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化学复合混凝法预处理切削废水的研究

时间:2017-12-12 15:29来源:未知 作者:hnxlyxgs 点击:
在机械加工行业日益发展的今天,具有冷却、润滑、清洗、防锈等功能的切削液被广泛应用,其带来的大量切削液废水的排放和污染问题也逐年加重。我国早在1998 年就发布了[1998]089 号
在机械加工行业日益发展的今天,具有冷却、润滑、清洗、防锈等功能的切削液被广泛应用,其带来的大量切削液废水的排放和污染问题也逐年加重。我国早在1998 年就发布了[1998]089 号文件,将切削液废水列入乳化废液的一种,为危险废物,对人及环境都有很大危害,必须经过严格处理才能排放。但切削废液成分复杂、浓度高、难降解且配方保密,给废水的处理带来极大困难,因此需要在深度处理之前先对其进行破乳预处理,以降低后续深度处理的负荷。

      预处理方法通常包括酸析法、盐析法、化学混凝法等。酸析法所用药剂一般为强酸,也可用废酸液代替纯的酸性试剂。李义久等利用浓硫酸对乳化废水进行酸化破乳,COD 去除率可达到75. 2%,但强酸会腐蚀设备,也易对人身造成伤害。盐析法则是向废水中投加无机盐类物质至一定浓度,破坏油珠的水化膜。但盐析法药剂投加量较大时价格较贵,并且带来大量污泥沉淀,给后续处理带来麻烦。化学混凝沉淀法具有工程投资少、工艺简单、处理效果好等优点,广泛应用于废水处理领域。处理过程中,只用一种絮凝剂,用量大、效果差且沉降时间长,所以让无机絮凝剂和有机絮凝剂相互配合使用,结合两者优点,不仅能克服无机絮凝剂沉淀速度慢、吸附架桥能力弱和投药量较多等缺点,而且可以降低处理成本的同时提高废水的处理效率,取得1+1>2 的效果。

      本文针对切削液废水进行化学复合混凝预处理。通过对比实验,选取聚合硫酸铁(PFS)、聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铝铁(PAFC)和聚合硅酸铝铁( PFASS) 四种絮凝剂配合助凝剂聚丙烯酰胺(PAM) 对切削废水进行处理,选出最佳絮凝剂,并探究复合混凝的优势之处。运用正交、单因素实验分析复合混凝实验影响因素的主次、考察去除效果、并探讨混凝作用机理,从而确定最优絮凝条件下经济有效的组合工艺参数,为切削液废水预处理领域方法的选择以及实际应用提供参考和借鉴。

1 实验

1. 1 实验水样:本实验所选切削液废水为深圳市某精密加工公司实际切削废液,其废水初始COD 约3×104 mg /L,pH 值约为7. 7,且伴有难闻刺激性气味,废水呈灰白色,乳化状态稳定,是近年来金属加工行业普遍存在的一种高浓度机械加工切削液废水。

1. 2 实验试剂及仪器:实验试剂: 聚合氯化铝(PAC),聚合硫酸铁(PFS),聚合氯化铝铁(PAFC),聚合硅酸铝铁(PFASS); 聚丙烯酰胺(PAM) ,均为工业纯; 氢氧化钠、盐酸,均为分析纯。实验仪器: TW-6000CODcr水质连续自动检测系统,北京普析通用责任有限公司; InoLab pH 730 台式精密pH 测试仪,德国WTW 公司; ZR4-6 混凝六联搅拌机,深圳市中润水工业技术发展有限公司; BS124S电子精密天平,赛多利斯科学仪器有限公司; 磁力搅拌器,德国IKA 公司; DF-101S 集热式磁力加热搅拌器,江苏晨阳电子仪器厂。

1. 3 实验方法:取切削液废水1L于烧杯中,在pH 值、温度、搅拌强度和PAM 投加量相同的条件下,分别加等量的混凝剂PAC、PFS、PAFC和PFASS,筛选出最佳混凝剂;调节混凝剂的投加量、pH、温度和搅拌强度等进行正交实验;在此基础上,得出影响切削液废水降解效果的主次因素,优化主要因素用量;讨论复合混凝法对切削废水的影响; 在以上最佳条件下进行实验,考察COD的去除效果。

2 结果与讨论

2. 1 最佳混凝剂的确定:在其他影响因素和实验条件相同的情况下,分别加入2.5g/L 和5g/L 两种不同投加量的聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合氯化铝铁和聚合硅酸铝铁,并配合适量PAM进行实验,观察实验现象,取上层清液测定其COD 值。

图1 为四种混凝剂分别投加2.5g/L 和5g/L时的破乳效果对比图。
化学复合混凝法预处理切削废水的研究

总体来说,混凝剂投加量为5g/L 比2.5 g/L 的破乳效果好。比较四种混凝剂,聚合氯化铝对切削液废水破乳效果最好,絮体密实、分层明显、上清液透光性好且较为清澈; 聚合氯化铝铁和聚合硅酸铝铁加入2.5 g/L 时,破乳效果较差且上层液体较浑浊,随着投加量增大,破乳效果逐渐变好,而聚合硫酸铁破乳效果始终不理想。

化学复合混凝法预处理切削废水的研究

从图2中可以看出,四种混凝剂对切削液废水的COD都有一定的去除效果。聚合氯化铝和聚合硅酸铝铁对切削液废水中的COD的去除效果明显优于聚合硫酸铁和聚合氯化铝铁。聚合氯化铝加入后,矾花较大,絮体产生迅速,静沉后上层为清澈黄色液体。并且相比聚合硅酸铝铁,在加入量较少的情况下就可以达到很好的破乳效果,并节省药剂的投加用量。所以,选择聚合氯化铝为混凝剂。

2. 2 正交实验设计:选取混凝剂PAC的投加量(A)、水样的pH(B) 、温度(C) 、搅拌强度(D) 4 个因素为正交实验的因子,以COD 降解率为实验评价标准,选取了3 水平4 因素的L16(34) 正交实验.通过表2 分析得出,最佳优化组合为: A2B2C2D1,即PAC的投加量为3.0g /L,pH 为7.5,温度为50℃,搅拌速度为快速250r/min 慢速50 r/min。此时,去除率能达到94.2% 以上。并且得出,影响混凝效果因素的主次顺序为: pH>混凝剂投药量>搅拌速度>温度。对于实验结果影响最大的是pH,准确控制pH 对于COD 的去除至关重要; 其次是混凝剂PAC 的投加量; 温度及搅拌速度影响较小。在正交试验的基础上,对影响因素做进一步的优化和探讨。

2. 3 影响因素的优化

2. 3. 1 pH 值对混凝效果的影响:pH 值是影响混凝效果的重要指标,它对胶体颗粒表面的电荷、混凝剂的性质及混凝剂本身都有很大影响。从正交实验结果来看,pH 对切削液废水的去除效果影响最大,起到了决定性的作用。在不同的pH 值条件下,混凝剂所生成的水解产物不同,胶体颗粒的电荷和电泳速度也不同,同时存在的化合物的形态及其数量也会随之不同。存在数量多的化合物作用最大,而不同的pH 值,这些不同形态和不同数量的化合物,对混凝的效果也是不一样的,因此调节最佳pH 值,就是要调节出能产生最佳的混凝效果的混凝剂水解产物形态,从而加快絮体成长并达到最好的沉降效果。

为了研究pH 值对切削废液降解效果的影响,在PAC 投加量为3 g /L,温度为50 ℃,搅拌参数为250 r /min 快速搅拌2 min,50 r /min 慢速搅拌5 min 的条件下,分别调节pH 值为5、6、7、8、9、10,静沉2 h后,观察实验现象,取上层清液测定COD,实验结果如图3 所示。
化学复合混凝法预处理切削废水的研究

从图3 可以看出,pH 过低,混凝效果差,矾花不明显;在中性偏碱性左右,去除效果较好; 而随着pH 值增大,去除效果又迅速下降,且沉降速度变慢。与韩利华等的实验结果相近,即切削液废水在中性及偏碱性条件下,混凝效果相对较好。这是由于pH 值过低,溶液中以单体离子状态为主,凝集作用差; pH 过高,水解形态逐渐转变成多核聚合物的聚集体及Al( OH)3凝胶,混凝作用降低; 而当pH 值在最佳范围内时,所投加的药剂均能使其水解成多核羟基配合物Al13( OH) 5+34,通过电中和吸附微粒,并压缩双电层使微粒脱稳,再利用其高分子结构进行吸附架桥,因此具有较好的混凝效果。从图3 还可以看pH 在7. 0~ 8. 0 范围内,切削液废水COD的去除效果随体系的酸碱变化进入一个稳定区间,几乎没有明显波动,而切削液废水的原始pH 值为7. 7,正好在此稳定区间内,故从药品的节约及操作方面考虑,直接可以选择不调pH进行混凝实验。

2. 3. 2 混凝剂PAC 投加量对混凝效果的影响:在pH 值为7. 7( 不调) ,温度为50 ℃,搅拌参数为250 r /min快速搅拌2 min、50 r /min 慢速搅拌5 min 的条件下,分别加入1、2、3、4、5 g /L 不同量的PAC,静沉2 h 后,观察实验现象,取上层清液测定COD,实验结果如图4 所示。
化学复合混凝法预处理切削废水的研究

从图4 可以看出,随着混凝剂PAC 投加量的增加,COD去除率也明显增加,在投加量为3 g /L 时效果最好。而在1 g /L时,无明显现象,整体仍呈灰白色且没有矾花形成; 继续加大投加量到3 g /L 时,矾花明显增大,上清液为清澈的黄色液体;再继续添加,效果趋于稳定,COD 去除率已无明显变化,但泥量相应变大,沉降时间也随之延长。这与王书杰等的研究结果大致相同,总体呈现出的去除效果为先大幅增加再趋于稳定最后稍有下降,产生这种情况是因为投加量过多,已形成絮状物被过多的混凝剂包围,不能与污染物结合形成更大絮状沉淀,会发生“胶体保护”,也就是再稳现象,所以絮凝效果变差。而最佳投加量下,高分子混凝剂PAC 形成的共聚物通过吸附架桥、压缩双电层和电性中和的作用,使胶体粒子迅速凝聚并逐渐下沉,从而达到很好的降解效果。

2. 3. 3 温度对混凝效果的影响:在pH 值为7. 7 ( 不调) ,PAC 投加量为3 g /L,搅拌参数为250 r /min快速搅拌2 min,50 r /min 慢速搅拌5 min 的条件下,分别设定反应温度为20、30、40、50、60、70、80、90 g/L,静沉2 h 后,观察实验现象,取上层清液测定COD,实验结果如图5 所示.
化学复合混凝法预处理切削废水的研究

从图5 中看出,在混凝过程中,随温度的升高,COD 的去除效果呈现先增后减的趋势。在温度为60 ℃时,COD 去除效果最好,而温度过高,胶体粒子运动加剧互相碰撞加,使已经形成的絮团破碎,不利于形成更大絮体沉降。由实验结果可以看出,反应温度在20 ℃ 以上时,去除率就可以达到93. 0%。由于本地区一年内大部分时间温度都在20 ℃以上,且如对水温进行人为的控制,投加加热设备无疑会加大运行成本。所以,选择在常温下进行切削液处理,既可得到很好的效果,又能够减低处理成本。

2. 3. 4 搅拌条件对混凝效果的影响:实验过程中,搅拌强度直接影响到悬浮颗粒成长、聚集以及沉降速率。从正交实验结果以及后续实验来看,先250 r /min 快速搅拌2 min,再50 r /min 慢速搅拌5 min,絮凝效果比较好。这是由于搅拌速度和搅拌时间适中,有利于混凝剂的分散伸展,使其与胶体粒子充分接触,卷扫网捕形成絮团沉降,若搅拌时间过长、搅拌速度过快,会使刚形成的比较松散的大絮团打碎,混凝效果反而不好。

2. 4 复合絮凝法对处理效果的影响:为了直观体现复合混凝法优势效果,用相同实验流程,分别用不同的混凝方法,即单独加PAC、单独加PAM 和PAC、PAM 复合使用,通过比较它们在各自最佳条件下对切削废水处理效果,进一步说明无机混凝剂PAC 与有机混凝剂PAM 复配比单独处理效果更具优势,而表3 很好地说明了这点。
化学复合混凝法预处理切削废水的研究

从表3 可以看出,PAM 单独使用时,处理效果并不理想,两者复合使用与PAC 单独使用相比,去除效果虽然相差不大,但絮体产生快、矾花密实,沉降迅速,提高了混凝效率,而且产泥量较少,减少后续处理负荷,更加经济节约。因此,比较3 种混凝剂投加方案,PAC 与PAM 混合使用远远好于两者单独使用。而这是因为PAM 是一种线性高分子物质,通过与无机混凝剂PAC 的联用,对生成的絮体产生吸附架桥作用,不仅絮体产生迅速、沉降速度快,大大加快了混凝速度,而且产泥量少,上清液更为清澈,在实际应用中也更为经济。但PAM 投加量的也有一定的适宜范围,若加入过量则会增加水体粘度,反而不利于混凝。

3 结论:本实验通过正交试验、单因素实验和对比实验,确定最佳混凝剂,探讨pH 值、PAC 投加量、混凝温度、搅拌强度等因素对处理效果的影响,并验证复合混凝剂的优势,得出主要结论如下:( 1) 对比四种无机混凝剂处理切削废水的效果,PAC 的处理效果好于其他三种。( 2) 影响混凝效果的主次因素为: pH>混凝剂投药量>搅拌速度>温度。( 3) 优化影响因素,得到最佳工艺参数: pH 值7. 0 ~ 8. 0,PAC 投加量3. 0 g /L,PAM 投加量0. 2 g /L,温度为室温,搅拌参数为250 r /min 快速搅拌2 min、50 r /min 慢速搅拌5 min,COD 的去除率可高达93. 8%以上。( 4) 采用无机-有机混凝剂复合使用处理切削废水,不仅沉降速度快,出水清澈,混凝效率高,而且产泥量少,降低了后续深度处理的负荷,工艺简单经济,是一种行之有效的预处理方案。
(责任编辑:hnxlyxgs)
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