強(qiáng)化混凝法處理煤氣冷凝水

高 英，肖作義，高 峰，杜雪松，萬淑芳

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.ABB（中國(guó)）有限公司，內(nèi)蒙古 包頭，014010）

高爐煤氣冷凝水是鋼鐵廠采用全干法除塵時(shí)，為了控制進(jìn)布袋前煤氣溫度，通過高爐爐頂噴淋塔噴水來降低溫度時(shí)所產(chǎn)生的廢水［1］。其特點(diǎn)是水量大、懸浮物含量高、濁度較大、呈偏酸性，而且含有大量的氯離子［2-4］。常規(guī)的混凝沉淀法能有效降低水中的濁度和懸浮物濃度，但對(duì)氯離子的去除能力有限。氯離子含量過高時(shí)，會(huì)造成設(shè)備嚴(yán)重腐蝕，大幅縮短設(shè)備的運(yùn)行壽命，同時(shí)對(duì)工廠的穩(wěn)定生產(chǎn)造成較大的影響［5］，因此需要進(jìn)行綜合考慮。

一直以來，去除氯離子最有效的方法是陰離子交換法或反滲透法，但二者都需要增加大量設(shè)備，并且需要配置相應(yīng)操作人員，初期投入大、運(yùn)行成本高、操作靈活度小；而高分子納米除氯劑是以松木木質(zhì)素為基本結(jié)構(gòu)、在特殊條件下由生物工程方法合成的高分子聚合物，其基本成分淀粉與木質(zhì)素發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成具有季胺結(jié)構(gòu)、表面帶較強(qiáng)正電荷的核殼型淀粉納米顆粒，由于其分子鏈上的官能團(tuán)帶有較強(qiáng)的正電荷，可以吸附水中氯離子，并具有一定的絮凝效果，使用特別靈活、處理成本低、可操作性強(qiáng)。

本實(shí)驗(yàn)選取無機(jī)高分子混凝劑聚合氯化鋁、有機(jī)高分子混凝劑聚丙烯酰胺和高分子納米除氯劑，對(duì)高爐煤氣冷凝水進(jìn)行強(qiáng)化混凝處理，討論幾種藥劑聯(lián)用對(duì)混凝效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材料、試劑和儀器

廢水取自包頭鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司高爐煤氣冷凝池出水，水質(zhì)見表1。

聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺、高分子納米除氯劑：工業(yè)級(jí)。

無極調(diào)速六聯(lián)攪拌機(jī)：武漢市梅宇儀器有限公司；GDS-3型光電式渾濁度儀：上海海恒機(jī)電儀表有限公司；PHS-2型酸度計(jì)：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；HY-B2型回旋振蕩器：金壇市醫(yī)療儀器廠。

表1 廢水水質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

取廢水800 mL，加入藥劑后以160 r/min的攪拌速率快速攪拌2 min，再以80 r/min的攪拌速率慢速攪拌10 min。靜置沉淀15 min后，取上清液測(cè)SS、濁度、氯離子質(zhì)量濃度，并計(jì)算去除率。

1.3 分析方法

采用重量法對(duì)103～105 ℃烘干的不可濾殘?jiān)M(jìn)行稱重，測(cè)定SS［6］107-109；采用分光光度法測(cè)定濁度［6］96-98；采用硝酸銀滴定法測(cè)定氯離子濃度［6］180-183。

2 結(jié)果與討論

2.1 單獨(dú)投加聚合氯化鋁

保持廢水的pH不變，向廢水中投加聚合氯化鋁藥劑，單獨(dú)投加聚合氯化鋁對(duì)廢水處理效果的影響見圖1。由圖1可知，隨著聚合氯化鋁加入量的增加，SS和濁度去除率增大；當(dāng)聚合氯化鋁加入量為25 mg/L時(shí)，SS和濁度去除率分別為78.0%和85.0%左右；聚合氯化鋁加入量在25 mg/L到30 mg/L時(shí)，SS和濁度去除率基本不變，聚合氯化鋁加入量大于30 mg/L時(shí)，SS和濁度去除率呈下降趨勢(shì)。單獨(dú)使用聚合氯化鋁雖然能夠達(dá)到一定的混凝效果，但是效果并不理想，并且對(duì)廢水中氯離子的去除幾乎沒有效果。

2.2 聚合氯化鋁與聚丙烯酰胺聯(lián)合使用

保持廢水的pH不變，先投加聚合氯化鋁，再以3 mL/L的加入量向廢水中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的聚丙烯酰胺，聚合氯化鋁與聚丙烯酰胺聯(lián)合使用對(duì)廢水處理效果的影響見圖2。

圖2 聚合氯化鋁與聚丙烯酰胺聯(lián)合使用對(duì)廢水處理效果的影響

由圖2可知，隨聚合氯化鋁加入量的增加，SS和濁度去除率增大；當(dāng)聚合氯化鋁加入量為25 mg/L時(shí)，SS和濁度去除率最大；聚合氯化鋁加入量在25 mg/L到30 mg/L時(shí)，SS和濁度去除率基本不變，大于30 mg/L時(shí)，SS和濁度去除率明顯下降，出現(xiàn)該現(xiàn)象可能是由于在混凝沉淀過程中，隨投藥量增加，經(jīng)混凝劑水解產(chǎn)生的氫氧化物增多，使正電荷密度得到加強(qiáng)［7］，水中膠體顆粒與混凝劑之間的相互作用得以加強(qiáng)。但混凝劑的加入量并非越多越好，當(dāng)混凝劑加入量達(dá)到一定值時(shí)，濁度和SS隨投藥量增加而減小，此時(shí)混凝劑的有效利用率降低。兩種混凝劑混合作用最佳條件下，剩余濁度為13.52 NTU，SS為68.08 mg/L，雖然對(duì)濁度和SS有一定的去除效果，但是與工業(yè)冷卻循環(huán)水回用指標(biāo)［8］相差很大，而且對(duì)氯離子沒有明顯去除效果。

2.3 聚合氯化鋁與高分子納米除氯劑聯(lián)合使用

保持廢水的pH不變，先投加聚合氯化鋁，再以3.0 mL/L的加入量向廢水中投加高分子納米除氯劑，聚合氯化鋁與高分子納米除氯劑聯(lián)合使用對(duì)廢水處理效果的影響見圖3。

圖3 聚合氯化鋁與高分子納米除氯劑聯(lián)合使用對(duì)廢水處理效果的影響

由圖3可知，隨著聚合氯化鋁加入量的增加，SS、濁度、氯離子去除率在開始階段增大；當(dāng)聚合氯化鋁加入量為20 mg/L時(shí)，SS、濁度、氯離子去除率最大；聚合氯化鋁加入量大于20 mg/L時(shí)，SS和濁度去除率有所下降，氯離子去除率基本趨于平穩(wěn)。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是聚合氯化鋁混凝體系Zeta電位隨著聚合氯化鋁加入量的增加而上升，當(dāng)混凝體系達(dá)到等電點(diǎn)，聚合氯化鋁與水中帶負(fù)電荷的大分子有機(jī)物質(zhì)結(jié)合，易于除去，隨著加入量的繼續(xù)增加，可能水中膠體表面電荷出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，增加了絮體之間的排斥力，從而引起濁度、SS去除率下降。而投加高分子納米除氯劑的去除效果明顯優(yōu)于聚丙烯酰胺。高分子納米除氯劑是采用生物納米技術(shù)，使用交聯(lián)淀粉顆粒［9］與木質(zhì)素季銨鹽［10］混合得到的高分子聚合物，其成分季胺型陽(yáng)離子淀粉本身具有優(yōu)異的絮凝效果［11］，而改性后的木質(zhì)素大分子表現(xiàn)出正電性的化合物特征，對(duì)水溶液中顆粒起到靜電吸引與電性中和作用，對(duì)SS和濁度的去除有明顯的輔助作用。而大分子木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中包含有芳環(huán)、脂肪族側(cè)鏈和許多活性官能團(tuán)，從而表現(xiàn)出一系列的化學(xué)反應(yīng)活性，其中正碳離子可以吸附帶負(fù)電荷的氯離子基團(tuán)，達(dá)到去除氯離子的效果［12］。綜合考慮，選擇加入量分別為20 mg/L和3.0 mL/L的聚合氯化鋁與高分子納米除氯劑混合處理煤氣冷凝水，出水SS小于10 mg/L，濁度小于10 NTU，氯離子去除率達(dá)到80%左右。

2.4 高分子納米除氯劑加入量對(duì)廢水處理效果的影響

保持廢水的pH不變，聚合氯化鋁加入量為20 mg/L時(shí)，高分子納米除氯劑加入量對(duì)廢水處理效果的影響見圖4。

圖4 高分子納米除氯劑加入量對(duì)廢水處理效果的影響

由圖4可知：隨著高分子納米除氯劑加入量的增加，SS、濁度、氯離子去除率增大；當(dāng)高分子納米除氯劑加入量為2.0 mL/L時(shí)，SS、濁度、氯離子去除率最大；高分子納米除氯劑加入量大于2.0 mL/L時(shí)，SS和濁度去除率有所下降，但氯離子去除率趨于平穩(wěn)。此現(xiàn)象說明高分子納米除氯劑在一定的投加范圍內(nèi)，對(duì)混凝去除SS和濁度具有輔助作用，但當(dāng)加入量過大時(shí)，氯離子濃度沒有明顯變化，而水體出現(xiàn)渾濁，剩余濁度增加，原因可能是高分子納米除氯劑中的木質(zhì)素基團(tuán)首先通過靜電吸引或氫鍵作用吸附氯離子和膠體顆粒，再依靠片狀絮體自身的憎水、沉降性將膠體顆粒及懸浮物網(wǎng)捕、卷掃下來，由于高分子納米除氯劑分子屬網(wǎng)狀的高分子混凝劑，沒有聚丙烯酰胺分子那樣明顯的條狀結(jié)構(gòu)，由架橋而引發(fā)的絮凝作用較?。?3］。高分子納米除氯劑本身帶有正電荷的基團(tuán)，投加過量會(huì)使原來因電荷中和而失穩(wěn)的膠體顆粒帶上正電荷，膠體顆粒間會(huì)因斥力而出現(xiàn)再穩(wěn)現(xiàn)象［14］。因此，高分子納米除氯劑較佳的加入量為2.0 mL/L，此時(shí)出水SS小于10 mg/L，濁度小于10 NTU，氯離子去除率達(dá)到80%左右，基本接近工業(yè)冷卻循環(huán)水回用指標(biāo)。

2.5 廢水pH對(duì)廢水處理效果的影響

當(dāng)高分子納米除氯劑加入量為2.0 mL/L、聚合氯化鋁加入量為20 mg/L時(shí)，廢水pH對(duì)廢水處理效果的影響見圖5。由圖5可知：隨著廢水pH的增大，SS、濁度、氯離子去除率增大；當(dāng)廢水pH為6.5時(shí)，SS和濁度去除率最大，分別為96.8%和98.62%；當(dāng)廢水pH大于6.5時(shí)，SS、濁度、氯離子去除率有所下降，尤其SS和濁度去除率下降明顯。原因可能是pH影響鋁鹽混凝劑的水解程度，從而影響混凝效果。通常認(rèn)為適宜的廢水pH條件下，聚合氯化鋁中的鋁具有較高正電荷，是發(fā)揮絮凝作用的主要存在形態(tài)［15］；高分子納米除氯劑中的木質(zhì)素季銨基團(tuán)帶正電荷，在酸性條件下由于靜電排斥作用，伸展度大，有效分子長(zhǎng)度長(zhǎng)，易于吸附架橋，而堿性條件下分子上所帶電荷被中和，分子內(nèi)的氫鍵作用力使分子成線團(tuán)狀，伸展度小，分子的有效長(zhǎng)度短，難于吸附架橋。在廢水pH為6.5時(shí)，高分子納米除氯劑表現(xiàn)出最強(qiáng)的靜電吸附作用，對(duì)水中氯離子吸附效果最好。兩種藥劑結(jié)合作用的最佳pH為6.5，與廢水自身pH基本相同，無需調(diào)節(jié)，此時(shí)出水SS小于10 mg/L，濁度小于10 NTU，氯離子去除率達(dá)到80%以上，基本接近工業(yè)冷卻循環(huán)水回用指標(biāo)。

圖5 廢水pH對(duì)廢水處理效果的影響

2.6 廢水中其他離子的混凝去除效果

當(dāng)聚合氯化鋁加入量為20 mg/L、高分子納米除氯劑加入量為2.0 mL/L、不調(diào)節(jié)廢水pH時(shí)，混凝處理后煤氣冷凝水出水水質(zhì)見表2。由表2可見，使用聚合氯化鋁與高分子納米級(jí)除氯劑混凝時(shí)，不僅對(duì)濁度、SS和氯離子有較好的去除效果，而且對(duì)廢水中的其他離子也有一定的去除效果。

表2 混凝處理后煤氣冷凝水出水水質(zhì)

3 結(jié)論

a）采用不同混凝劑處理高爐煤氣冷凝水，當(dāng)聚合氯化鋁與聚丙烯酰胺混合使用時(shí)，出水SS和濁度均有一定去除效果，且優(yōu)于單獨(dú)使用聚合氯化鋁時(shí)的混凝效果，但是兩者對(duì)氯離子的去除都幾乎沒有作用，而且出水水質(zhì)與工業(yè)循環(huán)冷卻水回用標(biāo)準(zhǔn)有較大差距。

b）當(dāng)聚合氯化鋁加入量為20 mg／L、高分子納米級(jí)除氯劑加入量為2.0 mL／L時(shí)，對(duì)高爐煤氣冷凝水的處理效果優(yōu)于聚合氯化鋁與聚丙烯酰胺聯(lián)合使用，出水SS小于10 mg/L，濁度小于10 NTU，氯離子去除率達(dá)到80%左右，基本接近工業(yè)冷卻循環(huán)水回用指標(biāo)。

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