冶金企业排放含重金属元素废水的处理工艺研究

陈胜喜

（河钢股份有限公司承德分公司、河北省钒钛工程技术研究中心，河北 承德 067000）

经济的进步推动了工业化生产，在采矿、机械制造、冶金等行业产生了大量被污染的废水[1]，这些废水的组成成分复杂，甚至含有重金属剧毒，带来不可逆转的伤害。因此，需要研究解决工业废水污染的工艺，避免工业废水排放带来的环境恶化。

常见的废水处理方法主要是向废水中加入某些沉淀剂，促进废水中的重金属离子沉淀，达到废水处理的目的，但这种方法容易在废水中产生多种化学反应，甚至会形成新的毒物[2]，污染废水，效果也比较差，因此，本文以酸性重金属废水为研究对象，提出了电渗析工艺，实现去除重金属的同时回收酸[3]。这种方法可以减少污染，避免污水处理过程中产生有毒物质，污染环境，因此，本文在电渗析工艺的基础上，研究了冶金企业排放重金属元素废水的处理工艺，为保护环境，实现污水治理作贡献。

1 试验材料与方法

1.1 试验水质

选取某冶金企业流量为30m3/h的酸性重金属废水，分析该酸性废水的水质报告，模拟其水质，进行冶金企业重金属废水处理工艺试验。

1.2 试验药剂与仪器

根据水质分析结果，剔除酸性重金属废水的属性，设计了试验药剂，部分主要试验药剂如下表1所示。

表1 试验药剂

根据表1的试验药剂选取试验设备与仪器，包括恒温保温箱、天平、电渗析设备、光度计、水泵等。

JRBP3010-II型电渗析机的隔板厚度为0.85mm，隔板上有布水孔、布水槽起到流通渠道的作用。测试过程中使用均匀的离子交换膜，立柱区是由支撑杠杆、循环电极、弹性装置组成，共同形成负极通道。

夹紧装置将电极、膜堆和隔膜连接在一起，来防止内外部泄漏。此外，在电渗析测试过程中必须调整整流器控制电压或电流[4]。电极材料的选型。在电解过程中，电解产物和反应速率都受电极材料的影响。本文设计工艺选取电极作为反应电极，增加电解速率，保证电解稳定。

1.3 试验方法

在电渗析中，首先需要利用离子交换选择法，选取符合电渗析要求的交换膜，分离多价阳离子，其次使用真空膜蒸馏法，浓缩回收原液，最后使用实验分析测定法，检测废水中各个离子的浓度[5]。在电场力的作用下单价选择的阳离子通过交换膜可以进入到浓水室，其他离子被留在淡水室，该方法的电渗析原理图如下图1所示。

图1 电渗析原理图

由图1可知，在电渗析试验之前，必须确保电源处于关闭状态，除此之外还需要检查磁泵开关和每个管道阀门。在密闭的前提下，将去离子水放入圆柱形有机玻璃罐中，启动机器，利用电渗析仪器，检查仪器侧面是否封闭完整，如果存在泄漏，立即关闭发动装置，将电渗析仪器中的水排出避免仪器损坏。

在电渗析仪器中划分各个渗析室，分为淡室、浓室等，确定渗析膜两侧离子的传输状态，根据渗析液的浓度依次进行渗析，设置渗析空间后，需要在各个空间内加入不同浓度的去离子水，将去离子水两侧的磁力泵打开，设定参数，保持整个渗析装置处于匀速渗析状态，待渗析储液槽满后，开启放液整流器。放液器的电压必须始终保持稳定，除此之外，相关的参数也必须与电渗析仪器一一对应。除此之外，实验的时间需要严格把控，确保取样时间与计时时间吻合，在实验中最符合电渗析要求的参数即电渗析效率最高时的参数，记录此时的具体参数值，完成渗析。渗析完成后，需要进行装置处理，清洗各个装置，统一归类，关闭渗析阀门，计算此时废液各个元素的组分。

进行废液蒸馏回收，需要使用真空膜，除此之外，在蒸馏前应检查各管的连接情况，检查有无泄漏问题，确认无问题后，开始试验，在试验过程中，首先需要将浴槽调整到指定的温度，然后启动蒸馏回收设备，开始进行蒸馏循环，在循环过程中，为了保证蒸馏效率，需要调节蒸馏速度[6]，保证蒸馏速度，蒸馏后用产品收集器收集废水进行含量测量，每隔2小时检测一次。再清洗水箱等装置，待中空纤维膜干燥后再使用，然后根据采集的样本进行相关分析和计算。

电解试验前，由于纯水具有特殊的物理性质，因此需要静置后才能进行后续试验。静置时间一般保持在30分钟左右，观察纯水的状态，达到符合标准后即可开始试验。实验还需要在保证装置稳定的前提下进行。试验初期，将静置好的原水放入电解装置中，启动电解装置，观察此时电解装置电压的变化状态，将电接点呀调整到指定的范围，一段时间后即可进行样品采集。每隔三十分钟采集一次，保证样品的平均状态，在样品检测值符合标准后即可停止电解，恢复电解装置的原本状态，清洗用到的仪器，计算分析此时样品的组成成分，确保实验的准确性。

2 试验结果

电渗析设备在运行过程中，往往需要增加运行电流强度，以提高工作效率。但是，如果工作电流过大，会发生膜堆的极化，污染电阻，产生巨大能耗。为避免这种问题出现，通常在启动电渗析机前测量极限电流密度，以确保电渗析机的正常运行。影响运行电流的因素有很多，但最重要的因素是膜本身的性质差异。在试验条件下使用电渗析法测定此时的重金属离子脱除状态，实验结果如下图2所示。

图2 测定结果

由图2可知，随着时间的增加，膜的选择透过性下降，废水中的重金属离子逐渐被脱除，证明该方法的重金属离子处理效果较好。当电流较小时，电压主要呈上升状态，但随着电流的增加，电压增加的速度降低，此时的离子交换膜存在单项选择状态，具有反离子作用力，经过检测发现此时的电场强度最低。

随着离子通过膜的速率增加，电压增加的速度也越来越快，因此需要更大的电阻来维持稳定。随着电流增加，电场强度也增加，此时的例子具有高通过特性。扩散透析机有40片阴离子交换膜，每片膜两侧各有两个隔室，扩散室和透析室，交替排列。在试验过程中使用了TWDDAIII 阴离子交换膜。试验结果表明，酸性重金属废水酸度为5%时，循环酸度与残液出水流量之比为1∶1。考虑到此次测试中使用的交换膜数量，根据试验中用到的膜类型，计算每一张离子交换膜的面积，经过计算证明，试验使用的交换膜的膜面积为传统技术的0.153倍，因此试验使用的膜的扩散速率大，约为常规膜的0.077倍，本实验最佳条件下对重金属具有较强的阻滞作用。因此，采用电渗析工艺处理冶金企业排放的重金属废水可以节约膜材料，减少浪费。除此之外，电渗析工艺需要供电，因此处理成本稍高。

3 结论

采用电渗析法处理冶金企业排放的重金属废水具有一定的应用价值，可以节约膜材料，处理效果较好。目前，单价选择性离子交换膜应用不广泛，市场上生产厂家相对较少，导致单价选择性离子交换膜成本较高。因此，为提高电渗析分离重金属的经济可行性和实用性，降低成本，未来可考虑自行研制单价选择性离子交换膜。采用真空膜蒸馏浓缩回收液仍存在处理成本高等问题，未来研究可能会找到更好的处理方法。因此，在进行冶金企业排放重金属元素废水处理时，需要积极创新找到更有效的处理方法。

4 结语

综上所述，经济发展如火如荼的今天，不仅要注意工业的发展，还需要注意环境与经济的协调发展，研究重金属废水处理工艺对保护环境实现共同发展有重要意义，因此本文采用了电渗析工艺进行重金属污水处理，结果表明，该方法可以有效处理冶金企业排放的重金属元素，有一定的应用价值。