采用混凝沉淀工艺处理某特种废水的实验研究

中国环境学会  2011年 03月31日


  王晓晨 朱安娜 王大玮 李颖 安艳 (防化研究院, 电话:13381363368,北京市1043信箱602室,102205)


  摘要:某特种废水中含有高浓度表面活性剂LAS,直接排放可能造成严重的环境污染。本文以聚合氯化铝(PAC)为混凝剂,以聚丙烯酰胺(PAM)为助凝剂,以氧化钙(CaO)调节水样pH值,设计均匀实验确定了该特种废水混凝沉淀工艺的主要影响因子,采用单因素实验确定了混凝剂和助凝剂的最佳投药量范围,并验证了均匀实验的结果。结果表明,对于该特种废水,污染物去除效果的主要影响因子是CaO投加量。当CaO投加量为600 – 5000 mg/L时,废水中CODCr、LAS和浊度的去除率均随着CaO投加量的增加而升高。当PAC投加浓度低于2000 mg/L时,废水中污染物去除率随PAC投加量增加而上升,当PAC投加浓度高于2000 mg/L时,污染物去除率趋于稳定。投加PAM有助于加速混凝沉淀速度,但对废水中污染物的去除效果影响不大。适宜的CaO投加量为2000-3500 mg/L,PAC投加量为2000 mg/L左右,PAM投加量宜为10 mg/L左右。经过混凝沉淀处理后,废水中CODCr去除率可达60%以上,LAS去除率达70%以上,浊度去除率达90%以上,证明混凝沉淀是处理该洗消废水的有效方法。
  关键词: 混凝沉淀;LAS废水; PAC;PAM


  某特种废水产生于对染有特殊有毒化学品的装备、人员和设施实施清洗和消毒的过程。该种废水通常为间歇式产生,水质复杂,主要污染物为表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(LAS)和未反应完的消毒杀菌剂,其COD值常常达4000mg/L以上,LAS浓度达到1000mg/L以上,浊度达800NTU以上。由于LAS含量极高,废水如果直接排入环境,不仅会造成严重的环境污染,甚至可能抑制生态环境的自净作用[1-4]。也有研究表明[5],长期接触表面活性剂或饮用含表面活性剂的水,会扰乱内分泌系统,引起雌雄一体、动物免疫机能异常、胎儿发育畸形、儿童智力低下等异常现象。在许多发达国家,表面活性剂已与二恶英(Dioxines)、多氯联苯(PCBs)、敌敌畏(DDT)等一同列入“环境荷尔蒙可疑物质”黑名单。因此,对该类废水进行及时处理非常重要。
  废水中主要污染物为LAS,因此可将其视为一种LAS废水,常用的LAS废水处理工艺如混凝沉淀、氧化、泡沫分离、活性炭吸附、生物降解以及它们的组合工艺应该可以实现其净化处理。然而,由于该废水的特殊性,此前没有单位开展过相关处理技术研究,而常规LAS废水处理工艺参数也不适用于该类废水(该废水LAS浓度大大超出常规废水的指标范围)。为此,本文以模拟废水为对象,通过设计均匀实验和单因素实验,考察了混凝沉淀工艺对该类废水的处理效果,确定了最佳混凝沉淀处理条件范围。


  1 实验部分


  1.1 实验仪器与药品
  仪器设备:pH计(北京屹源电子仪器科技公司)、722分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)、CODCr速测仪(德国Lovibond)、SGZ-2浊度仪(上海悦丰仪器仪表有限公司)、JJ-4六联数显电动搅拌器(江苏金城国胜实验仪器厂)。
  试验试剂:十二烷基苯磺酸钠标准试剂(国家环保部标准样品研究所);浓硫酸、三氯甲烷、亚甲基蓝、磷酸二氢钾等,均为分析纯。CaO、PAC和PAM均为市售。消毒剂和发泡剂为自行配伍制成。


  1.2 测试方法
  化学耗氧量(CODCr)采用速测法;阴表面活性剂LAS采用亚甲基蓝分光光度法[6];pH值和浊度均使用仪器直接分析。


  1.3 模拟水样的配制
  根据废水中主要污染物组成特点配制模拟废水,其中CODCr值约为3800-4500 mg/L,LAS浓度约为1100- 1300 mg/L,浊度约800-900 NTU,pH值约为7.5。
 

  2 试验结果与讨论


  2.1 均匀实验
  设计U6*(64)均匀实验考察加碱量、混凝剂用量和助凝剂用量对水样中CODCr、LAS和浊度去除率的影响。每组实验各参数所取水平值如表1所示。其中,CaO为干法投加,PAC和PAM均为湿法投加。废水因含有高浓度表面活性剂,极易起泡,考虑到实际应用中可能需喷洒消泡剂消泡后才能使用水泵收集,且试验中发现喷加消泡剂不会对混凝沉淀效果产生明显影响,因此,往配水样中喷加一定消泡剂后,再用于混凝沉淀实验。
  表1  均匀实验参数水平表*

  序号

加碱量(mg/L)

PAC投加量(mg/L)

PAM投加量(mg/L)

1

300

1000

15

2

600

2000

40

3

1200

4000

10

4

2400

500

30

5

4000

1500

5

6

6000

3000

20

  * 考虑废水中表面活性剂浓度很高,CaO、PAC和PAM投加量的取值范围也比一般情况下取得高。
  以3种污染指标的去除率(分别以Y1、Y2和Y3表示,%)为因变量,以CaO投加量(以[CaO]表示,g/L)、PAC投加量(以[PAC]表示, g/L)、PAM投加量(以[PAM]表示,g/L)以及3个因子之间的交互作用为自变量,针对实验中所测得的结果,使用均匀设计分析软件(UD)和统计分析软件(SPSS)进行数据拟合,均得到如表2所示的回归方程。
  表2  均匀试验的回归方程

  去除率(%

回归方程

CODCr

         R = 0.915        (1)

LAS

        R=0.826        (2)

浊度

      R= 0.816        (3)

  由表2可以看出,影响CODCr和LAS去除率的主要因子为CaO投加量,其余因子(PAC和PAM投加量、交互因子)对它们的去除影响均不显著,在模型中被剔除。对于浊度,主要影响因子为CaO与PAC的投加量交互作用,其余因子的影响不显著。根据上述模型,当CaO 投加量处于300-6000mg/L、PAC投加量处于500-4000mg/L范围内时,废水CODCr、LAS和浊度的去除率随加碱量的增加而呈线性上升。


  2.2 单因素实验
  (1) CaO投加量的影响
  取7份水样,每份水样500 mL,分别往水样中加入0.3 – 2.5 g CaO固体,快速搅拌水样5min,使CaO尽量与水样反应,然后向每份水样中加入PAC悬浊液使之在水样中的浓度约为2000 mg/L,再快速加入PAM使之在水样中浓度约为10 mg/L,按常规方法进行混凝反应。取上清液分析CODCr、LAS和浊度。以CaO投加量为横坐标,将测得的CODCr、LAS和浊度值为纵坐标,可得如图1所示的实验结果。
  由图1可以看出,当CaO投加量小于1800 mg/L时,CODCr、LAS和浊度去除率随加碱量变化不大,当CaO投加量大于1800 mg/L后,CODCr、LAS和浊度去除率快速提高,当CaO投加量大于4000 mg/L后,污染物去除率增幅有所减缓。总体而言,污染物去除率并未像均匀实验预测的那样与CaO投加量成线性关系。分析其原因,可能是因为在均匀实验中,CaO的投加量未选择1800 mg/L这个点,而这个点恰恰是个实验结果突变点。由此可见,在设计均匀实验时,水平值的选择非常重要,在实验条件允许的条件下,尽可能选择水平值更多的均匀设计表,以减少误差。同样加碱量条件下,浊度的去除率最高,LAS次之,CODCr去除率最低。根据该实验结果,在处理废水时,尽量使CaO投加量大于2000 mg/L,可以获得较好的处理效果,但与此同时,建议CaO的投加量不大于3500 mg/L,一方面不致于造成CaO投加量的浪费,另一方面也可防止处理后的废水pH值过高,影响到后续处理效果。
  (2) PAC投加量的影响
  固定CaO的投加浓度为3000 mg/L,PAM的投加量为10 mg/L,PAC的投加浓度范围为500 ~ 4000mg/L,开展混凝沉淀实验,实验方法同前。以PAC投加浓度为横坐标,以CODCr、LAS和浊度去除率为纵坐标,绘制曲线如图2所示。由该图可以看出,随着PAC投加浓度的增加,CODCr、LAS和浊度去除率呈上升趋势,但总体而言变化不大,特别是当PAC浓度大于2000 mg/L之后,CODCr、LAS和浊度去除率几乎没有明显变化。
  为了进一步考察PAC投加量对废水混凝沉淀效果的影响,本节又设计了CaO投加量为5000 mg/L的单因素实验,PAC和PAM投加浓度同前,试验结果如图3所示。图3显示,当CaO投加量为5000 mg/L时,污染物去除效果的变化规律与CaO投加量为3000 mg/L时的基本相同,即随PAC投加浓度的增加,CODCr、LAS和浊度去除率略有上升,但变化幅度不大。对比图2和图3的结果,发现当CaO的投加浓度由3000 mg/L升高到5000 mg/L时,对COD的去除效果影响不大,但对于LAS和浊度有非常显著的影响,LAS去除率可以提高10%以上,浊度的去除率均大于98%。该实验结果也证实了均匀实验中得出的结论,即CaO投加量是主要的影响因子,而PAC投加量的影响不显著。在实际应用中,PAC投加量可选为2000mg/L左右
  (3) PAM投加量的影响
  前期均匀实验表明,PAM投加量对污染物去除率没有显著影响,但实验中发现,加入PAM对于促进絮体快速形成、长大并沉淀非常重要,因此,本节还设计了单因素实验,以确定PAM的适宜投加浓度。固定CaO的投加量为3000 mg/L,PAC的投加量为2000 mg/L,PAM的投加范围为0 ~ 40mg/L,开展混凝沉淀实验,实验方法同前。以PAM投加量为横坐标,以CODCr、LAS和浊度去除率为纵坐标,绘制曲线如图4所示。由该图可以看出,增加PAM的投加浓度对于CODCr、LAS和浊度的去除率确实影响不大,当投加量大于10mg/L时,3种污染因子的去除率反而有所下降。因此,从节约资源和确保水质处理效果的角度考虑,PAM投加浓度以不大于10 mg/L为宜。
  (4) 温度的影响
  我国幅员辽阔,南北方、冬夏季气温差异明显,因此不同地点、不同时期废水温度差异很大,根据文献[7],温度是混凝沉淀效果的一个主要影响因素,升高温度可以加速PAC的水解速度,有利于混凝反应,因此有必要考察温度对混凝沉淀效果的影响。前期均匀实验中,受实验条件所限,未能考察温度因素影响,本节设计了单因素实验,在3个温度条件下考察了不同PAC投加量对废水混凝沉淀效果的影响,其中CaO投加量固定为3000 mg/L,PAM的投加量为10 mg/L,实验结果见图5~ 图7。
  实验表明,不论是CODCr、LAS还是浊度,它们在3种温度条件下的去除率均很接近,可认为温度对该洗消废水混凝沉淀处理效果影响不大。该现象与其他文献报导的结果有差异,分析其原因,可能为:1)实验中采用湿法投加PAC,PAC在投加到水样中之前即基本完成了水解过程,因此投加至水样中后不再受温度的影响;2)由于实验水样中胶体浓度极高,PAC投加浓度也远远高于常规废水处理时的投加浓度,且同时采用大量CaO调节水样pH值,充分利用了Ca2+ 的压缩双电层及脱稳作用,此时即使存在少量未水解完全的PAC,也不会对处理效果产生明显影响。从以上分析来看,如果在实际应用中要确保不同温度条件下的废水处理效果,有必要采用湿法投加PAC。
  
  3 结论


  采用混凝沉淀工艺处理含高浓度LAS的某特种废水的实验结果表明:
  CaO是混凝沉淀效果的主要影响因子,废水中CODCr、LAS和浊度的去除率均随着CaO的投加量增加而升高,CaO投加量宜在2000 ~ 3500 mg/L;
  PAC投加量对混凝沉淀效果影响不明显,当浓度低于2000 mg/L时,污染物去除率随PAC投加量增加而略有上升,之后污染物去除率趋于稳定,实际应用中PAC投加量可选择为2000 mg/L左右。
  助凝剂PAM的投加量对污染物去除率影响不大,但对絮体沉淀效果影响显著,加助凝剂有助于絮体的快速形成与沉淀,实际应用中,PAM投加量宜在10 mg/L左右。
  在湿法投加PAC的条件下,温度对废水混凝沉淀效果的影响不大。
  经过混凝沉淀处理后,废水中CODCr的去除率可以达到60%以上,LAS去除率可达70%以上,浊度去除率可达90%以上,证实混凝沉淀是处理该特种洗消废水的有效方法。


  参考文献
  [1]   Yasemin Kaya, Hulusi Barlas, Semiha Arayici. Nanofiltration of Cleaning-in-Place (CIP) wastewater in a detergent plant: Effects of pH, temperature and transmembrane pressure on flux behavior. Separation and Purification Technology, 2009, 65: 117–129
  [2]   Víctor M. León, Abelardo Gómez-parra, and Eduardo González-Mazo. Biodegradation of linear alkylbenzene sulfonates and their degradation intermediates in seawater. Environmental Science & Technology, 2004, 38(8): 2359-2367
  [3]   Michael A L. River-water biodegradation of surfactants in liquid detergents and shampoos, Water Research, 1991, 25(11): 1425-1429.
  [4]   A. Conrad, A. Cadoret, P. Corteel, P. Leroy, J.-C. Block. Adsorption/desorption of linear alkylbenzenesulfonate (LAS) and azoproteins by/from activated sludge flocs. Chemosphere, 2006, 62 (1): 53–60.
  [5]   出云谕明,威胁人类存亡的定时炸弹—环境荷尔蒙。海天出版社,1999。
  [6]   水质 阴离子表面活性剂的测定 亚甲蓝分光光度法. 中华人民共和国国家标准,GB 7494-87.
  [7]   张自杰等. 环境工程手册----水污染防治卷. 高等教育出版社,1996.
   
   

 
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