混凝法預(yù)處理某化工園區(qū)污水處理廠二級(jí)出水的試驗(yàn)研究

黃克文,楊志浪,張國(guó)軍

(1.溫州市龍灣區(qū)公用事業(yè)建設(shè)管理處,浙江溫州 325000; 2.溫州市龍灣規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院,浙江溫州 325011;3.東南大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇南京 210096)

混凝法預(yù)處理某化工園區(qū)污水處理廠二級(jí)出水的試驗(yàn)研究

The experimental studies of coagulation technology to pretreatment biotreated secondary effluent of a park sewage treatment plant

黃克文1,楊志浪2,張國(guó)軍3

(1.溫州市龍灣區(qū)公用事業(yè)建設(shè)管理處,浙江溫州 325000; 2.溫州市龍灣規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院,浙江溫州 325011;3.東南大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇南京 210096)

以江蘇某化工園區(qū)污水處理廠二級(jí)出水為研究對(duì)象,采用Amberlite XAD-8、Amberlite XAD-4樹脂聯(lián)用分級(jí)技術(shù)表明,該二級(jí)出水中憎水性有機(jī)物含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于親水性有機(jī)物含量,其中憎水中性物含量最高,占總?cè)芙庑杂袡C(jī)物的59.7%。通過對(duì)3種混凝劑對(duì)比發(fā)現(xiàn),FeCl3對(duì)憎水性有機(jī)物去除效果最佳。FeCl3混凝試驗(yàn)確定了該二級(jí)出水的最優(yōu)混凝條件為:投加量600mg/L,pH為7,水溫25～35℃,混合速度350 r/min,混合時(shí)間90 s,混凝強(qiáng)度

125 r/min,混凝時(shí)間10min,沉淀時(shí)間為20～30min。

二級(jí)出水;樹脂分級(jí);混凝;FeCl3

0 引言

目前,廢水回用技術(shù)是解決我國(guó)水資源緊缺現(xiàn)狀的有效方法之一,越來越受到國(guó)內(nèi)外研究人員的重視。工業(yè)園區(qū)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)過程排出的廢水經(jīng)預(yù)處理后集中排入污水處理廠,進(jìn)一步處理后排放。工業(yè)廢水排放量大、周期短,如能將廢水回用,不僅節(jié)約水資源,還能減少企業(yè)用水費(fèi)用。但工業(yè)廢水中大多有機(jī)物含量高、毒性大且成分復(fù)雜,以致污水處理廠生化尾水仍含有部分有毒有害物質(zhì),深度處理生化尾水已成為一大研究熱點(diǎn)。本文采用混凝法對(duì)江蘇某化工園區(qū)生化尾水進(jìn)行預(yù)處理,結(jié)果表明混凝法對(duì)生化尾水中COD、總磷、總氮等有良好的去除效果,能有效地減輕后續(xù)處理單元的負(fù)荷。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 廢水水質(zhì)

試驗(yàn)用廢水來自江蘇某化工園區(qū)污水處理廠二級(jí)出水,廢水水質(zhì)見表1。

表1 廢水水質(zhì)分析

1.2 試驗(yàn)藥品與儀器

1.2.1 試驗(yàn)藥品

FeCl3·6H2O溶液100 g/L,聚合氯化鋁溶液為100 g/L,聚合硫酸鋁鐵溶液為100 g/L,Amberlite XAD-8樹脂,Amberlite XAD-4樹脂。

1.2.2 試驗(yàn)儀器

北京普析分光光度計(jì)、金壇杰瑞爾的JJ-6六聯(lián)電動(dòng)攪拌、德國(guó)賽多利斯pH計(jì)、南大戈德環(huán)保公司玻璃吸附柱、保定蘭格公司蠕動(dòng)泵。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 原水有機(jī)物化學(xué)分級(jí)

原水不做pH調(diào)節(jié),先經(jīng)0.45μm濾膜過濾后直接通過XAD-8柱。然后,用10倍床體積稀酸正淋,被回收部分即為憎水堿(HoB),不被洗脫的部分為憎水中性物(HoN)。過柱后的水樣酸化至pH為2,再過此XAD-8柱,被吸附部分為憎水酸(HoA) ;然后水樣立即過XAD-4柱,被吸附的部分稱為弱憎水酸(WHoA);在任何柱上不吸附的部分稱為親水部分(H iM)。各部分含量按過柱前后水樣的UV254差值直接計(jì)算獲得(HoB按質(zhì)量衡計(jì)算)[1],原水經(jīng)混凝處理后分級(jí)步驟同上。

1.3.2 混凝劑篩選及最佳投藥量試驗(yàn)

向7個(gè)均盛有100ml廢水的200ml燒杯中依次加入不同量的氯化鐵。先以300 r/min快速攪拌2min,然后以150 r/min慢速攪拌10min,靜止沉淀1 h。取上清液并測(cè)其COD、UV254、總磷、總氮。聚合氯化鋁、聚合硫酸鋁鐵混凝劑的試驗(yàn)方法同上。

1.3.3 混凝劑最優(yōu)條件的確立試驗(yàn)

圖1 不同混凝劑對(duì)廢水中COD、UV254去除效果影響

通過單因素實(shí)驗(yàn),逐步確定影響混凝的因素,每一步均以上一步確定好的條件為基礎(chǔ)。需要確定的條件為:PH,溫度,攪拌速度,攪拌時(shí)間,混凝強(qiáng)度,混凝時(shí)間和沉淀時(shí)間。

1.4 水質(zhì)分析方法

水質(zhì)所測(cè)指標(biāo)包括COD,總磷,總氮均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法[2],UV254測(cè)定使用分光光度計(jì)于254 nm處比色。

2 結(jié)果與討論

2.1 原水有機(jī)物化學(xué)分級(jí)

二級(jí)出水中溶解性有機(jī)物特征的不同在很大程度上影響著后續(xù)深度處理工藝的處理效果,其中最重要的包括憎/親水性,酸/堿性[3]。本試驗(yàn)采用有機(jī)物吸附樹脂分級(jí)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)原水進(jìn)行化學(xué)分級(jí)。

試驗(yàn)結(jié)果表明:該化工園區(qū)污水處理廠二級(jí)出水中,溶解性有機(jī)物主要是憎水中性物,其含量占總UV254比例為59.7%,其次為憎水酸,約占總UV254的23.3%,該二級(jí)出水中弱憎水性酸還占有一定比例達(dá)到9.56%,而親水性物質(zhì)和憎水堿所占比例很小,分別為5.79%、1.64%。由此可見,二級(jí)出水中有機(jī)物含量次序?yàn)?HoN>HoA>WHoA>H iM> HoB?？傮w來看,憎水性物質(zhì)含量為84.64%,親水性物質(zhì)含量為15.36%,憎水性物質(zhì)的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于親水性物質(zhì)含量。

2.2 混凝劑篩選及最佳投藥量的確定

強(qiáng)化混凝中正確篩選混凝劑對(duì)處理效果及處理成本有著至關(guān)重要的影響。圖1、圖2為3種混凝劑對(duì)混凝后出水的COD、UV254、總磷、總氮去除效果影響曲線。

由圖1可知,對(duì)于COD去除率,在較低投藥量下PAC的混凝效果好于FeCl3及PAFS;隨著投加量的增加,FeCl3及PAFS對(duì)COD的去除效果明顯高于PAC;當(dāng)投藥量達(dá)到一定值時(shí)去除率也隨之達(dá)到最大,以后繼續(xù)增加投藥量去除率反而有下降的趨勢(shì)。從圖1可知,對(duì)于UV254去除率看總體趨勢(shì)都是隨著投藥量的增加去除率逐漸增加,但是FeCl3效果一直高于其他兩種混凝劑。

在較低投藥量下主要依靠電性中和作用去除有機(jī)物,隨著投加量的增加網(wǎng)捕卷掃開始發(fā)揮主要作用[4-5]。PAC水解后立即產(chǎn)生大量的多核聚合物,其中Al13占相當(dāng)?shù)谋壤?而Al13恰好是混凝中最占優(yōu)勢(shì)的成分。而鐵鹽投入到水中在原水pH中性的條件下主要為氫氧化物形態(tài)[5]。因而,PAC在較低投藥量下比鐵鹽具有更高的電性中和能力,PAC在較低投藥量下表現(xiàn)出較高的混凝效果,隨著投藥量的增加膠體表面被過多的聚合物包裹,從新產(chǎn)生靜電斥力,發(fā)生“再穩(wěn)”現(xiàn)象,PAC混凝效果急劇下降,隨后增加投藥量網(wǎng)捕卷掃開始發(fā)揮主要作用,混凝效果再次增強(qiáng),投加量為700mg/L時(shí),COD去除率可高達(dá)40.4%。鐵鹽在較低投藥量下網(wǎng)捕作用較弱,主要以壓縮雙電層作用去除有機(jī)物,能力有限。高投藥量下開始發(fā)揮強(qiáng)勁的網(wǎng)捕作用,投加量為600mg/L時(shí),COD去除率可以高達(dá)50.8%。而網(wǎng)捕作用主要去除水中的憎水性物質(zhì),這也在一定程度上說明了前面樹脂分級(jí)試驗(yàn)二級(jí)出水中憎水性物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于親水性物質(zhì)的事實(shí)。

圖2 不同混凝劑對(duì)廢水總磷、總氮去除影響

從圖2可知,混凝去除磷主要靠投加的金屬鹽的水解產(chǎn)物與磷酸鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成沉淀通過排泥得到去除。去除氮主要靠網(wǎng)捕作用卷掃含氮物質(zhì)進(jìn)入污泥得以去除。

從圖2可以看出,FeCl3、PAC、PAFS 3種混凝劑對(duì)總磷的去除效果都很好,其中FeCl3對(duì)總磷的去除效果最穩(wěn)定,在較低的投加量下總磷去除率就可以達(dá)到79.9%。而其他兩種混凝劑除磷受投藥量的影響較大。3種混凝劑對(duì)氮元素的去除基本上隨著投藥量的增加而升高,FeCl3、PAFS對(duì)氮的去除率高于PAC。這是因?yàn)樵谠畃H中性,高投藥量下FeCl3、PAFS的網(wǎng)捕作用高于PAC。

原水經(jīng)混凝處理后,憎水性酸去除率最高,其次為憎水中性物,弱憎水性酸及親水性物質(zhì)有一定的去除但去除效果很差,而對(duì)憎水堿幾乎沒有去除效果。原水經(jīng)FeCl3混凝后其對(duì)憎水酸,弱憎水性酸,親水性物質(zhì)的去除效果都要高于其他兩種混凝劑,而對(duì)憎水中性物的去除效果稍遜于PAC及PAFS,但總的去除率:FeCl3>PAC>PAFS。

綜上所述,FeCl3對(duì)該二級(jí)出水處理效果好于PAC及PAFS,本研究后續(xù)試驗(yàn)均以FeCl3作為混凝劑,且最佳投藥量固定為600mg/L。

2.3 FeCl3最優(yōu)混凝條件的確定

2.3.1 FeCl3混凝最佳pH值的確定

pH是強(qiáng)化混凝中一個(gè)很重要的影響因素,pH的高低會(huì)影響溶解性有機(jī)物在水中的存在形態(tài)及混凝劑的水解聚合形態(tài)。圖3為FeCl3在不同pH條件下對(duì)有機(jī)物及氮磷去除曲線。

圖3 pH對(duì)FeCl3混凝效果的影響

從圖3可知,COD、UV254、氮磷去除率受pH影響較大。在較低pH條件下,COD、氮磷去除率較低,UV254去除率甚至為負(fù)值;隨著pH升高,COD、UV254、氮磷的去除率逐漸升高,在pH為7時(shí)達(dá)到最大值,繼續(xù)升高pH去除率有所下降[4]。

從圖3可知,總磷的去除率隨pH變化很大,這主要是因?yàn)樵诘蚿H時(shí),磷元素主要以磷酸二氫鹽形式存在,溶解度較大,不易與帶正電荷的絮凝劑結(jié)合成絮體去除。隨著pH升高,磷元素主要以磷酸氫鹽和磷酸鹽形式存在,較易與帶正電荷的絮凝劑結(jié)合成絮體得以去除。繼續(xù)升高pH,Fe(OH)3沉淀大量生成,造成總磷去除率有所下降[6]。而總氮的去除主要靠網(wǎng)捕作用卷掃含氮物質(zhì)進(jìn)入污泥得以出去,所以最高去除率出現(xiàn)在pH為7左右,此時(shí)網(wǎng)捕卷掃作用最強(qiáng)。綜合有機(jī)物及氮磷去除率確定二級(jí)出水混凝最佳pH為7。

2.3.2 FeCl3混凝最佳溫度的確定

溫度對(duì)混凝效果的影響主要體現(xiàn)在影響混凝劑的水解速度,水的黏度,顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)等方面。所以在強(qiáng)化混凝中水溫也是一個(gè)不容忽視的因素。圖4為水溫對(duì)FeCl3混凝效果的影響。

從圖4可知,在一定溫度范圍內(nèi),COD、UV254、總氮、總磷去除率隨著溫度的升高而升高,溫度超過一定的范圍,去除率開始下降。對(duì)于COD、總氮、UV254極限去除率在35℃左右,總磷去除率受溫度影響較小,極限去除率在30℃左右。溫度低,阻礙了FeCl3水解反應(yīng)速度,同時(shí)增加了水的黏度,水中顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)緩慢,減少了膠體顆粒與水解產(chǎn)物之間的碰撞幾率,不能有效的形成絮凝體。溫度太高不僅增加了礬花沉降的時(shí)間,還使部分膠體態(tài)和懸浮態(tài)有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鈶B(tài)有機(jī)物而留在水中,造成有機(jī)物去除效果下降[7]。對(duì)于該二級(jí)出水混凝最佳溫度范圍在25～35℃。

圖4 水溫對(duì)FeCl3混凝效果的影響

2.3.3 FeCl3混凝最佳混合強(qiáng)度及混合時(shí)間

快速混合階段需要一定的反應(yīng)強(qiáng)度和時(shí)間使藥劑迅速均勻擴(kuò)散到水中并使其與顆粒充分接觸發(fā)揮作用。圖5為混合強(qiáng)度及時(shí)間對(duì)FeCl3混凝效果的影響曲線。

圖5 混合強(qiáng)度及時(shí)間對(duì)FeCl3混凝效果的影響

從圖5可以看到,COD、UV254及總氮、總磷去除率受混合強(qiáng)度影響較大,總體上隨著強(qiáng)度的增加先上升后下降,在350 r/min時(shí)達(dá)到最大值。其原因可能為強(qiáng)度小時(shí)不能使藥劑在完全水解之前迅速均勻的分散到水中,強(qiáng)度太大時(shí)又會(huì)使形成的微絮粒被打碎[8]。綜合考慮有機(jī)物及總氮、總磷去除效果,確定混合時(shí)間為90 s。

2.3.4 FeCl3混凝最佳混凝強(qiáng)度及混凝時(shí)間

混凝階段要求水流具有一定的紊動(dòng)性,提高絮體相互碰撞的幾率以使絮體逐漸長(zhǎng)大。但強(qiáng)度和時(shí)間過大,容易造成絮體破碎,降低混凝效果。圖6為混凝強(qiáng)度和時(shí)間對(duì)FeCl3混凝效果影響曲線。

圖6 混凝強(qiáng)度及時(shí)間對(duì)FeCl3混凝效果的影響

由圖6可以看出,總磷去除率受混凝強(qiáng)度和時(shí)間的影響較小,在所考察的范圍內(nèi)都有很高的去除效果。有機(jī)物和總氮去除率受混凝階段強(qiáng)度和時(shí)間影響較為明顯,總體趨勢(shì)都是隨著強(qiáng)度和時(shí)間的增加先增大后減小。強(qiáng)度和時(shí)間過短,不能創(chuàng)造良好的水力條件,形成較大的絮凝體,強(qiáng)度和時(shí)間過大,會(huì)使形成的絮體打碎,影響混凝效果。綜合考慮有機(jī)物及氮磷去除率,確定對(duì)該二級(jí)出水混凝階段的強(qiáng)度為125 r/min,時(shí)間為10min。

2.3.5 FeCl3混凝最佳沉淀時(shí)間的確定

混凝結(jié)束后需要有足夠的時(shí)間使絮體沉降,時(shí)間太短礬花懸浮于水中,使出水水質(zhì)惡化,時(shí)間太長(zhǎng)則增加混凝周期。圖7為沉淀時(shí)間對(duì)FeCl3混凝出水水質(zhì)的影響曲線。

圖7 沉淀時(shí)間對(duì)FeCl3混凝效果的影響

由圖7可知,COD、UV254及總氮、總磷去除率隨沉淀時(shí)間延長(zhǎng)而增加,沉淀時(shí)間達(dá)到15min后,總磷去除率已趨于平穩(wěn),達(dá)到92.2%。但有機(jī)物及總氮去除率還要繼續(xù)上升,20min后COD及UV254去除曲線也趨于平穩(wěn)。極限去除率分別為:58.9%、55.2%。總氮去除率隨沉淀時(shí)間變化最大,最高去除率在30min以后。綜合考慮,確定二級(jí)出水沉淀時(shí)間為20～30min。

3 結(jié)語

(1)樹脂分級(jí)試驗(yàn)表明該二級(jí)生化出水主要以憎水中性物為主,占總UV254比例的59.7%,其次為憎水性酸占總UV254比例的23.3%,二級(jí)出水中有機(jī)物含量次序?yàn)?HoN>HoA>WHoA>H IM> HoB?；炷ㄖ饕コ魉杂袡C(jī)物,其中去除率最高的為憎水酸,其次為憎水中性物,親水性有機(jī)物也有一定的去除效果,但去除率不高。

(2)以FeCl3作為混凝劑通過單因素試驗(yàn)確定了二級(jí)出水的最優(yōu)混凝條件為:投加量600mg/L, pH為7,水溫25℃～35℃,混合速度350 r/min,混合時(shí)間為90 s,混凝強(qiáng)度為125 r/min,混凝時(shí)間為10min,沉淀時(shí)間為20～30min。

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X703.1

B

1674-8069(2010)03-024-05

2010-03-20;

2010-05-06

黃克文(1969-),男,河北秦皇島人,碩士,研究方向?yàn)槭姓霉こ碳夹g(shù)及管理。E-mail:269838235@qq.com

Abstract:Based on the biotreated secondary effluent of a sewage treatment plant of J iangsu Chem ical Industry Park,the o rganic matterwas fractionated and characterized by Amberlite XAD-8,Amberlite XAD-4 resin.The exper iment results indicated that hydrophobic organic compounds contentwas much higher than hydrophilic organic matter content,in which the highest content of hydrophobic neutral accounting for 59.7%of the total UV254 of the secondary effluent.Comparison of three types of coagulant found that the best removal efficiency for hydrophobic o rganic compounds was ferric chloride.The deter m ination of the op t imal coagulation conditions by ferric chloride were as follow s:dosage was 600mg/L,pH value was 7,temperature be tween 25～35℃,m ixing speed was 350 r/m in,m ixing t im e reached 90 seconds,coagulat ion intensity was 125 r/m in,coagulation t im e was 10 m inutes,precipitat ion t im e reached above 20 m inutes and below 30 m inutes.

Key words:secondary effluent;resin fractionat ion;coagulat ion;ferric chloride