化工廢水的蒸氨環保處理技術研究

韓文婧,崔榮偉,李雪貞,王萌

(濰坊職業學院,山東 濰坊 262737)

化工業一直以來都是環境主要污染源頭,化工產品在生產過程中會使用大量的水,生產用水中含有大量的化學污染物,比如氨氮、砷、硫、鋅、汞等,這些化學污染物對人與其他生物生命安全造成一定威脅,如果化工廢水不能得到有效的處理,排放到河流中被魚、蝦等生物吸收,會破壞掉水資源生態環境,如果人食用到化學含量超標魚、蝦,會產生重金屬中毒,如果長時間食用這種有毒食物,會誘發癌癥、心臟病等疾病發生,嚴重威脅到人們的身體健康安全。全國每年會生產大量的化工廢水,據相關統計數據顯示,2020年國內廢水總量為3 684.65億t,其中化工廢水占32.41%,化工廢水排放量相比較2019年增長了1.24%,計算下來每天要排放的化工廢水約3.26億t,在未來化工廢水排放量還會不斷增長,因此有必要采取有效手段對化工廢水凈化處理。蒸氨環保處理技術是一種常用的化工廢水凈化處理手段,由于其具有較高的環保性,處理成本比較低,因此已經被廣泛應用到化工廢水處理領域中。但是由于國內對于化工廢水的蒸氨環保處理技術研究起步比較晚,相關工藝與理論還不夠成熟,雖然近幾年化工廢水處理問題受到研究領域重視,相關學者與專家開展了一系列研究,對蒸氨環保處理技術進行了優化與完善,但是現有的技術還是存在一定的局限性,在實際應用中廢水氨氮去除率比較低,并且處理用時時間比較長,效率比較低,傳統技術仍舊存在較大的優化空間,為此提出化工廢水的蒸氨環保處理技術研究。

1 試劑、設備準備及廢水預處理

根據化工廢水凈化處理需求,采用蒸氨環保處理工藝對其處理,具體處理流程如圖1所示。

圖1 化工廢水蒸氨環保處理流程圖

如圖1所示,化工廢水在處理前,要做一些準備工作,預先準備蒸氨環保處理需要使用的試劑和設備,其中試劑包括氯化銨、酒石酸鉀鈉、碘化汞、碘化鉀、氯化鈉、氫氧化鈉、鹽酸、乙酸、殼聚糖以及硝酸,試劑規格均為分析純[1]。處理需要準備的儀器設備主要為蒸氨環保處理裝置,該裝置如圖2所示。

圖2 蒸氨環保處理裝置示意圖

除了要準備處理裝置以外,還需要準備數顯恒溫磁力攪拌機、恒溫水浴振蕩器、數顯恒溫水浴鍋、電熱鼓風干燥箱、電子調溫萬用電爐以及電子天平等儀器設備[2]。按照使用說明書對儀器設備技術參數進行校準,檢驗各個儀器設備是否可以正常使用。然后對原廢水進行檢驗的預處理,使用濾網將廢水中的固體廢棄物濾除掉,并沉淀1 min,去除掉廢水中的泥沙。

2 氨氮吹脫

將預處理后的廢水導入到蒸氨環保處理裝置中,對其進行氨氮吹脫。廢水首先進入到處理裝置中的調節池內,在調節池內放入氫氧化鈉試劑,氫氧化鈉試劑投入量需要根據化工廢水量確定,每升廢水投入0.1 mL氫氧化鈉,使用電子天平稱取氫氧化鈉試劑,將其放入到調節池中[3]。利用氫氧化鈉將化工廢水pH值調節到10左右。經過調節后的廢水順著導管進入到吹氨塔,在吹氨塔內進行氨氮吹脫。氨氮吹脫所使用的試劑主要為氯化銨、酒石酸鉀鈉、鹽酸、乙酸、殼聚糖,使用電子天平稱取適量的化學試劑,將其投入到吹氨塔內[4]。將塔頂壓力設置為0.54 MPa,氣液比設置為1 000∶1。考慮到吹脫溫度與化工廢水氨氮析出率呈一定的線性關系,具體如圖3所示。

圖3 吹脫時間-氨氮析出率曲線圖

從圖3可以看出,在前2 min,化工廢水氨氮析出率增長比較快,但是2 min以后,化工廢水氨氮析出率基本趨于穩定,因此為了保證化工廢水處理效率和處理成本,將氨氮吹脫時間控制在2 min左右,不得少于2 min。此外,吹脫溫度也會對化工廢水氨氮吹脫效果具有一定的影響,將其控制在60 ℃左右。吹脫后的廢水中氨氮化學物質從塔底輸入到氨氮回收池,通過氨氮吹脫去除掉化工廢水中的氨氮成分。

3 固體吸附及過濾

去除掉廢水中氨氮化學物質后,輸入到吸附塔,在吸附塔內對廢水做進一步處理。考慮到化工廢水環保處理需求,利用沸石對化工廢水中砷、硫、鉀、鈉以及未被脫除掉的氨氮等化學物質進行吸附處理,在吸附塔底鋪墊一層沸石,沸石具有吸附功能,沸石鋪墊厚度至少為50 cm。由于沸石在吸附過程中隨著時間變化沸石會達到飽和狀態,此時沸石將不再具有吸附功能,為了提升沸石吸附特性,利用碘化汞、碘化鉀、氯化鈉制作成再生劑。其制備方式為:將點碘化汞、碘化鉀放入到數顯恒溫水浴鍋內,使用數顯恒溫磁力攪拌機與恒溫水浴振蕩器對試劑攪拌與振蕩,兩種試劑發生化學反應,將析出的物質放入到電子調溫萬用電爐內進行加熱,再將其碾壓成粉末,加入氯化鈉試劑稀釋,以此制備成沸石吸附再生劑。當吸附塔內沸石吸附時間達到2 min時,將制備好的再生劑投入到塔內,對廢水繼續吸附,吸附時間為1.5 min。經過吸附后的廢水導入到吸收塔,向塔內投入適量的硝酸試劑,利用硝酸將廢水中剩余化學物質進行析出,吸收時間為1 min。最后化工廢水流入過濾池,在過濾池內對析出的廢棄物濾除,以此完成化工廢水的蒸氨環保處理。

4 實驗論證

4.1 實驗準備與設計

為了檢驗本次提出的化工廢水的蒸氨環保處理技術的可行性與可靠性,選擇某化工工廠廢水為實驗樣本,利用本次設計技術對該化工工廠廢水進行蒸氨環保處理,并選擇兩種傳統技術作為對比,兩種傳統技術分別為基于芬頓預氧化+MBR工藝與基于臭氧氧化與吸附聯用處理技術,以下用傳統技術1與傳統技術2表示。實驗取化工廠廢水1 000 L,使用10 L玻璃容器盛放,使用數字對其編號,共獲取100份樣本,廢水水質指標為:pH值范圍為9.44～10.36,氨氮含量為5 562～6 024 mg/L,化學需氧量范圍為6 451.15～38 695.65 mg/L,鉀含量為1.65 mg/L,鈉含量為8.46 mg/L,鐵含量為3.15 mg/L,錳含量為5.41 mg/L,鋅含量為4.17 mg/L,硫含量為2.86 mg/L。實驗中使用的試劑均來自上海OYHFA化學試劑有限公司,儀器設備準備:AFFH-A5F5型號數顯恒溫磁力攪拌機一臺、FAOU-3617恒溫水浴振蕩器一臺、IOYUF-4512數顯恒溫水浴鍋一臺、QORT-A5F5電熱鼓風干燥箱一臺、NKAN-48A1電子調溫萬用電爐一臺以及IYFA-6214電子天平一臺,以上儀器設備均來自上海FOTO儀電科學儀器股份有限公司。按照上述流程對儀器設備校準、原廢水簡單處理、氨氮吹脫、固體吸附及過濾,其具體處理情況如表1所示。

表1 化工廢水蒸氨環保處理結果 單位:mg·L-1

從表1中數據可以看出,經過處理后的化工廢水水質各項指標均已達標,說明本文設計技術基本可以完成化工廢水凈化處理任務,以下對技術的具體應用效果進行檢驗。

4.2 實驗結果及討論

本次實驗以廢水氨氮去除率和處理效率作為三種技術性能評價指標,氨氮是廢水中難以去除的化學成分,處理后的廢水中氨氮含量越高,表示處理效果越差。實驗以廢水氨氮濃度為變量,記錄不同氨氮濃度情況下廢水氨氮去除率,其計算公式如下:

式中,u表示化工廢水氨氮去除率;e1表示處理前化工廢水氨氮濃度;e2表示處理后化工廢水氨氮濃度。利用上述公式計算出不同氨氮濃度情況下廢水氨氮去除率,根據實驗數據繪制三種技術氨氮去除率對比圖如圖4所示。

圖4 三種技術氨氮去除率對比圖

從圖4可以看出,本文技術氨氮去除率相對較高,雖然會隨著廢水氨氮濃度的提高而不斷降低,但是去除率降低幅度比較小,當廢水氨氮濃度為6 000 mg/L時,氨氮去除率為87.56%,可以將氨氮去除率控制在85%以上,說明文本設計技術基本可以去除掉化工廢水中的氨氮化學物質;而兩種傳統技術氨氮去除率相對比較低,并且會隨著廢水氨氮濃度的增加而大幅度降低,當廢水氨氮質量濃度為6 000 mg/L時,傳統技術1與傳統技術2氨氮去除率分別為38.49%,19.52%,遠遠低于設計技術,說明在氨氮去除效果方面,設計技術優于傳統技術。

為了進一步驗證設計技術的適用性,對化工廢水去除效率進行檢驗,實驗分為四組,每組實驗處理的化工廢水量相同,均為250 L,記錄每組實驗化工廢水處理用時時間,用時時間越短,表示化工廢水凈化處理效率越高,根據記錄的實驗數據,繪制三種技術廢水處理效率對比圖如圖5所示。

圖5 三種技術化工廢水處理效率對比圖

從圖5可以看出,本文設計技術處理化工廢水用時時間比較短,最長用時為11.36 min,平均用時為9.46 min;而兩種傳統技術處理化工廢水用時時間比較長,傳統技術1與傳統技術2處理化工廢水最長用時時間分別為42.13,44.54 min,平均用時為40.26,42.17 min,遠遠長于設計技術,說明設計技術在效率方面也優于傳統技術。因此本次實驗證明了,無論是在氨氮去除率方面還是在處理效率方面,本文技術均表現出明顯的優勢,相比較傳統技術更適應于化工廢水蒸氨環保處理。

5 結束語

針對傳統技術存在的不足與缺陷,提出了一套新的化工廢水的蒸氨環保處理思路,有效提高了化工廢水氨氮去除率,以及處理效率,實現了對傳統工藝的優化與創新。此次研究對豐富化工廢水凈化處理工藝理論,為化工廢水的蒸氨環保處理提供參考依據,具有一定的理論意義與現實意義。但是由于此次研究時間有限,提出的技術尚未在實際中得到大量應用與操作,在某些方面可能存在一些不足之處,今后會對該課題展開深層次探究,為化工廢水的蒸氨環保處理提供有力的理論支撐。