高磷工業(yè)廢水組合處理工藝研究

葉彩華

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 漳州 363000）

高磷工業(yè)廢水是工業(yè)生產(chǎn)中的特有產(chǎn)物，里面的成分能對(duì)水體造成較大影響，禁止直接排放. 聚合氯化鋁（PAC）作為目前最常用的一種絮凝劑，常用于各種含磷廢水的沉淀處理，但PAC的絮凝效果有限，難以達(dá)到滿(mǎn)意效果. 為此較多學(xué)者進(jìn)行了有效除磷方法研究，如徐歡樂(lè)等合成了3種新型水滑石，對(duì)高磷廢水去除率高達(dá)99.4%，但也存在時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（＞24 h）并難連續(xù)處理問(wèn)題［1］；劉赫尊等通過(guò)試驗(yàn)證明了改性后海綿鐵對(duì)高磷廢水除磷率達(dá)88%，但僅通過(guò)海綿鐵除磷，仍難達(dá)到國(guó)家規(guī)定的工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，還需要進(jìn)一步研究［2］. 基于此，筆者參考已有的研究成果，提出多級(jí)混凝沉淀與功能材料吸附組合工藝對(duì)高磷工業(yè)廢水進(jìn)行處理.

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

主要材料為：聚合氯化鋁（PAC，辰達(dá)化工，分析純）、聚丙烯酰胺（PAM，鼎恒達(dá)化工，化學(xué)純），氫氧化鈣（靈澤礦產(chǎn)品加工廠(chǎng)，化學(xué)純）、納米氧化鐵（潤(rùn)日礦產(chǎn)品，化學(xué)純）、陶粒（華盛新型節(jié)能環(huán)保材料，堆積密度336 kg·m-3）、礫石（登峰建材，堆積密度1 650 kg·m-3）、石英砂（英武石英砂，優(yōu)級(jí)品）、活性炭（三禾水處理材料，充填密度500 kg·m-3）、海綿鐵（久源環(huán)?？萍?，優(yōu)級(jí)品）.

主要設(shè)備：電子攪拌機(jī)（盛海威電氣儀表，SHW90JS）.

試驗(yàn)用工業(yè)廢水：某鋼廠(chǎng)磷化液，pH值約8.6、總磷≥30 000 mg·L-1、正磷酸鹽≥10 000 mg·L-1.

1.2 工藝流程

通過(guò)多級(jí)混凝沉淀與功能材料吸附組合工藝對(duì)高磷工業(yè)廢水進(jìn)行除磷，以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定污水排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)磷酸鹽（以P計(jì)）≤0.5 mg·L-1的要求，具體工藝流程見(jiàn)圖1［3］. 其中，一級(jí)粗混凝主要處理工業(yè)廢水中的膠體等雜質(zhì)，二級(jí)粗混凝主要處理廢水中的磷.

圖1 工藝流程圖

1.3 試驗(yàn)方法

（1）粗混凝. 取高磷試驗(yàn)用工業(yè)廢水400 mL，在攪拌機(jī)作用下投加一定量氫氧化鈣，混凝反應(yīng)一段時(shí)間后靜置，完成粗混凝過(guò)程.

（2）磁加載精混凝. 取粗混凝處理后廢水200 mL，投加一定量PAC、1 mL 1 000 ppm的PAM，同時(shí)投加納米氧化鐵，完成磁加載精混凝過(guò)程.

（3）吸附柱吸附. 用層析柱容搭建反應(yīng)裝置，選擇適合的填料進(jìn)行分層填裝，得到復(fù)合填料吸附柱，通過(guò)蠕動(dòng)泵將處理后的廢水泵入反應(yīng)裝置，進(jìn)行吸附柱吸附. 廢水經(jīng)過(guò)吸附柱后，測(cè)定其總磷含量，每組樣品測(cè)3次，取平均值為結(jié)果.

1.4 磷濃度測(cè)定方法

先將樣品中所有形態(tài)磷酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)檎姿猁}，再將樣品質(zhì)量濃度稀釋至測(cè)定方法較佳測(cè)定范圍，測(cè)定其吸光度，同時(shí)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)（見(jiàn)圖2），曲線(xiàn)方程為A=0.010 3x-0.002 7，R2=0.996 8. 通過(guò)曲線(xiàn)方程求得正磷酸鹽質(zhì)量濃度，再算出樣品的總磷質(zhì)量濃度［4］.

圖2 磷濃度測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)

2 結(jié)果與討論

2.1 粗混凝工藝優(yōu)化

2.1.1 攪拌速度優(yōu)化

攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速影響混凝劑與廢水的接觸，進(jìn)而對(duì)除磷效果產(chǎn)生影響. 在只改變轉(zhuǎn)速的條件下（固定氫氧化鈣投加比為磷∶鈣=1∶1.5并分2批次投加，攪拌反應(yīng)30 min），測(cè)定廢水中除磷率的變化，結(jié)果見(jiàn)圖3. 由圖3可知，轉(zhuǎn) 速400 r·min-1較200 r·min-1時(shí) 總 磷（TP）去 除率增加了約13%，即轉(zhuǎn)速增加，除磷率上升，主要原因是轉(zhuǎn)速越快，混凝劑與磷酸鹽接觸越充分，除磷效果越好［5］，但當(dāng)轉(zhuǎn)速升到600 r·min-1時(shí)，總磷去除率雖有所提高，但正磷酸鹽去除率卻下降了，因此，粗混凝的最佳攪拌速度設(shè)定為400 r·min-1.

圖3 攪拌速度對(duì)除磷的影響

2.1.2 氫氧化鈣投加批次優(yōu)化

在只改變氫氧化鈣投加批次的條件下（固定攪拌速度為400 r·min-1，攪拌反應(yīng)30 min，氫氧化鈣投加比為磷∶鈣=1∶1.5），測(cè)定廢水中除磷率的變化，結(jié)果見(jiàn)圖4. 由圖4知，除磷效果在投加批次為2批次時(shí)最佳. 這是因?yàn)殡S著投加批次增加，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，混凝更加充分，但試劑藥品用量隨之也增加［7］. 綜合考慮，選擇分2批次投加氫氧化鈣進(jìn)行混凝.

圖4 投加批次對(duì)除磷的影響

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間優(yōu)化

在只改變反應(yīng)時(shí)間條件下（固定攪拌速度為400 r·min-1，氫氧化鈣投加比為磷∶鈣=1∶1.5并分2批次投加），測(cè)定廢水中除磷率的變化，結(jié)果見(jiàn)圖5. 由圖5知，隨反應(yīng)時(shí)間增加，總磷質(zhì)量濃度先降低，后趨于平衡. 在反應(yīng)15 min內(nèi)，總磷質(zhì)量濃度快速下降，說(shuō)明氫氧化鈣混凝反應(yīng)主要是在前15 min發(fā)生［8］；當(dāng)反應(yīng)達(dá)30 min時(shí)，已達(dá)到粗混凝理想效果，因此選擇反應(yīng)時(shí)間為30 min.

圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)除磷的影響

2.1.4 氫氧化鈣投加比優(yōu)化

氫氧化鈣是作為體系內(nèi)重要的混凝劑，其投加比直接決定了除磷效果. 在只改變氫氧化鈣投加比的情況下（固定攪拌速度為400 r·min-1，攪拌反應(yīng)30 min，氫氧化鈣分2批次投加），測(cè)定廢水中除磷率的變化，結(jié)果見(jiàn)圖6. 由圖6知. 當(dāng)氫氧化鈣投加比為磷∶鈣=1∶1.5時(shí)，總磷去除率高于60%，達(dá)到粗混凝理想效果，因此選擇氫氧化鈣投加比為磷∶鈣=1∶1.5.

圖6 氫氧化鈣投加量對(duì)除磷的影響

2.1.5 優(yōu)化條件下粗混凝除磷效果

在上述最優(yōu)條件下，對(duì)工業(yè)廢水進(jìn)行除磷試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖7. 由圖7知，經(jīng)過(guò)一級(jí)粗混凝和二級(jí)粗混凝后，總磷降至40 mg·L-1以下，證明粗混凝能快速去除工業(yè)廢水中大量的磷.

圖7 優(yōu)化條件下的除磷效果

2.2 精混凝階段優(yōu)化

2.2.1 PAC投加量?jī)?yōu)化

精混凝中PAC為主要反應(yīng)物，其投加量直接影響除磷效果. 在只改變PAC投加量條件下，觀察磷質(zhì)量濃度變化，結(jié)果見(jiàn)圖8. 可知，當(dāng)PAC投加量達(dá)0.2 g·L-1時(shí)，總磷質(zhì)量濃度最低，約13.4 mg·L-1.

圖8 PAC投加量對(duì)除磷的影響

2.2.2 PAC反應(yīng)時(shí)間優(yōu)化

在只改變PAC反應(yīng)時(shí)間條件下，觀察磷質(zhì)量濃度變化，具體見(jiàn)圖9. 由圖9知，隨PAC反應(yīng)時(shí)間的增加，總磷質(zhì)量濃度表現(xiàn)出直線(xiàn)下降然后緩慢上升［9］，在反應(yīng)時(shí)間為15 min時(shí)，體系內(nèi)總磷去除率最佳.

圖9 PAC 反應(yīng)時(shí)間對(duì)除磷的影響

2.2.3 氧化鐵粒徑優(yōu)化

圖10為不同氧化鐵粒徑對(duì)總磷質(zhì)量濃度的影響. 由圖10知，當(dāng)氧化鐵粒徑為20 nm時(shí)，除磷效果最佳. 原因可能是粒徑小，比表面積則大，除磷效果就好.

圖10 氧化鐵粒徑對(duì)除磷的影響

2.2.4 氧化鐵投加量?jī)?yōu)化

氧化鐵是磁加載精混凝中的主要吸附劑，其投加量直接決定了除磷效果. 在只改變氧化鐵投加量條件下，觀察磷質(zhì)量濃度的變化，結(jié)果見(jiàn)圖11. 由圖11知，隨氧化鐵投加量的增加，總磷質(zhì)量濃度呈先小幅度變化后大幅度下降的趨勢(shì). 當(dāng)氧化鐵投加量為4 g·L-1時(shí)，總磷質(zhì)量濃度最小為4.73 mg·L-1. 繼續(xù)增加氧化鐵投加量，體系內(nèi)總磷質(zhì)量濃度只有微略上升. 因此，綜合考慮選擇氧化鐵投加量為4 g·L-1.

圖11 氧化鐵投加量對(duì)除磷的影響

2.3 吸附劑種類(lèi)選擇優(yōu)化

吸附劑種類(lèi)也直接影響除磷效果，在只改變吸附劑種類(lèi)的條件下，探究體系內(nèi)磷質(zhì)量濃度的變化，結(jié)果見(jiàn)圖12. 由圖12知，單種材料中，陶粒對(duì)總磷的去除效果最好，組合材料中，海綿鐵∶活性炭=1∶2時(shí)，除磷效果最好. 同時(shí)考慮到活性炭粉末易導(dǎo)致層析柱堵塞，對(duì)連續(xù)工藝產(chǎn)生影響，因此在搭建吸附柱時(shí)，采用分層填充方式，將陶粒放在最底層，組合材料（海綿鐵∶活性炭=1∶2）放在陶粒上方進(jìn)行搭建［10］.

圖12 吸附材料對(duì)除磷效果的影響

2.4 整體優(yōu)化工藝處理效果

按照整體優(yōu)化工藝，對(duì)高磷工業(yè)廢水進(jìn)行除磷處理，結(jié)果見(jiàn)圖13. 由圖13知，整體優(yōu)化工藝可將高磷廢水中總磷降低至0.5 mg·L-1以下，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8978-1996中的污水排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求.

圖13 整體工藝除磷效果

3 結(jié)論

綜上所述，筆者設(shè)計(jì)的整體優(yōu)化組合工藝能對(duì)高磷工業(yè)廢水進(jìn)行有效處理，具體結(jié)果如下.

（1）粗混凝優(yōu)化結(jié)果為：按磷∶鈣=1∶1.5的比例將氫氧化鈣分2次投加至廢水內(nèi)，在轉(zhuǎn)速400 r·min-1條件下反應(yīng)30 min后，總磷基本平衡在40 mg·L-1，說(shuō)明該工藝能處理掉大部分磷.

（2）磁加載精混凝優(yōu)化結(jié)果為：PAC 最佳投加量為0.2 g·L-1，氧化鐵最佳粒徑和投加量分別為20 nm和4 g·L-1，反應(yīng)時(shí)間為15 min.

（3）選擇20 g（陶粒）+20 g（海綿鐵∶活性炭=1∶2）搭建吸附柱進(jìn)行試驗(yàn).

（4）處理后廢水含磷＜0.5 mg·L-1，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8978-1996中的污水排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求.