混凝法预处理某化工园区污水处理厂二级出水的试验研究

黄克文,杨志浪,张国军

(1.温州市龙湾区公用事业建设管理处,浙江温州 325000; 2.温州市龙湾规划建筑设计院,浙江温州 325011;3.东南大学土木工程学院,江苏南京 210096)

混凝法预处理某化工园区污水处理厂二级出水的试验研究

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

黄克文1,杨志浪2,张国军3

(1.温州市龙湾区公用事业建设管理处,浙江温州 325000; 2.温州市龙湾规划建筑设计院,浙江温州 325011;3.东南大学土木工程学院,江苏南京 210096)

以江苏某化工园区污水处理厂二级出水为研究对象,采用Amberlite XAD-8、Amberlite XAD-4树脂联用分级技术表明,该二级出水中憎水性有机物含量远远高于亲水性有机物含量,其中憎水中性物含量最高,占总溶解性有机物的59.7%。通过对3种混凝剂对比发现,FeCl3对憎水性有机物去除效果最佳。FeCl3混凝试验确定了该二级出水的最优混凝条件为:投加量600mg/L,pH为7,水温25～35℃,混合速度350 r/min,混合时间90 s,混凝强度

125 r/min,混凝时间10min,沉淀时间为20～30min。

二级出水;树脂分级;混凝;FeCl3

0 引言

目前,废水回用技术是解决我国水资源紧缺现状的有效方法之一,越来越受到国内外研究人员的重视。工业园区内企业生产过程排出的废水经预处理后集中排入污水处理厂,进一步处理后排放。工业废水排放量大、周期短,如能将废水回用,不仅节约水资源,还能减少企业用水费用。但工业废水中大多有机物含量高、毒性大且成分复杂,以致污水处理厂生化尾水仍含有部分有毒有害物质,深度处理生化尾水已成为一大研究热点。本文采用混凝法对江苏某化工园区生化尾水进行预处理,结果表明混凝法对生化尾水中COD、总磷、总氮等有良好的去除效果,能有效地减轻后续处理单元的负荷。

1 试验材料与方法

1.1 废水水质

试验用废水来自江苏某化工园区污水处理厂二级出水,废水水质见表1。

表1 废水水质分析

1.2 试验药品与仪器

1.2.1 试验药品

FeCl3·6H2O溶液100 g/L,聚合氯化铝溶液为100 g/L,聚合硫酸铝铁溶液为100 g/L,Amberlite XAD-8树脂,Amberlite XAD-4树脂。

1.2.2 试验仪器

北京普析分光光度计、金坛杰瑞尔的JJ-6六联电动搅拌、德国赛多利斯pH计、南大戈德环保公司玻璃吸附柱、保定兰格公司蠕动泵。

1.3 试验方法

1.3.1 原水有机物化学分级

原水不做pH调节,先经0.45μm滤膜过滤后直接通过XAD-8柱。然后,用10倍床体积稀酸正淋,被回收部分即为憎水碱(HoB),不被洗脱的部分为憎水中性物(HoN)。过柱后的水样酸化至pH为2,再过此XAD-8柱,被吸附部分为憎水酸(HoA) ;然后水样立即过XAD-4柱,被吸附的部分称为弱憎水酸(WHoA);在任何柱上不吸附的部分称为亲水部分(H iM)。各部分含量按过柱前后水样的UV254差值直接计算获得(HoB按质量衡计算)[1],原水经混凝处理后分级步骤同上。

1.3.2 混凝剂筛选及最佳投药量试验

向7个均盛有100ml废水的200ml烧杯中依次加入不同量的氯化铁。先以300 r/min快速搅拌2min,然后以150 r/min慢速搅拌10min,静止沉淀1 h。取上清液并测其COD、UV254、总磷、总氮。聚合氯化铝、聚合硫酸铝铁混凝剂的试验方法同上。

1.3.3 混凝剂最优条件的确立试验

图1 不同混凝剂对废水中COD、UV254去除效果影响

通过单因素实验,逐步确定影响混凝的因素,每一步均以上一步确定好的条件为基础。需要确定的条件为:PH,温度,搅拌速度,搅拌时间,混凝强度,混凝时间和沉淀时间。

1.4 水质分析方法

水质所测指标包括COD,总磷,总氮均采用国家标准方法[2],UV254测定使用分光光度计于254 nm处比色。

2 结果与讨论

2.1 原水有机物化学分级

二级出水中溶解性有机物特征的不同在很大程度上影响着后续深度处理工艺的处理效果,其中最重要的包括憎/亲水性,酸/碱性[3]。本试验采用有机物吸附树脂分级方法对实验原水进行化学分级。

试验结果表明:该化工园区污水处理厂二级出水中,溶解性有机物主要是憎水中性物,其含量占总UV254比例为59.7%,其次为憎水酸,约占总UV254的23.3%,该二级出水中弱憎水性酸还占有一定比例达到9.56%,而亲水性物质和憎水碱所占比例很小,分别为5.79%、1.64%。由此可见,二级出水中有机物含量次序为:HoN>HoA>WHoA>H iM> HoB。总体来看,憎水性物质含量为84.64%,亲水性物质含量为15.36%,憎水性物质的含量远远高于亲水性物质含量。

2.2 混凝剂筛选及最佳投药量的确定

强化混凝中正确筛选混凝剂对处理效果及处理成本有着至关重要的影响。图1、图2为3种混凝剂对混凝后出水的COD、UV254、总磷、总氮去除效果影响曲线。

由图1可知,对于COD去除率,在较低投药量下PAC的混凝效果好于FeCl3及PAFS;随着投加量的增加,FeCl3及PAFS对COD的去除效果明显高于PAC;当投药量达到一定值时去除率也随之达到最大,以后继续增加投药量去除率反而有下降的趋势。从图1可知,对于UV254去除率看总体趋势都是随着投药量的增加去除率逐渐增加,但是FeCl3效果一直高于其他两种混凝剂。

在较低投药量下主要依靠电性中和作用去除有机物,随着投加量的增加网捕卷扫开始发挥主要作用[4-5]。PAC水解后立即产生大量的多核聚合物,其中Al13占相当的比例,而Al13恰好是混凝中最占优势的成分。而铁盐投入到水中在原水pH中性的条件下主要为氢氧化物形态[5]。因而,PAC在较低投药量下比铁盐具有更高的电性中和能力,PAC在较低投药量下表现出较高的混凝效果,随着投药量的增加胶体表面被过多的聚合物包裹,从新产生静电斥力,发生“再稳”现象,PAC混凝效果急剧下降,随后增加投药量网捕卷扫开始发挥主要作用,混凝效果再次增强,投加量为700mg/L时,COD去除率可高达40.4%。铁盐在较低投药量下网捕作用较弱,主要以压缩双电层作用去除有机物,能力有限。高投药量下开始发挥强劲的网捕作用,投加量为600mg/L时,COD去除率可以高达50.8%。而网捕作用主要去除水中的憎水性物质,这也在一定程度上说明了前面树脂分级试验二级出水中憎水性物质远远高于亲水性物质的事实。

图2 不同混凝剂对废水总磷、总氮去除影响

从图2可知,混凝去除磷主要靠投加的金属盐的水解产物与磷酸盐发生化学反应生成沉淀通过排泥得到去除。去除氮主要靠网捕作用卷扫含氮物质进入污泥得以去除。

从图2可以看出,FeCl3、PAC、PAFS 3种混凝剂对总磷的去除效果都很好,其中FeCl3对总磷的去除效果最稳定,在较低的投加量下总磷去除率就可以达到79.9%。而其他两种混凝剂除磷受投药量的影响较大。3种混凝剂对氮元素的去除基本上随着投药量的增加而升高,FeCl3、PAFS对氮的去除率高于PAC。这是因为在原水pH中性,高投药量下FeCl3、PAFS的网捕作用高于PAC。

原水经混凝处理后,憎水性酸去除率最高,其次为憎水中性物,弱憎水性酸及亲水性物质有一定的去除但去除效果很差,而对憎水碱几乎没有去除效果。原水经FeCl3混凝后其对憎水酸,弱憎水性酸,亲水性物质的去除效果都要高于其他两种混凝剂,而对憎水中性物的去除效果稍逊于PAC及PAFS,但总的去除率:FeCl3>PAC>PAFS。

综上所述,FeCl3对该二级出水处理效果好于PAC及PAFS,本研究后续试验均以FeCl3作为混凝剂,且最佳投药量固定为600mg/L。

2.3 FeCl3最优混凝条件的确定

2.3.1 FeCl3混凝最佳pH值的确定

pH是强化混凝中一个很重要的影响因素,pH的高低会影响溶解性有机物在水中的存在形态及混凝剂的水解聚合形态。图3为FeCl3在不同pH条件下对有机物及氮磷去除曲线。

图3 pH对FeCl3混凝效果的影响

从图3可知,COD、UV254、氮磷去除率受pH影响较大。在较低pH条件下,COD、氮磷去除率较低,UV254去除率甚至为负值;随着pH升高,COD、UV254、氮磷的去除率逐渐升高,在pH为7时达到最大值,继续升高pH去除率有所下降[4]。

从图3可知,总磷的去除率随pH变化很大,这主要是因为在低pH时,磷元素主要以磷酸二氢盐形式存在,溶解度较大,不易与带正电荷的絮凝剂结合成絮体去除。随着pH升高,磷元素主要以磷酸氢盐和磷酸盐形式存在,较易与带正电荷的絮凝剂结合成絮体得以去除。继续升高pH,Fe(OH)3沉淀大量生成,造成总磷去除率有所下降[6]。而总氮的去除主要靠网捕作用卷扫含氮物质进入污泥得以出去,所以最高去除率出现在pH为7左右,此时网捕卷扫作用最强。综合有机物及氮磷去除率确定二级出水混凝最佳pH为7。

2.3.2 FeCl3混凝最佳温度的确定

温度对混凝效果的影响主要体现在影响混凝剂的水解速度,水的黏度,颗粒的布朗运动等方面。所以在强化混凝中水温也是一个不容忽视的因素。图4为水温对FeCl3混凝效果的影响。

从图4可知,在一定温度范围内,COD、UV254、总氮、总磷去除率随着温度的升高而升高,温度超过一定的范围,去除率开始下降。对于COD、总氮、UV254极限去除率在35℃左右,总磷去除率受温度影响较小,极限去除率在30℃左右。温度低,阻碍了FeCl3水解反应速度,同时增加了水的黏度,水中颗粒的布朗运动缓慢,减少了胶体颗粒与水解产物之间的碰撞几率,不能有效的形成絮凝体。温度太高不仅增加了矾花沉降的时间,还使部分胶体态和悬浮态有机物转变为溶解态有机物而留在水中,造成有机物去除效果下降[7]。对于该二级出水混凝最佳温度范围在25～35℃。

图4 水温对FeCl3混凝效果的影响

2.3.3 FeCl3混凝最佳混合强度及混合时间

快速混合阶段需要一定的反应强度和时间使药剂迅速均匀扩散到水中并使其与颗粒充分接触发挥作用。图5为混合强度及时间对FeCl3混凝效果的影响曲线。

图5 混合强度及时间对FeCl3混凝效果的影响

从图5可以看到,COD、UV254及总氮、总磷去除率受混合强度影响较大,总体上随着强度的增加先上升后下降,在350 r/min时达到最大值。其原因可能为强度小时不能使药剂在完全水解之前迅速均匀的分散到水中,强度太大时又会使形成的微絮粒被打碎[8]。综合考虑有机物及总氮、总磷去除效果,确定混合时间为90 s。

2.3.4 FeCl3混凝最佳混凝强度及混凝时间

混凝阶段要求水流具有一定的紊动性,提高絮体相互碰撞的几率以使絮体逐渐长大。但强度和时间过大,容易造成絮体破碎,降低混凝效果。图6为混凝强度和时间对FeCl3混凝效果影响曲线。

图6 混凝强度及时间对FeCl3混凝效果的影响

由图6可以看出,总磷去除率受混凝强度和时间的影响较小,在所考察的范围内都有很高的去除效果。有机物和总氮去除率受混凝阶段强度和时间影响较为明显,总体趋势都是随着强度和时间的增加先增大后减小。强度和时间过短,不能创造良好的水力条件,形成较大的絮凝体,强度和时间过大,会使形成的絮体打碎,影响混凝效果。综合考虑有机物及氮磷去除率,确定对该二级出水混凝阶段的强度为125 r/min,时间为10min。

2.3.5 FeCl3混凝最佳沉淀时间的确定

混凝结束后需要有足够的时间使絮体沉降,时间太短矾花悬浮于水中,使出水水质恶化,时间太长则增加混凝周期。图7为沉淀时间对FeCl3混凝出水水质的影响曲线。

图7 沉淀时间对FeCl3混凝效果的影响

由图7可知,COD、UV254及总氮、总磷去除率随沉淀时间延长而增加,沉淀时间达到15min后,总磷去除率已趋于平稳,达到92.2%。但有机物及总氮去除率还要继续上升,20min后COD及UV254去除曲线也趋于平稳。极限去除率分别为:58.9%、55.2%。总氮去除率随沉淀时间变化最大,最高去除率在30min以后。综合考虑,确定二级出水沉淀时间为20～30min。

3 结语

(1)树脂分级试验表明该二级生化出水主要以憎水中性物为主,占总UV254比例的59.7%,其次为憎水性酸占总UV254比例的23.3%,二级出水中有机物含量次序为:HoN>HoA>WHoA>H IM> HoB。混凝法主要去除憎水性有机物,其中去除率最高的为憎水酸,其次为憎水中性物,亲水性有机物也有一定的去除效果,但去除率不高。

(2)以FeCl3作为混凝剂通过单因素试验确定了二级出水的最优混凝条件为:投加量600mg/L, pH为7,水温25℃～35℃,混合速度350 r/min,混合时间为90 s,混凝强度为125 r/min,混凝时间为10min,沉淀时间为20～30min。

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X703.1

B

1674-8069(2010)03-024-05

2010-03-20;

2010-05-06

黄克文(1969-),男,河北秦皇岛人,硕士,研究方向为市政公用工程技术及管理。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