機械加工廠酸洗廢水處理技術

＊許寶建 李保震 李志強 王美嬌 王天慧 趙宇婧

（1.徐州賽科康侖智能裝備有限公司 江蘇 221000 2.北京賽科康侖環保科技有限公司 北京 100083）

酸洗工藝廣泛應用于制造生產領域，具有一定的抗腐蝕、耐氧化效用。酸洗廢水是采用硫酸、硝酸、鹽酸、氫氟酸及磷酸等進行酸洗處理時而產生的廢水。直接排放會對環境造成嚴重的破壞，且浪費了其中的金屬資源。

傳統的機械加工廠酸洗廢水處理工藝一般為“堿中和-沉淀除重”，該工藝可保證出水重金屬達標，但氨氮、氟離子等污染物不能滿足GB 31573-2015《無機化學工業污染物排放指標》[1]。常用的氨氮脫除方法包括空氣吹脫法[2-5]、汽提精餾法[6]、疏水膜法、折點加氯法[7]、磷酸銨鎂沉淀法[8]、硝酸反硝化法[9]等。其中空氣吹脫法和汽提精餾法設備投資大，主要適用于高濃度氨氮廢水[10]；疏水膜法適用于低濃度氨氮脫除，但疏水膜投資貴，且膜材料抗污染能力差[11]；折點加氯法可以將廢水中的氨氮完全去除，但藥劑耗量大是主要的缺點；磷酸銨鎂法利用藥劑將氨氮沉淀去除，產生的沉淀純度低，只能作為固廢處理；硝化—反硝化工藝是指先將氨氮轉化為硝酸根，再通過厭氧反硝化將硝酸根還原為氮氣去除，不適用于高鹽廢水。廢水除氟工藝主要包括化學沉淀、吸附、膜分離等。化學沉淀除氟是指加入鐵鹽、鈣鹽和鋁鹽等與氟離子反應生成難溶于水的沉淀去除。吸附除氟是用離子交換樹脂或吸附材料等將氟離子從廢水中吸附去除。機械加工廠酸洗廢水數量小，氨氮質量濃度不超過1000mg/L，鹽含量高，綜合比較，本文提出“堿中和沉淀除重→折點加氯法除氨氮→化學沉淀除氟+FRZ-2材料深度吸附除氟”的處理路線，并通過實驗驗證重金屬、氨氮和氟的去除效果，為行業內同類廢水處理提供指導意義。

1.實驗部分

(1)實驗原理

①沉淀除重金屬

向水中加入NaOH將pH調至堿性，水中重金屬離子在堿性條件下與OH-發生反應，形成難溶于水的沉淀，從而將水中的重金屬離子去除。其化學反應為（以Zn2+舉例）：

②折點加氯法除氨氮

折點加氯法是利用強氧化劑次氯酸鈉把水體中氨氮氧化為氮氣的工藝。當加入的氧化劑達到一定量時，水中的氨氮質量濃度最低，同時水中的余氯也是最低，超過這個點之后，水中的余氯質量濃度開始上升，因此該點稱為折點，該狀態的氯化稱為折點氯化[12-13]。pH在6～7時為最佳反應區間，接觸時間為0.5～2h。其化學反應為：

③沉淀除氟原理

石灰除氟法是利用Ca(OH)2溶解后產生的Ca2+與水中的F-反應生成難溶于水的CaF2沉淀，從而將水中的F-去除[14]，其化學反應為：

④FRZ-2材料深度除氟

FRZ材料除F具有吸附和離子交換兩種作用。其高比表面積和高孔容是吸附材料的基本特征，FRZ材料具有一定的吸附雜質的作用，FRZ材料對于小于自身孔徑的分子，都具有一定的吸附能力。水中氟主要以離子狀態存在，在除氟過程主要是從水中去除離子狀態的氟，FRZ材料的吸附作用占很小一部份，最重要的還是FRZ材料的離子交換能力。

FRZ材料發生離子交換的化學方程式為[15]：

FRZ材料在使用前用硫酸鋁溶液進行活化，轉化為硫酸鹽型，反應如下：

當FRZ材料吸附飽和或者出水F離子濃度超過一定限值時，需要使用硫酸鋁進行再生，再生過程是靠再生劑的高濃度戰勝選擇性，使離子交換反應向右進行，其反應如下：

表1 FRZ-2材料性能表

(2)實驗材料

①實驗用水。本實驗用水為徐州某機械加工廠的酸洗廢水，其廢水水質情況見表2。

表2 廢水水質（單位：mg/L）

②實驗材料和設備。氫氧化鈉：分析純；次氯酸鈉：分析純；鹽酸：分析純；氯化鈣：分析純；FRZ-2吸附材料；蠕動泵BT100L：雷弗。

③分析方法。重金屬離子通過電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）分析測試；F-通過液相-色譜離子熒光聯用儀（LC-AFS9770）；氨氮通過氨氣敏電極法測定。

④試驗方法。通過“預處理除重+折點加氯法除氨氮+加鈣除氟+FRZ-2樹脂除氟”聯用技術，對酸洗廢水進行處理。

(3)沉淀除重金屬

取100mL酸洗廢水于燒杯中，加氫氧化鈉調節pH為7.7～10，攪拌30min，沉淀60min，然后過濾，取濾后液分析水中重金屬的含量。

(4)折點加氯法除氨氮

取40mL預處理除重濾后液，先用鹽酸調節pH在6～7，加入次氯酸鈉溶液（有效Cl含量≥10%）進行氧化反應60min，然后取樣測定氨氮。

(5)加鈣除氟+FRZ-2材料除氟

取折點加氯出水過濾后液，加入氯化鈣反應40min，然后沉淀60min。過濾取濾液分析氟質量濃度。取氯化鈣除氟后液，加入FRZ-2材料攪拌反應30min。過濾取濾液分析氟質量濃度。

2.結果與討論

(1)pH對除重金屬效果的影響

為了考察pH對酸洗廢水中Cr、Ni、Zn、Fe、Mn等污染物的處理效果，加入NaOH溶液將pH調節至7.7～10，分析其上清液中重金屬離子濃度，結果如表3所示。

表3 除重水質分析（單位：mg/L）

由表3可見，當加入NaOH調節pH后，廢水中的Cr、Ni、Zn、Fe、Mn等污染物得到沉淀去除，最佳沉淀pH為10，此時廢水中的所有重金屬離子質量濃度均達標，滿足GB 31573-2015《無機化學工業污染物排放指標》。

(2)折點加氯法除氨氮實驗結果

①pH對氨氮脫除效果的影響

取40mL原水（氨氮168.16mg/L），加入次氯酸鈉溶液（有效Cl含量≥10%）氧化反應60min，然后取樣測定氨氮。

由圖1可知，原水（pH=4.2）直接加入次氯酸鈉反應，反應效率很低，次氯酸鈉加入量為12.46g/L時，反應出水氨氮質量濃度仍有123.4mg/L。這說明酸性條件不適合折點加氯除氨氮，主要原因是加入的次氯酸鈉會與酸反應生成氯氣溢出，次氯酸鈉的利用率較低。

圖1 廢水pH=4.2次氯酸鈉氧化除氨氮實驗

原水加氫氧化鈉調節pH為8.6，沉淀后液pH=6.95，加入次氯酸鈉進行氧化除氨氮實驗，實驗結果如圖2所示。

圖2 pH=6.95時廢水中氨氮隨NaClO加藥量變化趨勢

由圖2可見，在廢水pH=6.95時，氨氮脫除效率較高，加入次氯酸鈉溶液可以有效氧化去除氨氮，NaClO加入量為9.79g/L時，氧化出水氨氮質量濃度為2mg/L。建議的NaClO加入量為9.0～9.8g/L，次氯酸鈉溶液（有效Cl含量≥10%）加入量為37.5～41.3mL/L。

NaClO加入量為9.79g/L時，反應出水pH=9.76，沉淀過濾，濾液分析結果見表4。

表4 廢水水質（單位：mg/L）

(3)氯化鈣沉淀除氟實驗結果

脫除氨氮后廢水中氟的質量濃度為370mg/L，加入氯化鈣進行預處理沉淀除氟，取沉淀后濾液分析水中剩余氟的質量濃度，實驗結果見圖3。

圖3 氯化鈣投加量對出水氟濃度的影響

由圖3可見，隨著氯化鈣投加量的增加，廢水中氟的質量濃度呈下降趨勢，氯化鈣投加量為2.93g/L時，廢水氟質量濃度除到10.6mg/L，隨后繼續投加氯化鈣，氟質量濃度未能進一步下降。

(4)FRZ-2材料深度除氟實驗結果

氯化鈣除氟出水氟含量為10.6mg/L，加入FRZ-2材料進行靜態吸附除氟，實驗結果見圖4。

圖4 FRZ-2投加量對氟去除效果的影響

由圖4可見，在靜態吸附實驗中，FRZ-2材料加入量6g/L時，廢水氟質量濃度可降至1mg/L以下，說明FRZ-2材料可以將氟去除達標。

FRZ-2材料是可再生材料，工業上采用靜態吸附方式使用時，再生操作比較困難，一般采用動態吸附的方式，即將吸附柱裝入吸附柱使用。FRZ-2材料的動態吸附實驗結果見圖5，進水流速為3BV/h。

圖5 FRZ-2材料動態吸附實驗數據

從圖5中可以看出，吸附運行至30h時，出水氟質量濃度超過1mg/L，單位體積FRZ-2材料共處理90BV廢水，1L材料吸附氟質量為900mg。

3.總結與建議

根據以上試驗結果，建議的酸洗廢水處理工藝路線如下：

（1）氫氧化鈉中和→沉淀過濾→折點加氯除氨氮→沉淀過濾→氯化鈣除氟→沉淀過濾→FRZ-2材料吸附→出水。

（2）石灰中和→沉淀過濾→折點加氯除氨氮→沉淀過濾→FRZ-2材料吸附→出水。

以上兩種處理工藝適用于不銹鋼加工廠酸洗廢水的無害化處理，具有工藝路線短，處理效果好，處理費用低等顯著的顯著優勢，適宜工業推廣。