王 崠,王 軍
(1.中國石油化工股份有限公司北京北化院燕山分院,北京 102500;2.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085)
腈綸即聚丙烯腈纖維,又稱人造羊毛。它是以丙烯腈和其他單體為原料,經(jīng)聚合、紡絲過程制備而成,主要用于制造毛毯、人造毛皮和毛絨玩具。我國是世界最大的腈綸纖維生產(chǎn)國,現(xiàn)有生產(chǎn)能力92萬t/年,約占世界總產(chǎn)能的1/3[1]。腈綸生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢水具有有機(jī)污染物濃度高、聚合物粉末和低聚物難生物降解、水質(zhì)成分復(fù)雜且波動大、含有毒性很大氰化物、廢水中的含氮物質(zhì)在處理過程中會分解產(chǎn)生高濃度氨氮等特點(diǎn),使其在高分子材料生產(chǎn)廢水、有毒廢水、高氨氮廢水等處理上具有典型性,是公認(rèn)的高濃度難降解有機(jī)廢水。近年來,隨著世界環(huán)境壓力的不斷增加,我國對環(huán)境管理的要求越來越高,對解決重點(diǎn)環(huán)境問題的技術(shù)需求也越來越迫切[2],高濃度難降解有機(jī)廢水的治理即為其中之一。因此,對國內(nèi)腈綸廢水處理技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)行細(xì)致地梳理與分析,不僅能夠?yàn)殡婢]行業(yè)污染防治技術(shù)體系的建立提供建設(shè)性的參考意見,同時也為高濃度難降解有機(jī)廢水處理新技術(shù)的開發(fā)提供有益的借鑒。
通常,廢水處理以生化處理作為其有機(jī)污染物去除的主體單元。由于腈綸廢水中含有丙烯腈、丁二腈、乙腈、低聚物、紡絲溶劑、油劑等多種污染物且濃度較高,需對其可生化性做深入研究。張亞雷等[3]采用計算污染物分子連接性指數(shù)的方法對腈綸廢水的生物降解性進(jìn)行了理論分析和歸類,發(fā)現(xiàn)腈綸廢水中難生物降解的污染物所占比例達(dá)到40%以上,直接以生化法處理腈綸廢水至達(dá)標(biāo)難度大,建議輔以適當(dāng)?shù)念A(yù)處理措施。同時,張亞雷等[4,5]也通過實(shí)驗(yàn)對腈綸廢水的生物降解性進(jìn)行了研究,得到的結(jié)果與理論計算相符。
鑒于腈綸廢水的生物降解性較差,理論上宜優(yōu)先選用厭氧生物技術(shù)。20世紀(jì)80年代末,我國從美國Du Pont公司引進(jìn)DMF干法二步法腈綸生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備,建立了5個干法腈綸生產(chǎn)企業(yè),統(tǒng)一采用了紡織部設(shè)計院設(shè)計的厭氧—好氧—生物活性炭廢水處理工藝,厭氧生物技術(shù)開始在腈綸廢水中應(yīng)用。但是對于干法腈綸廢水,其中的亞硫酸鹽質(zhì)量濃度高達(dá)300~1200mg/L,造成厭氧反應(yīng)器不能正常穩(wěn)定運(yùn)行。
針對上述問題,齊魯石化公司與清華大學(xué)合作,開展了干法腈綸廢水厭氧處理技術(shù)研究。楊曉奕等[6]對單相和兩相厭氧處理技術(shù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,兩相厭氧不僅比單相厭氧對COD的去除率高,運(yùn)行穩(wěn)定,亞硫酸根干擾小,在提高廢水的可生化性上也顯示出明顯的優(yōu)勢。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),在pH=7.9~8.2時,亞硫酸鹽還原成為底物降解的主要代謝途徑,而在pH=6.8~7.1時,甲烷菌的競爭占優(yōu)勢,有效解決了亞硫酸根對厭氧的不利影響。楊曉奕等[7,8]提出的混凝—兩相厭氧—缺氧—好氧工藝流程,對腈綸廢水中COD的去除率達(dá)到78.5%~82%,BOD5去除率達(dá)到95%~98%,總氮去除率達(dá)到60%~65%,EDTA去除率達(dá)到75%~85%;最終出水COD濃度可降至220~260mg/L,BOD5小于15mg/L,EDTA小于25mg/L,NH3-N和亞硫酸鹽則低于檢測限。
此外,楊曉奕等[9]還提出了一套以氣浮預(yù)處理-AB生物處理工藝來處理干法腈綸廢水的流程,A段為生物吸附,B段為厭氧—缺氧—好氧工藝。在溫度為50~65℃的條件下,腈綸廢水經(jīng)氣浮預(yù)處理和A段生物吸附處理后,進(jìn)行厭氧消化。硫酸鹽還原產(chǎn)酸反應(yīng)和產(chǎn)甲烷反應(yīng)各自獨(dú)立,分相串聯(lián),兩者間增加生物脫硫單元。之后,廢水進(jìn)入缺氧池,與生活污水和生產(chǎn)清凈下水混合,經(jīng)缺氧—好氧生物脫氮處理后達(dá)標(biāo)排放。
將厭氧過程控制在水解發(fā)酵階段,既可充分利用水解酸化對懸浮有機(jī)顆粒的降解優(yōu)勢,又能縮短反應(yīng)停留時間,在腈綸廢水處理中也多有研究。
汪宏渭等[10]采用水解酸化—好氧生化—生物硝化工藝來處理經(jīng)過鐵碳內(nèi)電解和混凝沉淀預(yù)處理后的腈綸廢水,出水COD和BOD5可分別降至148mg/L和16mg/L,NH3-N濃度為13mg/L,SS濃度小于100mg/L,出水水質(zhì)達(dá)到腈綸行業(yè)一級排放標(biāo)準(zhǔn)。
周鍵等[11]采用復(fù)合水解反應(yīng)器對腈綸廢水進(jìn)行了處理,分析了影響廢水水解酸化的因素。結(jié)果表明,當(dāng)污泥濃度為20gVSS/L左右,COD容積負(fù)荷為5.69kg/(m3·d),HRT 為7h時,出 水 COD 去 除 率 達(dá) 到23.8%,B/C可增至0.55。
目前,國內(nèi)實(shí)際應(yīng)用的腈綸廢水的好氧生物處理工藝以生物接觸氧化為主,也有生物炭塔、曝氣生物濾池等。在實(shí)驗(yàn)研究方面,國內(nèi)研究者對腈綸廢水的好氧生物處理效果也進(jìn)行過大量的研究。
許謙[12]采用了SBR工藝對腈綸廢水進(jìn)行了處理。結(jié)果表明,在進(jìn)水COD濃度為3000~4000mg/L、COD容積負(fù)荷為2.0kg/(m3·d)時,出水COD可降至400~600mg/L,去除率達(dá)到75%~85%,出水 NH3-N可降至10mg/L以下。
黃民生等[13]采用混凝—缺氧—好氧流化床—生物接觸氧化對腈綸廢水進(jìn)行了處理,發(fā)現(xiàn)生化過程缺磷源、硝化過程缺堿度是影響腈綸廢水COD去除和脫氮的重要因素?;炷龑﹄婢]廢水中的腈綸低聚物具有良好的去除效果,缺氧生化過程中的酸化與水解作用對提高廢水的可生化性、將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為低分子無機(jī)氮起到重要作用。
楊曉奕等[14]針對干法腈綸廢水中難降解的氨羧絡(luò)合劑提出了一種好氧生物處理工藝。其特征在于加入10~20mg/L水溶性羧酸鹽作為共基質(zhì);當(dāng)廢水中含氨羧絡(luò)合劑為300mg/L,水力停留時間8~12h時,氨羧絡(luò)合劑去除率≥98%;同時兼有去除其他形式存在的COD和 NH3-N的功能;當(dāng)廢水中 NH3-N含量達(dá)到200mg/L時,去除率達(dá)99%以上。
高明華等[15]發(fā)明了一種采用好氧生化處理和絮凝沉淀組合工藝來處理腈綸生產(chǎn)綜合廢水的方法。其創(chuàng)新點(diǎn)在于在生化處理中加入了鐵、鎂、鈣等金屬離子,使其與廢水中的氰、腈、胺等物質(zhì)反應(yīng)生成螯合物質(zhì),阻止了上述物質(zhì)對微生物活性酶的破壞作用,解決了廢水處理中微生物螯合性中毒問題,提高了微生物活性和廢水處理效果,縮短了處理流程。
總體上,單獨(dú)的厭氧和好氧生化處理均難以滿足腈綸廢水達(dá)標(biāo)排放的需要,厭氧與好氧技術(shù)的結(jié)合已成為目前腈綸廢水中有機(jī)污染物去除的必由之路。
腈綸廢水中含有丙烯腈、丁二腈、乙腈、低聚物、紡絲溶劑、油劑等多種污染物,可生化性很差。采取適當(dāng)?shù)念A(yù)處理措施,降低腈綸廢水中難降解有機(jī)物的含量,提高廢水的可生化性,是強(qiáng)化腈綸廢水生化處理效果的必要步驟。近年來,國內(nèi)對腈綸廢水物化預(yù)處理技術(shù)的研究多集中于混凝[7,8,16~18]、內(nèi)電解[19~23]、高級氧化[24~32]等方面,也有其他預(yù)處理技術(shù)[33]的少量報道。
由于腈綸廢水中的難降解低聚物多為膠體物質(zhì),通常會選用操作簡單的混凝作為生化處理的預(yù)處理手段。表1對混凝預(yù)處理腈綸廢水的效果進(jìn)行了比較。
從表1可以看出,混凝對腈綸廢水中有機(jī)污染物的去除有一定效果,但總體去除率不會超過30%。用于腈綸廢水預(yù)處理的混凝劑僅限于聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵和聚丙烯酰胺,其種類還有待豐富,另外對混凝條件的研究也需深入。
利用鐵屑內(nèi)電解法處理工業(yè)廢水,因其具有“以廢治廢”、效果好、投資省、適用面廣、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn),近年來受到廣泛的重視。內(nèi)電解用于腈綸廢水處理也多有報道,其處理效果比較見表2。
表2 腈綸廢水內(nèi)電解預(yù)處理效果比較
從表2可以看出,在將內(nèi)電解技術(shù)用于腈綸廢水的預(yù)處理時,各研究者采用的Fe/C有較大差別,但多數(shù)選擇了較低pH值的處理環(huán)境,COD去除率普遍不高。上述研究還表明,內(nèi)電解可改善廢水的可生化性,與混凝結(jié)合可進(jìn)一步提高廢水的COD去除率。但腈綸廢水經(jīng)內(nèi)電解—混凝處理時,絮凝污泥存在泥量大、沉降困難等問題,是工藝設(shè)計過程必須重視的問題之一。
高級氧化是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)高濃度難降解廢水處理技術(shù),包括臭氧氧化、Fenton試劑氧化、光催化氧化等。目前,關(guān)于腈綸廢水高級氧化處理的報道很多,是腈綸廢水處理技術(shù)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。
趙朝成等[24]以腈綸廢水為研究對象,對比了單獨(dú)臭氧、臭氧—活性炭和臭氧—二氧化錳3種方法的氧化效果,考察了初始pH值和反應(yīng)時間對處理效果的影響。結(jié)果表明,臭氧與二氧化錳共同作用時,COD去除率最高。氧化20min,去除率可達(dá)40%。
張榮明等[25]進(jìn)行了Fenton試劑氧化預(yù)處理腈綸廢水的研究。在常溫、pH值為3.5的腈綸廢水中,加入適宜量的H2O2和FeSO4,反應(yīng)2h,可將廢水的B/C由0.1左右提高到0.3以上。當(dāng)廢水的COD濃度為1259mg/L時,F(xiàn)enton試劑氧化的COD去除率達(dá)到66.3%,并可將廢水中的含氮有機(jī)物分解為NH3-N。
徐志兵等[26]采用溶膠—凝膠法制備了負(fù)載TiO2的多壁碳納米管,并研究了上述催化系統(tǒng)對腈綸廢水的光催化處理效果。單獨(dú)采用負(fù)載TiO2的多壁碳納米管對腈綸廢水進(jìn)行光催化處理時,廢水的COD去除率為22%。
將兩種以上的高級氧化技術(shù)進(jìn)行耦合,用于高濃度難降解廢水的處理往往能夠獲得良好的協(xié)同效果,高級氧化耦合工藝在腈綸廢水的處理上也多有應(yīng)用。
王丹等[27]研制了一種新型光電催化反應(yīng)器,考察了陽極偏壓、pH值和H2O2投加量對上述反應(yīng)器處理干法腈綸廢水效果的影響。經(jīng)光電催化氧化后,干法腈綸廢水的B/C可由0.22提高到0.47,并且COD去除率也達(dá)到45.5%。
耿春香等[28]將1,10-菲啰啉和Fe2+溶液配成絡(luò)合物負(fù)載到D113樹脂上作為可見光催化劑,利用該催化劑對腈綸廢水進(jìn)行了降解研究,考察了該負(fù)載型鐵氮配合物催化劑處理腈綸廢水的影響因素。在常溫、常壓及寬pH范圍的溫和反應(yīng)條件下,COD去除率最高可達(dá)68.7%。
于忠臣等[29]研究了Fe2+/UV 催化臭氧對腈綸廢水的降解特性,分析了Fe2+與臭氧的質(zhì)量濃度比、氣相臭氧質(zhì)量濃度和紫外光強(qiáng)對Fe2+/UV催化臭氧降解腈綸廢水效果的影響,討論了Fe2+/UV催化臭氧工藝中光催化反應(yīng)動力學(xué)特征,并利用紅外光譜表征了降解后腈綸廢水中有機(jī)物基團(tuán)的變化。結(jié)果表明,當(dāng)pH值為3.2~3.8、氣相臭氧質(zhì)量濃度為20~30mg/L和光量子流密度為8.62×10-12Einstein時,腈綸廢水降解效果較好。
張丙華等[30]采用UV/Fenton試劑氧化處理難降解腈綸廢水,研究了Fe2+和H2O2的投加量、pH值、光照時間、光照強(qiáng)度、有機(jī)物的濃度等條件對降解腈綸廢水效果的影響。在廢水pH值為3,F(xiàn)e2+濃度為10mmol/L,H2O2濃度為20mmol/L,紫外光照強(qiáng)度為1000W(λ=365nm),光照時間為50min的條件下,COD降解率可達(dá)62.77%。
近年來,也有關(guān)于高級氧化技術(shù)與其他物化技術(shù)進(jìn)行耦合處理腈綸廢水的報道,特別是內(nèi)電解與Fenton試劑氧化的耦合。
李艷華等[31]采用內(nèi)電解-Fenton試劑氧化工藝對腈綸廢水進(jìn)行了處理。結(jié)果表明,在進(jìn)水pH值為3,內(nèi)電解反應(yīng)時間為2h,過氧化氫濃度為1500mg/L,亞鐵離子濃度為600mg/L,F(xiàn)enton反應(yīng)時間為2h的條件下,內(nèi)電解-Fenton組合工藝對腈綸廢水中COD的去除率為72%,B/C由0.14上升到0.33,廢水的可生化性顯著提高。
孟志國等[23]研究了不同反應(yīng)條件對內(nèi)電解、Fenton試劑氧化及其耦合工藝處理腈綸廢水的影響。結(jié)果表明,在各自最佳操作條件下內(nèi)電解和Fenton試劑對腈綸廢水的COD處理效果分別達(dá)到了40%和50%,而兩者耦合后COD總?cè)コ士蛇_(dá)70%以上,最終出水COD小于400mg/L,達(dá)到了后續(xù)生化處理的要求。
綜合上述高級氧化技術(shù)處理腈綸廢水的研究報道,以高級氧化作為預(yù)處理手段來提高腈綸廢水的可生化性在技術(shù)上是可行的。Fenton試劑氧化需外加H2O2、FeSO4等試劑,且需較大范圍地調(diào)節(jié)廢水的pH值,操作較復(fù)雜,安全性較差。光催化對催化劑和反應(yīng)器的要求較高,而光利用效果不佳,還不能在自然光條件下操作,工業(yè)應(yīng)用難度也很大。相比較,臭氧氧化處理腈綸廢水的應(yīng)用前景最好,目前由大慶石化開發(fā)的多相臭氧氧化—升降曝氣活性濾池工藝技術(shù)已通過省級鑒定,能夠使出水COD穩(wěn)定在較低水平[32]。
腈綸生產(chǎn)主要包括聚合和紡絲兩個工序,其間產(chǎn)生的廢水在水質(zhì)和水量方面大有不同。對它們進(jìn)行分別處理,不僅能增強(qiáng)污染物去除的針對性,也可以結(jié)合廢水的各自特點(diǎn)設(shè)計經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)的組合工藝流程。
1997年,化學(xué)工業(yè)部第三設(shè)計院劉曉林等[34]公開了一項(xiàng)“濕法紡絲腈綸工業(yè)綜合廢水處理方法”專利。發(fā)明將腈綸廢水分成3股,先采用混凝氣浮法處理聚合廢水,采用生物接觸氧化法處理紡絲回收廢水,再將上述2股經(jīng)過處理的廢水與丙烯腈、氰化鈉廢水混合進(jìn)行A/O生化脫氮處理,從而達(dá)到去除廢水中COD、NaSCN、NH3-N等污染物的目的。此項(xiàng)專利的申請為腈綸廢水的分類分質(zhì)處理開辟了先河。中石化安慶石化公司腈綸廠采用上述工藝進(jìn)行廢水處理,后又在流程末端增加了曝氣生物濾池進(jìn)行深度處理,出水達(dá)標(biāo)后直接排入長江。
周平等[35]發(fā)明了一種腈綸濕法紡絲工藝廢水的處理方法。先采用內(nèi)電解和混凝沉降來處理聚合廢水,然后將聚合廢水與紡絲及溶劑回收廢水混合勻質(zhì),再經(jīng)水解酸化、碳化硝化、反硝化、后曝氣和污泥沉降分離等單元處理后排出上清液。此發(fā)明特別適宜處理以NaSCN為溶劑的二步法腈綸濕法紡絲工藝產(chǎn)生的廢水,處理后的出水指標(biāo)可達(dá)到COD小于85mg/L,NH3-N小于8mg/L,TN小于25mg/L。
高明華等[36]提出了一種丙烯腈、腈綸工業(yè)綜合廢水的處理方法。先采用投加了炭黑或粉末活性炭的生物炭接觸氧化池對腈綸聚合廢水進(jìn)行好氧生化處理,再將其與不經(jīng)預(yù)處理的丙烯腈生產(chǎn)廢水、腈綸溶劑回收廢水和其他廢水混合,進(jìn)行A/O串聯(lián)生化處理。此方法既適用于干法也適用于濕法腈綸生產(chǎn)廢水,處理后出水能夠達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。
腈綸廢水生物降解性很差,將其與生物降解性較好的廢水進(jìn)行混合處理,可以利用微生物的共代謝作用,降低廢水的處理難度[37,38]。
張春燕等[39]討論了將醋酸廢水按不同的比例與腈綸廢水混合后,對腈綸污水處理效果的影響。結(jié)果表明,將腈綸廢水與醋酸廢水按任意配比混合,不會對腈綸污水處理場的運(yùn)行產(chǎn)生任何不利影響,且可增加腈綸廢水的可生化性,降低廢水處理設(shè)施的負(fù)荷。
腈綸廢水的分類、分質(zhì)處理和與其他廢水混合處理都是十分簡潔實(shí)用的技術(shù),不應(yīng)忽視其推廣價值。
腈綸廢水屬高濃度難降解有機(jī)廢水,它集合了高分子材料生產(chǎn)廢水、有毒廢水、高氨氮廢水等多種廢水的特點(diǎn),因此建立技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的腈綸廢水全流程處理工藝對上述廢水的治理具有指導(dǎo)意義。針對腈綸廢水的主要特點(diǎn),國內(nèi)研究者從新方法、新工藝實(shí)踐的角度進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究。在處理單元選擇方面,改進(jìn)的厭氧生物處理技術(shù)能夠克服廢水本身特點(diǎn)的限制,適于作為去除廢水中有機(jī)污染物的主力單元;強(qiáng)化的混凝技術(shù)和內(nèi)電解技術(shù)有利于提高廢水的可生化性,可選作廢水的預(yù)處理工藝;高級氧化技術(shù)雖然研究較多,但受技術(shù)本身和外部條件的限制,實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用還需要進(jìn)一步完善。在整體處理流程方面,宜對腈綸廢水進(jìn)行分類、分質(zhì)處理,并注重與其他廢水的混合處理,以降低處理難度,提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平。
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