除率为29.1%。这是由于破乳剂投加量过多,导致破乳剂进入水中未发生破乳反应,聚醚高分子物质在水中溶解,导致水中COD含量增加。

水样的pH对破乳剂效果同样有影响。本文在破乳剂投加量为5.075 mg/L,室温条件下,对 pH分别为5,6,7,9时对破乳的效果做了实验验证,结果见图2。

图2 破乳反应pH对COD去除率的影响Fig.2 Effect of pH of demulsification solution on COD removal rate

由图2可知,当pH偏酸时去除率只有19.58%,这是因为酸性条件下过多的H+会抑制破乳剂中聚合硫酸铝的水解,削弱其絮凝作用[6]。中性以及偏碱性时去除率变化不明显,最佳pH为6,去除率可达到28.94%。这是由于弱酸条件下较少的H+与脂肪酸皂发生反应生成了脂肪酸,乳化液的水油界膜被破坏使脂肪酸分离出来,提高了破乳效果[7]。

2.2 混凝对废水的去除效果分析

兰炭废水中难降解的酚类居多,工业上的脱酚蒸氨仪器及运行费用高昂,单纯的药剂投加可以在去除酚类的同时,省去仪器的购建运行等费用。市面上的混凝剂多为铝盐、铁盐以及二者的聚合物质,但其用量大,混凝絮体小,季铵有机高分子混凝剂结合混凝助凝效果于一体,是本实验较为理想的处理药剂。由于混凝剂投加后有明显的沉淀现象产生,所以混凝实验在经过抽滤后的水样中直接投加混凝剂,直至沉淀不产生为终点。经过处理后,混凝剂用量为72.4 mg/L,水样颜色有了明显的变化。COD去除率达到60.71%,氨氮去除率达到46.62%。见图3,左为未处理的原水,右为混凝后的水样。

图3 混凝前后废水颜色对比图Fig.3 Color comparison of wastewater before and after coagulation

2.3 电絮凝的最佳反应条件确定

混凝单元利用混凝剂的吸附架桥作用絮凝沉淀去除有机物,而铝板电絮凝在电极电解出Al3+,通过形成铝的聚合物絮凝有机污染物对其进行沉淀去除,此外,电解产生的·OH还能以极强的氧化作用彻底氧化污染物为CO2和H2O[8]。

电絮凝单元以双铝板为阴阳极进行实验,电流密度为200 A/m2,极板间距为2 cm,pH为6,反应120 min,其中,取反应20,40,60,80,100,120 min时的水样测定COD值,结果见图4。

图4 电絮凝反应时间对COD去除率的影响Fig.4 Effect of electroflocculation time on COD removal rate

pH对电絮凝有更大的影响。同样条件下,处理时间为40 min,分别在4,5,6,7不同pH下对电絮凝去除率进行了比对,结果见图5。结果显示,在pH为4的酸性条件下,电絮凝的COD去除效果明显。这是因为酸性条件下铝的活性较高[10],Al3+含量也高,水解速度加快,生成更多具有絮凝作用的聚合物[Al(OH)3]n,有利于絮凝作用去除有机污染物。

图5 电絮凝反应pH对COD去除率的影响Fig.5 Effect of electroflocculation pH on COD removal rate

2.4 组合工艺对废水的去除效果分析

为进一步确定单一工艺以及联用工艺对兰炭废水的处理效果,本实验对抽滤后的水样进行破乳-混凝-电絮凝处理,在pH为6的条件下,投加破乳剂5.075 mg/L,过滤;取上清液再次投加混凝剂72.4 mg/L,过滤;取上清液在电流密度为200 A/m2,极板间距为2 cm,pH为4的条件下,双铝板电解40 min,工艺对COD和氨氮的去除率对比及组合工艺处理效果见图6～图7。

图6 不同工艺对COD及氨氮的去除率对比图Fig.6 Comparison of COD and ammonia nitrogen removal rate by different processes

图7 组合工艺处理效果图Fig.7 The effect of combined process treatment

单一工艺条件下,混凝剂最大投加量为72.4 mg/L,再投加混凝剂不产生沉淀,此时COD及氨氮的去除率最高;破乳剂投加量为5.075 mg/L,对COD和氨氮的单一去除率不高,但添加破乳剂能大大缩减混凝剂的用量。电絮凝在最佳参数下反应40 min时COD去除率为28.05%,氨氮去除率为16.04%,混凝剂若不计成本投加,其对COD的去除率可达到60.71%,氨氮去除率达到51%,但药剂投加量过大,成本高,本实验将对原水进行过滤-破乳-混凝-电絮凝处理。图7右图为原水经过过滤,破乳,混凝以及电絮凝处理后,水样稀释50倍的效果,其具体处理结果见表2。

表2 组合工艺对COD的去除效果一览表Table 2 List of COD removal effects of combined processes

结果表明,3种工艺联用后,COD在逐步降低,最终去除率达到70.64%,氨氮去除率达到41.38%,B/C提高到0.17。多次实验表明,过滤去除了大部分浮油和分散油,每次去除的COD稳定在2 000 mg/L左右,说明该兰炭废水中的浮油分散油对COD的占比在5.2%左右。混凝剂的用量缩减了一半,并且经过破乳混凝后,原水中的乳化油及酚类等大分子物质大部分被去除掉,再电絮凝去除其他有机化合物后使COD达到11 000 mg/L左右。