劉松濤,黨小梅,賈文瑤,曹 悅,張玉玲,陳傳敏
(華北電力大學(xué)(保定)環(huán)境科學(xué)與工程系,河北保定 071003)
高鹽廢水主要來(lái)自煤化工、燃煤脫硫、印染、天然氣采集加工以及各類廢水回用濃縮等過(guò)程,未經(jīng)處理的高鹽廢水含有大量無(wú)機(jī)鹽離子(如Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、PO43-等)及COD、SiO2和有機(jī)鹵素等污染物〔1-4〕。
以脫硫廢水、煤化工廢水、采礦廢水回用及零排放工藝為代表,工業(yè)廢水零排放工藝一般由預(yù)處理、納濾(NF)/反滲透(RO)濃縮和蒸發(fā)結(jié)晶3 部分組成〔5-6〕。然而,廢水零排放工藝運(yùn)行中仍存在許多問(wèn)題,其中以反滲透和蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備的結(jié)垢問(wèn)題最為嚴(yán)重。目前廢水中硬度(Ca2+、Mg2+)引起的結(jié)垢問(wèn)題是工業(yè)應(yīng)用的主要問(wèn)題,常見(jiàn)的成垢化合物包括CaCO3、CaSO4和Mg(OH)2〔7〕。對(duì)廢水進(jìn)行酸化以降低堿度可以防止生成Ca2+、Mg2+沉淀物,但酸化處理可能會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的SiO2結(jié)垢問(wèn)題〔8-9〕。高鹽廢水中SiO2的主要形態(tài)為Sia(單硅酸和二聚硅酸)、Sib(低聚硅酸)和Sic(高聚硅酸及非活性硅)〔10〕。Ming XIE 等〔11〕提出在pH<7 時(shí),廢水中的SiO2主要以高聚硅酸[(H2SO3)n]形式存在,高聚硅酸可聚集并沉積在膜表面,部分以單硅酸形式存在的SiO2還可以在膜表面聚合形成無(wú)定形的污染層;在廢水pH>7 時(shí),SiO2結(jié)垢問(wèn)題同樣存在,廢水中的SiO2主要以硅酸根離子(SiO32-)形式存在,SiO32-會(huì)和廢水中的金屬陽(yáng)離子(如Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+)反應(yīng)生成金屬硅酸鹽垢〔12-13〕。硅垢很難從反滲透膜上徹底去除,最終導(dǎo)致廢水處理系統(tǒng)性能惡化,如反滲透效率降低和系統(tǒng)運(yùn)行壽命減少。
為避免膜設(shè)備、管道及蒸發(fā)結(jié)晶器的結(jié)垢問(wèn)題,保證高鹽廢水零排放工藝長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,必須在廢水預(yù)處理部分對(duì)Ca2+、Mg2+和SiO2進(jìn)行去除。Xin ZHANG 等〔14〕發(fā)現(xiàn)Al3+比Fe3+對(duì)廢水中活性SiO2的去除效果更好,且SiO2的去除效率隨Al3+投加量的增加而提升,而Fe3+投加量對(duì)SiO2的去除效果影響不大。史元騰等〔15〕討論了雙堿法除硬和除SiO2之間的關(guān)聯(lián)性,同步加入藥劑時(shí),SiO2的去除與總硬度的去除是一個(gè)矛盾體,SiO2的去除與總硬度的去除呈現(xiàn)相反的趨勢(shì);分步加入Ca(OH)2和Na2CO3時(shí),SiO2和總硬度的去除率同時(shí)增加,但并未對(duì)不同形態(tài)硅的去除進(jìn)行研究。
目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于廢水單獨(dú)除硬和除硅的研究及應(yīng)用已相對(duì)完善,而對(duì)廢水中同步除硬和除不同形態(tài)硅的研究還相對(duì)較少。本研究以高鹽廢水為研究對(duì)象,探究了廢水中硬度和不同形態(tài)硅的同步去除方法。
試劑:鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液、氫氧化鈉、碳酸氫鈉、六亞甲基四胺、鄰苯二酚紫、碳酸鈉、氯化鎂、偏鋁酸鈉等,均為分析純。
儀器:紫外分光光度計(jì)T6-1650E(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司),場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM,Gemini SEM 300,德國(guó)蔡司)等。
為提高廢水處理過(guò)程中的除硅效率和優(yōu)化除硅工藝流程,對(duì)高鹽廢水中的SiO2進(jìn)行了定性及定量分析,根據(jù)其存在形態(tài)及含量選擇分光光度法〔16〕測(cè)試。實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)見(jiàn)表1。
表1 實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)Table 1 Experimental water quality
1.3.1 單獨(dú)混凝除硬
單獨(dú)混凝除硬實(shí)驗(yàn)于25 ℃下進(jìn)行,取若干份250 mL 高鹽廢水置于燒杯中,加入定量藥劑,以150 r/min 勻速攪拌20 min,恒溫靜置1 h 后在液面下2 cm 處移取適量水樣;將移取水樣經(jīng)0.45 μm 濾膜過(guò)濾后測(cè)定Ca2+、Mg2+殘留量,每個(gè)樣品平行測(cè)定3次取平均值,計(jì)算Ca2+、Mg2+去除率。
1.3.2 單獨(dú)混凝除硅
前期研究已優(yōu)選出偏鋁酸鈉(NaAlO2)為高鹽廢水的除硅藥劑〔16〕。單獨(dú)混凝除硅實(shí)驗(yàn)于25 ℃下進(jìn)行,取若干份250 mL 高鹽廢水置于燒杯中,加入定量藥劑,立即使用HCl、NaOH 溶液分別調(diào)節(jié)水樣pH至7、8、9、10、11,以150 r/min 勻速攪拌20 min,恒溫靜置1 h 后在液面下2 cm 處移取適量水樣;將移取水樣經(jīng)0.45 μm 濾膜過(guò)濾后測(cè)定不同形態(tài)SiO2的殘留量,同時(shí)測(cè)定加入混凝劑前后Ca2+、Mg2+、Al3+的濃度變化。
1.3.3 混凝同時(shí)除硬除硅
混凝同時(shí)除硬除硅實(shí)驗(yàn)于25 ℃下進(jìn)行,取若干份250 mL 高鹽廢水置于燒杯中,分別采用同步加藥法和分步加藥法處理。同步加藥法:同步投加NaOH、Na2CO3和NaAlO2。分步加藥法:先向高鹽廢水中投加NaAlO2,隨后取反應(yīng)后的上清液,再向上清液中投加NaOH 與Na2CO3。加入藥劑后,同步加藥法和分步加藥法的反應(yīng)溶液均以150 r/min 勻速攪拌20 min,恒溫靜置1 h 后在液面下2 cm 處移取適量水樣,將移取水樣經(jīng)0.45 μm 濾膜過(guò)濾后測(cè)定Ca2+、Mg2+和不同形態(tài)SiO2的殘留量。
以NaOH 作為pH 調(diào)節(jié)劑、Na2CO3作為混凝劑,定量考察了加藥量分別為0~700 mg/L(NaOH)、0~1 600 mg/L(Na2CO3)對(duì)高鹽廢水中Ca2+、Mg2+的去除效果,并測(cè)定水樣pH 的變化趨勢(shì),結(jié)果見(jiàn)圖1。
圖1 Ca2+、Mg2+濃度和溶液pH 隨NaOH、Na2CO3投加量的變化規(guī)律Fig. 1 The changes of Ca2+ and Mg2+ concentration and pH with dosage of NaOH and Na2CO3
由圖1(a)可知,隨NaOH 投加量增加,Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度均不斷降低;當(dāng)NaOH 投加量為500~700 mg/L 時(shí),Mg2+質(zhì)量濃度不再發(fā)生明顯變化,此時(shí)Mg2+殘留量約為20 mg/L,去除率為83.5%;當(dāng)NaOH 投加量為700 mg/L 時(shí),Ca2+殘留量約為220 mg/L,去除率為50%。由圖1(b)可知,隨Na2CO3投加量增加,Ca2+質(zhì)量濃度不斷降低;當(dāng)Na2CO3投加量為1 200~1 600 mg/L 時(shí),Ca2+質(zhì)量濃度不再發(fā)生明顯變化,此時(shí)Ca2+殘留量約為45 mg/L,去除率約為90%;而隨Na2CO3投加量從0 增至1 600 mg/L,Mg2+質(zhì)量濃度略微降低約20 mg/L。這是因?yàn)殡SNa2CO3投加量增加,水樣中的CO3
2-會(huì)與Ca2+迅速結(jié)合生成CaCO3沉淀,使Ca2+質(zhì)量濃度明顯下降;同時(shí)水樣中的部分CO32-發(fā)生水解反應(yīng)生成HCO3-與OH-,使廢水pH 升高,從而去除了少量Mg2+。
由上述除硬分析可知,NaOH 不僅對(duì)Mg2+去除效果優(yōu)異,對(duì)Ca2+也有一定去除效果;而Na2CO3對(duì)Ca2+、Mg2+的去除具有雙面效果。在此基礎(chǔ)上,采用正交實(shí)驗(yàn)探究復(fù)合投加不同比例的NaOH 和Na2CO3對(duì)高鹽廢水硬度的去除規(guī)律,原水Ca2+質(zhì)量濃度為440.88 mg/L,Mg2+質(zhì)量濃度為121.22 mg/L,pH=8.31,結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平及結(jié)果Table 2 Orthogonal experimental factor level and results
使用極差分析法分析最佳水平組合和各影響因素的主次順序,結(jié)果見(jiàn)表3。
由表2 和表3 可知,Na2CO3投加量比NaOH 投加量對(duì)Ca2+的去除影響更大,去除Ca2+的較佳的實(shí)驗(yàn)條件為A4(NaOH 投加量450 mg/L)和B5(Na2CO3投加量1 100 mg/L)。NaOH 投加量比Na2CO3投加量對(duì)Mg2+的去除影響更大,去除Mg2+的較佳的實(shí)驗(yàn)條件為A5(NaOH 投加量500 mg/L)和B4(Na2CO3投加量1 050 mg/L)。對(duì)于本實(shí)驗(yàn),Ca2+殘留濃度、Mg2+殘留濃度和出水pH 3 個(gè)指標(biāo)均越小越好。由正交實(shí)驗(yàn)可知,隨著NaOH、Na2CO3投加量增加,Ca2+和Mg2+殘留濃度均呈下降趨勢(shì),出水pH 呈上升趨勢(shì)。NaOH投加量直接影響Mg2+殘留濃度與出水pH,對(duì)Ca2+殘留濃度影響不大;Na2CO3投加量直接影響Ca2+殘留濃度,而對(duì)Mg2+殘留濃度和出水pH 影響不大。當(dāng)NaOH 投加量為450 mg/L 時(shí),Mg2+去除率可達(dá)84%左右,殘留量不足20 mg/L;而繼續(xù)增加NaOH 投加量至500 mg/L 時(shí),Mg2+去除率約為86%,基本保持不變,而出水pH 仍會(huì)升高。當(dāng)Na2CO3投加量為1 100 mg/L 時(shí),Ca2+去除率高達(dá)約91.5%,Ca2+殘留量不足40 mg/L。因此綜合考慮,NaOH 最佳投加量為450 mg/L,Na2CO3最佳投加量為1 100 mg/L。
本研究考察了在不同pH 操作條件下,NaAlO2混凝劑加入量對(duì)高鹽廢水中不同形態(tài)SiO2的去除效果。高鹽廢水中SiO2的主體形態(tài)為Sia和Sic,Sib含量較小,可忽略不計(jì),因此并未對(duì)Sib的去除效果進(jìn)行分析。在pH 為7~11 時(shí),定量考察了NaAlO2投加量(0~1 000 mg/L)對(duì)高鹽廢水中全硅、Sia、Sic的去除效果,同時(shí)測(cè)定了水樣中Ca2+、Mg2+濃度的變化趨勢(shì)。除硅實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。
圖2 全硅、Sia和Sic濃度及去除率隨pH 和NaAlO2投加量的變化規(guī)律Fig. 2 The concentration and removal rate of all-silicon,Sia and Sic vary with pH and NaAlO2 dosing
由圖2 可知,NaAlO2除硅效果優(yōu)異,在不同pH條件下,隨NaAlO2投加量增加,全硅、Sia(單硅酸和二聚硅酸)、Sic(高聚硅酸及非活性硅)質(zhì)量濃度均明顯降低。在pH 為7、NaAlO2投加量?jī)H為200 mg/L的條件下,Sia去除率高達(dá)92%;在pH 為8、NaAlO2投加量為600 mg/L 的條件下,Sia去除率約為92%,Sic去除率約為80%,全硅去除率約為90%,Sia、Sic殘留量分別約為5、20 mg/L。
水樣中Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。
圖3 Ca2+和Mg2+濃度隨pH 和NaAlO2投加量的變化規(guī)律Fig. 3 The concentration of Ca2+ and Mg2+ varies with pH and NaAlO2 dosing
由圖3 可知,在不同pH 及NaAlO2投加量下,Ca2+質(zhì)量濃度基本保持不變,即NaAlO2對(duì)Ca2+無(wú)明顯去除效果。在NaAlO2最佳除硅pH(8)下,隨NaAlO2投加量增加,Mg2+質(zhì)量濃度逐漸降低,并于NaAlO2投加量達(dá)到600 mg/L 后趨于穩(wěn)定,此時(shí)Mg2+質(zhì)量濃度約為80 mg/L,去除率為17.3%,即NaAlO2對(duì)Mg2+有少量去除效果。
當(dāng)使用鋁劑除硅時(shí),還需考慮Al3+殘留情況。水樣中金屬離子殘留量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致后續(xù)反滲透系統(tǒng)出現(xiàn)不溶性金屬沉淀,造成膜污染并降低膜通量,從而影響廢水處理效率并帶來(lái)額外的經(jīng)濟(jì)損失〔17-18〕。在pH=8 下,水樣中Al3+殘留量及全硅去除率隨NaAlO2投加量的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。
圖4 Al3+殘留量及全硅去除率隨NaAlO2投加量的變化規(guī)律Fig. 4 The residual amount of Al3+ and the removal rate of total silicon vary with the dosage of NaAlO2
由圖4 可知,在NaAlO2投加量為0~600 mg/L 時(shí),Al3+殘留質(zhì)量濃度緩慢上升;NaAlO2投加量為600 mg/L 時(shí),Al3+殘留質(zhì)量濃度約為1 mg/L,全硅去除率已高達(dá)90%;隨NaAlO2投加量繼續(xù)增大,Al3+殘留質(zhì)量濃度急速上升,全硅去除率保持不變。因此確定最佳NaAlO2投加量為600 mg/L。
2.3.1 同步加藥法除硬除硅
由高鹽廢水單獨(dú)除硬實(shí)驗(yàn)與除硅實(shí)驗(yàn)可知,最佳除硬條件為投加450 mg/L NaOH 與1 100 mg/L Na2CO3;最佳除硅條件為pH=8、投加600 mg/L NaAlO2。因此,同步加入450 mg/L NaOH、1 100 mg/L Na2CO3、600 mg/L NaAlO2,考察高鹽廢水中Ca2+、Mg2+、全硅、Sia、Sic的去除效果,結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 同步加藥法除硬除硅實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Experimental results of hardness and silicon removal by synchronous dosing method
由表4 可知,在同步加藥法除硬除硅實(shí)驗(yàn)中,Ca2+、Mg2+去除率與高鹽廢水單獨(dú)除硬實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本保持一致,去除率分別為91.5%、86.0%;而全硅、Sia、Sic去除率與高鹽廢水單獨(dú)除硅實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大差異,去除率分別僅為39.8%、37.3%、40.3%。測(cè)定水樣pH 發(fā)現(xiàn),此時(shí)水樣pH 已高達(dá)11.5,而NaAlO2的最佳除硅pH 為8。為考察除硅效率降低問(wèn)題,分別將0~1 600 mg/L Na2CO3與600 mg/L NaAlO2同步加入高鹽廢水水樣中,分別測(cè)定全硅去除率及水樣pH,結(jié)果見(jiàn)圖5。
圖5 全硅去除率及pH 隨Na2CO3投加量的變化規(guī)律Fig. 5 The removal rate of total silicon and pH vary with the dosage of Na2CO3
由圖5 可知,隨著Na2CO3投加量增加,水樣pH持續(xù)上升,全硅去除率降低。同步加藥法中,除硬與除硅相矛盾,加入除硬藥劑NaOH、Na2CO3會(huì)導(dǎo)致除硅效率降低。
由高鹽廢水單獨(dú)除硬和除硅實(shí)驗(yàn)可知,使用NaOH、Na2CO3除硬后,水樣pH 為11.3;而高鹽廢水原水pH 為8.3,NaAlO2最佳除硅pH 為8;若先去除高鹽廢水中的硬度,再去除高鹽廢水中的SiO2,為達(dá)到預(yù)期除硅效果,還需要對(duì)除硬后的水樣進(jìn)行酸化。因此綜合考慮,先去除高鹽廢水中的SiO2,再去除硬度,即采取分步加藥的方法。
2.3.2 分步加藥法除硬除硅
先向高鹽廢水中投加600 mg/L NaAlO2,待沉淀后取上清液,再向上清液中投加450 mg/L NaOH 與1 100 mg/L Na2CO3,分別考察高鹽廢水中Ca2+、Mg2+、全硅、Sia、Sic的去除效果,結(jié)果見(jiàn)表5。
表5 分步加藥法除硬除硅實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experimental results of hardness and silicon removal by step-by-step dosing method
由表5 可知,在分步加藥法除硬除硅實(shí)驗(yàn)中,全硅、Sia、Sic去除率與高鹽廢水單獨(dú)除硅實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本保持一致,去除率分別為90.1%、95.2%、84.3%;Ca2+、Mg2+去除率分別為91.5%、88.3%,較同步加藥除硬除硅實(shí)驗(yàn),Mg2+去除率略有上升。
分別向高鹽廢水中只加入除硅藥劑NaAlO2、同步加入除硬除硅藥劑、分步加入除硬除硅藥劑,比較3 種不同加藥方式對(duì)Ca2+、Mg2+及全硅的去除率,結(jié)果見(jiàn)圖6。
圖6 不同加藥方式對(duì)Ca2+、Mg2+及全硅的去除率Fig. 6 Removal rates of Ca2+,Mg2+ and total silicon in different dosing methods
由圖6 可知,僅向高鹽廢水中加入NaAlO2無(wú)法有效去除廢水中的Ca2+、Mg2+;同步加藥法可有效去除高鹽廢水中的Ca2+、Mg2+,對(duì)SiO2的去除效果較差;而使用分步加藥法對(duì)Ca2+、Mg2+及SiO2均能高效去除,實(shí)現(xiàn)高鹽廢水同時(shí)除硬除硅的目的。這是因?yàn)镹aAlO2的水解會(huì)生成NaOH 和Al(OH)3,Al(OH)3與硅發(fā)生反應(yīng)并生成沉淀從而去除硅。但同步加藥法由于加入了NaOH 和Na2CO3,水樣pH 增大,抑制了NaAlO2的水解〔19〕,導(dǎo)致全硅去除率降低。
對(duì)NaAlO2作為混凝劑形成的沉淀物形貌進(jìn)行表征分析。將完全反應(yīng)后的水樣用0.45 μm 濾膜快速抽濾后收集濾膜上的沉淀物,置于烘箱中低溫加熱至完全干燥。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)對(duì)沉淀物進(jìn)行表征分析,結(jié)果見(jiàn)圖7。圖7(a)、(b)實(shí)驗(yàn)條件為pH=8、NaAlO2投加量為200 mg/L,圖7(c)、(d)為pH=8、NaAlO2投加量為600 mg/L,圖7(e)、(f)為pH=11、NaAlO2投加量為600 mg/L。
圖7 不同反應(yīng)條件下NaAlO2除硅沉淀物SEMFig. 7 SEM of precipitates of NaAlO2 removing silicon under different reaction conditions
由圖7 可知,不同反應(yīng)條件下的塊狀沉淀物表面均附著有白色晶體,圖7(c)和圖7(d)中白色晶體最多,圖7(e)和圖7(f)中白色晶體最少。結(jié)合除硅實(shí)驗(yàn)結(jié)果,推測(cè)塊狀沉淀物為鋁的化合物,而白色晶體為吸附的SiO2。
使用FT-IR 對(duì)沉淀物進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)圖8。
圖8 NaAlO2除硅沉淀物FT-IRFig. 8 FT-IR of precipitates of NaAlO2 removing silicon
由圖8 可知,所有沉淀物樣品均觀察到相同的特征吸收峰。3 424 cm-1和1 635 cm-1處出現(xiàn)O—H的特征吸收峰,對(duì)應(yīng)結(jié)合水或氫氧化合物基團(tuán);1 013 cm-1處出現(xiàn)Si—O 的特征吸收峰,對(duì)應(yīng)SiO2;750 cm-1處出現(xiàn)Al—O 的特征吸收峰,對(duì)應(yīng)Al(OH)3等鋁的化合物。在pH 相同的條件下,隨NaAlO2投加量增加,Al—O 和Si—O 特征吸收峰透過(guò)率逐漸降低,表明隨著NaAlO2投加量增加,Al(OH)3等鋁的化合物含量不斷增加,吸附了更多的SiO2。在NaAlO2投加量相同的條件下,pH 為9 時(shí)O—H 和Al—O 特征吸收峰透過(guò)率最低,而Si—O 特征吸收峰的透過(guò)率卻高于pH=8,推測(cè)在弱堿性條件下NaAlO2水解生成了更多的[Al(H2O)6]3+、[Al6(OH)14]4+、[Al7(OH)17]4+,而此類高價(jià)聚合離子對(duì)小分子Sia的去除效果略差于Al(OH)3;當(dāng)pH 過(guò)高時(shí),NaAlO2的水解被抑制,導(dǎo)致除硅效率降低。
1)高鹽廢水單獨(dú)除硬的最佳實(shí)驗(yàn)條件:NaOH、Na2CO3的投加量分別為450、1 100 mg/L,Ca2+、Mg2+去除率分別達(dá)到91.5%、83.5%。
2)高鹽廢水單獨(dú)除硅的最佳實(shí)驗(yàn)條件:pH 為8、NaAlO2投加量為600 mg/L,全硅、Sia、Sic去除率分別約為90%、92%、80%;Al3+殘留量較小,約為1 mg/L。
3)同步加藥法中Ca2+、Mg2+去除率與單獨(dú)除硬實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致,去除率分別為91.5%、86%;而全硅、Sia、Sic去除率與單獨(dú)除硅實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大差異,去除率分別僅為39.8%、37.3%、40.3%。分步加藥法先加入除硅藥劑去除SiO2,再加入除硬藥劑去除硬度,全硅、Sia和Sic去除率與單獨(dú)除硅實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本保持一致,去除率分別為90.1%、95.2%、84.3%;Ca2+、Mg2+去除率分別為91.5%和88.3%,Mg2+去除率較單獨(dú)除硬實(shí)驗(yàn)略有上升。