在工業廢水處理中,絮凝法是目前最為實用和最為經濟的一種處理方法｡絮凝工藝的核心在于所使用的絮凝材料,其性能的好壞將直接影響到對廢水的處理效果｡隨著工業的發展,廢水中的復雜成分越來越多,用單一的絮凝劑處理已遠遠不能滿足水處理的需要,研究開發和應用新型高效復合體系絮凝材料已成為近年來的研究重點〔1-3〕｡金屬類聚硅酸復合型絮凝劑作為一種新型的水處理材料,已被列入我國“九五”科技攻關的研究項目｡淀粉絮凝劑由于具有無毒､價廉､原料來源廣以及可生物降解等優點,在水處理方面得到了廣泛的應用｡然而對于這兩類絮凝劑的形態及絮凝機理以及絮凝劑與膠體顆粒之間的相互作用和絮凝動力學等方面的研究尚有待于進一步加強,特別是有關絮凝劑復配體系的最佳配體及投加順序等方面的文獻報道較缺乏〔4〕｡本試驗采用動態模擬方法,分別研究了幾種復配體系絮凝劑對煉油循環廢水的絮凝機理和反應條件,獲得了較為理想的絮凝復配比例及工藝條件,對改善工業循環水的水質,實現污水的回用及提高循環水的重復利用率提供了參考｡
1 試驗部分
1.1 試驗儀器及材料
主要儀器:電熱恒溫水浴鍋,遼寧遼陽實驗儀器廠;電動攪拌機,江蘇丹陽電子儀器廠;濁度儀,美國哈希公司;pHS-25 酸度計, 上海雷磁儀器廠;SDS-109U 紅外分光測油儀,成都分析儀器廠;電子天平,日本島津公司｡其他的儀器包括常規的玻璃器皿等｡
主要材料:聚合氯化鋁(PAC),廣州偉伯化工有限公司, 粉狀固體,Al2O3質量分數≥30%, 鹽基度40% ~90% ,pH (1% 水溶液)3.5 ~5.0; 聚合氯化鐵(PFC),廣州偉伯化工有限公司,固狀物,全鐵質量分數≥10%,鹽基度60%,pH(1%水溶液)≈2;陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)､陰離子型聚丙烯酰胺(APAM),日本三菱化學公司,均為固體,相對分子質量約為50 萬~200 萬,固含量均在90%以上;聚硅酸鋁鋅(PSAZ),日本三菱化學公司,淡黃色固體,特性黏度≥0.4 mL/g,離子度≥50%;陽離子淀粉絮凝劑,中科院成都有機化學有限公司;硅酸,上海邁坤化工有限公司,分析純;硫酸,蘇州市大朋化學試劑有限公司,分析純｡
1.2 試驗用水及水質情況
試驗用水取自某煉油廠的三循環沉淀池,其水質情況如表1 所示｡
由表1 可知, 該廠循環沉淀池廢水中的油含量､濁度以及懸浮物等均較高,如果選擇傳統的單一型鋁鹽､鐵鹽等絮凝劑難以達到理想的處理效果,所以選擇使用復配體系絮凝處理,通過試驗以確定最佳的復配比例及工藝條件,從而得到較為理想的處理效果｡
1.3 試驗方法
分別使用紅外分光測油儀､濁度儀､酸度計､電導儀等測定待處理水中的油含量､濁度､pH 及電導率等,采用濾膜法測定水中的懸浮物(SS)｡
1.3.1 單一型絮凝劑的絮凝處理試驗
將PAC､PFC､APAM､CPAM､PSAZ 及陽離子淀粉絮凝劑等分別配成一系列不同濃度的水溶液,同時在若干份1 000 mL 的廢水樣品中分別加入上述幾種絮凝劑水溶液,啟動攪拌器快速攪拌(約300r/min)2 min 后,再慢速攪拌(約40 r/min)10 min,其間注意觀察礬花的形成及變化情況并記錄其形態｡停止攪拌后靜置15 min, 用100 mL 注射器抽取上清液,分別測定處理后水中的油含量､濁度及懸浮物等指標｡
1.3.2 各種復配體系絮凝劑處理效果的對比試驗
將PSAZ 分別與PAC､PFC､APAM､CPAM 及陽離子淀粉絮凝劑按一定比例配制成水溶液后,分別加入1 000 mL 待處理水樣中, 按1.3.1 中步驟進行試驗及測定｡其中PSAZ+PAC 質量濃度為(20+250)mg/L,PSAZ+PFC 質量濃度為(20+250) mg/L,PSAZ+APAM 質量濃度為(3+20) mg/L,PSAZ+CPAM 質量濃度為(3+20) mg/L,PSAZ+陽離子淀粉絮凝劑質量濃度為(20+2) mg/L｡
1.3.3 PSAZ+陽離子淀粉絮凝劑復配體系的動態模擬試驗
試驗的工藝流程見圖1｡
試驗條件為:水量500 L,流量80 L/h､攪拌時間為10 min､停留時間30 min､PSAZ 20 mg/L+陽離子淀粉絮凝劑2 mg/L｡
2 試驗結果與討論
單一型絮凝劑對煉油廢水的絮凝效果如表2所示｡
由表2 可知:6 種絮凝劑中,PAC､PFC､APAM､CPAM 對廢水中油的去除效果較差, 而PSAZ 和陽離子淀粉絮凝劑對油的去除效果相對較好｡其原因是PSAZ 除了具有單元無機高分子絮凝劑的共同優點外,其異核金屬離子的交錯排列能夠形成更長､更穩定的分子鏈,一方面增加了其聚合度和分枝程度,使網捕作用加強; 另一方面金屬離子的引入增加了所帶的電荷量,使其吸附電中和能力提高,增加了其處理效果｡陽離子淀粉絮凝劑的處理效果雖然次于PSAZ,但其沉淀速度是最快的,這就縮短了處理時間,提高了處理效率｡各種復配體系絮凝效果的對比如表3 所示｡
由表3 可知:在各種復配體系中,PSAZ+陽離子淀粉絮凝劑的復配體系具有最好的絮凝效果, 對于油及濁度的去除率均較高,而且其形成的絮體也大,呈絲狀､抱團形態,絮體的沉降速度亦較快｡這主要是由于淀粉半剛性骨架和接枝物柔性鏈段形成的大分子具有空間網狀的多孔結構, 且部分具有線性結構〔5-7〕,這類結構使得其表面積增大,從而大幅度提高了對懸浮物顆粒的吸附和網捕能力｡故其形成絮體較快､顆粒較大､提高了沉降速度｡
3 PSAZ+陽離子淀粉絮凝劑復配體系處理含油廢水的影響因素分析
3.1 不同投料方式對絮凝效果的影響試驗
在投加總量不變的情況下, 分3 種方法改變PSAZ+陽離子淀粉絮凝劑復配體系的投加順序:(1)兩種絮凝劑同時投加;(2)先投加PSAZ 快速攪拌2 min 后再投加陽離子淀粉絮凝劑;(3)先投加陽離子淀粉絮凝劑快速攪拌2 min 后再投加PSAZ｡
試驗結果如表4 所示｡
由表4 可知,3 種不同的投加方式的絮凝效果依次為:方法2>方法1>方法3｡這是由于兩類絮凝劑的作用機理有所差異,PSAZ 的作用主要是電中和〔8〕,加入陽離子淀粉絮凝劑后PSAZ 所帶之正電荷能夠中和含油廢水所帶的負電荷, 從而減弱了膠體之間靜電的排斥作用,使顆粒易于聚集｡而陽離子淀粉絮凝劑中的淀粉能與PSAZ 接枝成大分子長鏈而將油珠吸附或包裹｡假如先加入陽離子淀粉絮凝劑或者兩者同時加入, 則水中一部分膠體與油珠還沒有被中和就被淀粉-PSAZ 長鏈吸附或包裹,使膠體顆粒之間產生了靜電排斥作用, 故其凝聚及絮凝力減弱｡
3.2 水樣的pH 對絮凝效果的影響
pH 對膠體或微粒表面的Zeta 電位及絮凝劑的性質等均有較大的影響｡適宜的pH 可促使絮凝作用更加完全, 從而節省大量的絮凝劑以降低處理成本｡反之,可導致絮凝劑不能和膠體微粒作用而影響絮凝沉淀的形成, 或者使已形成的絮凝體重新被破碎成膠體溶液｡
試驗采取方法2 的投加順序, 通過改變水樣的pH 來考察其對絮凝效果的影響,結果見圖2｡
由圖2 可知,PSAZ 和陽離子淀粉絮凝劑的復配絮凝效果受pH 的影響為:當pH<5 時,絮凝效果較差,水樣中濁度和油的去除率均較低;pH 增加,絮凝效果亦相應提高,在pH 為6~9 時,絮凝效果最好;當pH 升高到一定程度后,絮凝效果即有所降低｡其主要原因是因為陽離子絮凝劑的取代基帶有正電荷,其電中和能力較強,易使膠體粒子脫穩,繼而通過高分子的特殊網狀架橋作用使膠體形成較大的團狀絮凝而沉淀｡pH 增加到一定程度后,在堿性條件下, 絮凝劑水溶液亦呈堿性, 其中有大量的游離OH-,這就中和了淀粉的陽離子電荷,從而使陽離子淀粉的絮凝效果降低｡圖2 還說明復合絮凝劑對廢水的pH 適應范圍較寬｡
3.3 溫度對絮凝效果的影響
在兩種絮凝劑投加量不變的情況下, 保持水樣的pH=7,通過改變水樣的溫度,考察了水溫對于絮凝效果的影響,結果見圖3｡
由圖3 可看出,隨著水溫的升高,絮凝效果亦相應提高,在水溫為20~40 ℃時,其去除效果最佳;當溫度升高到一定程度后,絮凝效果反而降低｡究其原因主要是:在較低溫度時,水解反應速度緩慢,水的黏度較大,導致膠體顆粒運動的阻力增大,絮體的生成速度降低,顆粒不易沉降｡但水溫過高時,化學反應速度亦加快,所形成之絮體較細小,同時絮體的水合作用增加,減緩了絮體的沉降速度,使絮凝效果降低｡本試驗中室溫在25 ℃左右時,其處理效果最佳｡
3.4 攪拌時間對絮凝效果的影響
在水樣pH=7､水溫25 ℃條件下,先投加PSAZ20 mg/L,再加入陽離子淀粉絮凝劑2 mg/L,通過改變攪拌時間,考察其對于絮凝效果的影響,結果見圖4｡
由圖4 可知,攪拌時間約10 min 時,絮凝效果最好｡攪拌時間過長,將使本應該沉淀的顆粒又分散成不能沉淀的細小顆粒,降低了絮凝效果;而攪拌時間過短,則會使絮凝劑和顆粒物不能充分接觸及吸附,從而不利于絮凝劑對膠體顆粒的捕集, 使絮凝劑的效能不能充分發揮〔9〕｡具體參見http://www.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。
4 結論
(1)通過對不同單一型絮凝劑及不同復配體系絮凝劑的對比試驗, 表明復配體系絮凝劑的處理效果優于單一型的絮凝劑;而在各種復配體系中,尤以聚硅酸鋁鋅+陽離子淀粉絮凝劑的復配體系對含油廢水的處理效果最佳｡
(2)在對聚硅酸鋁鋅和陽離子淀粉絮凝劑復配體系的動態試驗過程中,藥劑的投加順序､pH､水溫及攪拌時間等對其絮凝效果有較大的影響, 其最佳處理條件為: 水溫25 ℃左右,pH=7, 攪拌時間10 min 左右,先投加聚硅酸鋁鋅20 mg/L,再加入陽離子淀粉絮凝劑2 mg/L, 該條件下對廢水中油的去除率可達96%以上,對濁度的去除率亦保持在98%以上｡
