某電鍍廠含氰含鉻廢水處理實(shí)驗(yàn)研究

張怡然，董 捷

(天津泰達(dá)水業(yè)有限公司 天津300457)

科學(xué)與社會

某電鍍廠含氰含鉻廢水處理實(shí)驗(yàn)研究

張怡然，董 捷

(天津泰達(dá)水業(yè)有限公司 天津300457)

采用“臭氧破氰-還原沉淀-納濾法”處理某電鍍廠含氰含鉻廢水，研究 pH值、藥劑投加量、反應(yīng)時(shí)間、進(jìn)水壓力等條件對處理效果的影響。結(jié)果表明，在常溫(25,℃)下，當(dāng)原水 pH值調(diào)節(jié)為 9～11，CN-∶O3為 1∶4.8，曝氣時(shí)間為25,min，還原時(shí)原水pH值調(diào)節(jié)至4，F(xiàn)eSO4·7,H2O∶Cr(VI)為25∶1，Ca(OH)2∶Cr(VI)為13∶1，納濾進(jìn)水壓力在0.1～0.5,MPa范圍內(nèi)時(shí)，處理后氰化物、鉻及其他重金屬如鋅、銅、鎘等的含量均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

電鍍廢水處理 臭氧破氰 還原沉淀處理六價(jià)鉻 納濾法

我國民營的中小型電鍍企業(yè)較多，其技術(shù)裝備水平參差不齊，廢水大多混合排放。排放的電鍍廢水不僅濃度高，成分也復(fù)雜，往往含 CN-、Cr6＋，又含有Cu2＋、Ni2＋、Zn2＋、Cd2＋等重金屬離子，處理穩(wěn)定達(dá)標(biāo)較困難，隨著國家對減排力度的加大和實(shí)施更嚴(yán)格的排放指標(biāo)，尋找一種經(jīng)濟(jì)有效的治理工藝就顯得尤為重要。

本研究旨在對電鍍廢水中 CN-、Cr6＋等離子的去除方法進(jìn)行探索，并通過實(shí)驗(yàn)找出最佳工藝條件，為實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原水水質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)所用原水為常州市某電鍍廠的電鍍廢水，該電鍍廢水的污染物濃度及相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)如表 1所示。

表1 常州市某電鍍廢水污染物濃度及相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Pollutant concentrations of effluent and relative discharge standards in an electroplating plant in Changzhou

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

由表1可見，該電鍍廢水中所含六價(jià)鉻和氰化物超過《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 21900—2008)中所規(guī)定的最高允許排放濃度，因此，該電鍍廠的電鍍廢水處理主要考慮降低六價(jià)鉻和氰化物的濃度，使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

含氰含鉻廢水的處理方法有很多，通過對常用處理方法的對比，擬采用臭氧破氰法去除廢水中氰化物，用 FeSO4-Ca(OH)2還原沉淀法去除原水中的六價(jià)鉻化合物。由于原水中含六價(jià)鉻化合物濃度較高，單純化學(xué)法可能不能去除完全，擬再采用納濾法處理化學(xué)還原沉淀后的上清液，使出水各種重金屬離子濃度進(jìn)一步降低，達(dá)到《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 21900—2008)中所規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.1 臭氧破氰實(shí)驗(yàn)

臭氧能夠氧化氰化物和硫氰酸鹽，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下[2]：

本次實(shí)驗(yàn)所用臭氧由江蘇省海門市匯豐臭氧設(shè)備有限公司生產(chǎn)的顧氏臭氧發(fā)生器制得。取兩份原水水樣各1,000,mL，分別標(biāo)記為水樣1和水樣2，將水樣1的pH值調(diào)節(jié)至9～11，水樣2不作調(diào)整(pH值為 6～7)以作對比。分別用上述臭氧發(fā)生器制得的臭氧曝氣，進(jìn)行臭氧破氰，測定出水中總氰化物的濃度。實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)如表2所示。

表2 臭氧破氰實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)Tab.2 Test conditions and parameters for cyanide breaking by ozone

1.2.2 硫酸亞鐵—?dú)溲趸}法處理含鉻廢水實(shí)驗(yàn)

含鉻廢水在酸性條件下，用硫酸亞鐵將 Cr(VI)還原為Cr3＋，再加入氫氧化鈣作沉淀劑，使Cr3＋及其他金屬離子沉淀下來。反應(yīng)式如下[3]：

用硫酸亞鐵—?dú)溲趸}法處理含鉻廢水，還原時(shí)的 pH值、還原劑硫酸亞鐵的投加量、沉淀劑氫氧化鈣的投加量都對去除效果有一定程度的影響。

①pH值對Cr(VI)去除率的影響。由化學(xué)反應(yīng)式計(jì)算得到，還原劑 FeSO4·7,H2O與 Cr(VI)的質(zhì)量比約為 16∶1，但實(shí)際上往往會高于理論值。于是，取含 Cr(VI)＝26.27,mg/L的原水樣 6份，每份各50,mL于 50,mL具塞比色管中，每份水樣中按FeSO4·7H2O∶Cr(VI)＝25∶1加入FeSO4·7,H2O后，再分別用稀HCl調(diào)節(jié)溶液的pH值，充分反應(yīng)后加入過量 Ca(OH)2進(jìn)行沉淀，沉淀完全后測定上清液中Cr(VI)的濃度，得出該反應(yīng)的最佳pH值。

②FeSO4·7,H2O投加量對Cr(VI)去除率的影響。取含 Cr(VI)＝26.27,mg/L的原水樣 6份，每份各50,mL于50,mL具塞比色管中，分別加入稀HCl調(diào)節(jié)溶液的pH值至①實(shí)驗(yàn)中得到的最佳pH值，每份水樣按不同的還原劑投加比加入 FeSO4·7,H2O，充分反應(yīng)后加入過量 Ca(OH)2進(jìn)行沉淀，沉淀完全后測定上清液中Cr6＋的濃度，得出最佳FeSO4·7,H2O投量。

③Ca(OH)2投加量對 Cr3＋沉淀效果的影響。取含 Cr(VI)＝26.27,mg/L的原水樣 6份，每份各50,mL于50,mL具塞比色管中，分別加入稀HCl調(diào)節(jié)溶液的pH至①實(shí)驗(yàn)中得到的最佳pH值，每份水樣中按②實(shí)驗(yàn)得出的最佳 FeSO4·7,H2O投量加入FeSO4·7,H2O，充分反應(yīng)后按不同的沉淀劑投加比加入Ca(OH)2進(jìn)行沉淀，沉淀完全后測定上清液中Cr3＋的濃度，得出最佳Ca(OH)2投加量。

1.2.3 納濾法深度處理實(shí)驗(yàn)

納濾是介于超濾和反滲透之間的一種壓力驅(qū)動膜過程，不僅可以截留低分子量物質(zhì)，而且對溶解性無機(jī)鹽具有一定的截留能力。[4]

納濾的試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 納濾試驗(yàn)裝置Fig.1 Nanofiltration test device

其中微濾器為孔徑 5,μm、長度 20寸的組件；納濾器系美國 Filmtec(Dow Chem．Co.)的螺旋卷式納濾膜，本實(shí)驗(yàn)使用的納濾膜的基本性能見表3。

表3 NF270-2540納濾膜的基本性能參數(shù)Tab.3 Basic performance parameters of NF270-2540 nanofiltration membrane

由于實(shí)驗(yàn)用水量較大，本次實(shí)驗(yàn)用自來水配制與化學(xué)法處理后主要離子濃度相同的實(shí)驗(yàn)用水進(jìn)行模擬。將配制好的實(shí)驗(yàn)用水接入水箱，待水位達(dá)到 2/3高度后，開啟納濾進(jìn)水閥和濃、淡水出口閥門。啟動原水泵，待壓力指示正常后再開啟高壓泵。觀察高壓泵出口壓力和濃水側(cè)壓力，通過濃水管路上的閥門來調(diào)節(jié)壓力以研究不同壓力對于處理效果的影響。

1.3 分析項(xiàng)目與方法

采用硝酸銀滴定法測定總氰化物含量；[5]采用直接吸入火焰原子吸收法測定鉻、鎘、銅和鋅的濃度；[5]使用便攜式pH 計(jì)測定pH值。

2 結(jié)果與討論

2.1 臭氧破氰

根據(jù) 1.2.1的方法進(jìn)行臭氧破氰實(shí)驗(yàn)，測定實(shí)驗(yàn)出水中總氰化物含量，得出水樣1和水樣2的出水中氰化物濃度分別為1.07,mg/L和0.21,mg/L。

由此可知，當(dāng)原水 pH值調(diào)節(jié)為 9～11，臭氧發(fā)生器進(jìn)入氧氣量為 2.5,L/min，臭氧曝氣時(shí)間為25,min時(shí)，處理效果比不調(diào) pH值時(shí)好。此時(shí)，原水中氰化物去除率達(dá)到 98.36%,，出水中氰化物濃度為0.21,mg/L，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 硫酸亞鐵—?dú)溲趸}法處理含鉻廢水

2.2.1 pH值對Cr(VI)去除率的影響

根據(jù)①的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測定上清液中 Cr(VI)的濃度，計(jì)算出不同pH值下Cr(VI)的去除率，得出的不同pH值與Cr(VI)去除率的關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同pH值與Cr(Ⅵ)去除率關(guān)系圖Fig.2 Relational graph of pH values with Cr(Ⅵ)removal rates

根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)原理，方程式Cr2O72-＋14H＋＋6,Fe2＋＝2,Cr3＋＋6,Fe3＋＋7,H2O的吉布斯自由能變方程為：

其中 ΔrGmθ(T)為標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變，對特定的反應(yīng)方程式為定值：C表示濃度，通常 C＜1,mol/L；T表示熱力學(xué)溫度；上標(biāo)a、b表示化學(xué)計(jì)量數(shù)；下標(biāo)d表示還原離子。ΔrGm(T)＜0時(shí)，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，且此值越小，反應(yīng)潛力越大。越大，ΔrGm(T)越小。表觀上看，就是pH值越低，還原率R越大。[6]

FeSO4的還原效果隨 pH值變化幅度較小，這大概跟鐵氧體的形成有關(guān)。在堿性條件下，F(xiàn)e2+、Fe3+、Cr3+、OH-等形成共沉體——鐵氧體，消耗廢水中的Fe3+、Cr3+、OH-，促使方程式 Cr2O72-+14H++6Fe2+＝2Cr3++6Fe3++7H2O向右移動，加大向右反應(yīng)進(jìn)程。[6]

由圖2可以看出，當(dāng)pH值為4時(shí)，Cr(VI)的去除率最高。由以上兩種因素綜合考慮，該還原反應(yīng)需要酸性條件，但是反應(yīng)液酸性過大也將減小還原率。因此，實(shí)驗(yàn)得出的該反應(yīng)最佳 pH值為 4符合理論分析。

2.2.2 FeSO4·7,H2O投加量對Cr(VI)去除率的影響

根據(jù) 2.2.1的分析，將實(shí)驗(yàn)原水的 pH值調(diào)整至4。根據(jù)②方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測定上清液中 Cr6+的濃度，計(jì)算出不同 FeSO4·7,H2O投加量下 Cr(VI)的去除率，得出不同 FeSO4·7,H2O投加量與 Cr(VI)去除率的關(guān)系如圖3。

圖3 不同F(xiàn)eSO4·7H2O投加量與Cr(Ⅵ)去除率關(guān)系圖Fig.3 Relational graph of different FeSO4·7H2O dosages with Cr(Ⅵ)removal rates

由反應(yīng)方程式計(jì)算得，還原劑 FeSO4·7,H2O與Cr(VI)的質(zhì)量比約為 16∶1，但由于此反應(yīng)會生成鉻鐵氧體，因此實(shí)際還原劑用量會比理論值大。由圖 2可以看出，當(dāng) FeSO4·7H2O∶Cr(VI)＝25∶1時(shí)，Cr(VI)的去除率已經(jīng)與再提高 FeSO4·7,H2O投加量后的去除率大致相同了?？紤]經(jīng)濟(jì)因素可以確定，最佳還原劑投加量為FeSO4·7H2O∶Cr(VI)＝25∶1。

2.2.3 Ca(OH)2投加量對Cr3+沉淀效果的影響

根據(jù)2.2.1和2.2.2節(jié)的分析，將原水的pH值調(diào)整至 4，每份水樣中按 FeSO4·7,H2O：Cr(VI)＝25∶1加入FeSO4·7,H2O，根據(jù)1.2.3節(jié)的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測定上清液中 Cr3+的濃度，計(jì)算出不同 Ca(OH)2投加量下 Cr3+的沉淀率，得出不同 Ca(OH)2投加量與Cr3+沉淀率的關(guān)系如圖4。

圖4 不同Ca(OH)2投加量與Cr3+沉淀率關(guān)系圖Fig.4 Relational graph of different Ca(OH)2dosages with Cr3+deposition rates

由圖4可以看出，當(dāng)Ca(OH)2∶Cr(VI)＝13∶1時(shí)，沉淀率已經(jīng)達(dá)到98.48%,。之后，再增加Ca(OH)2投加量，沉淀率雖然繼續(xù)增大，但是增加幅度已經(jīng)很小?？紤]到經(jīng)濟(jì)因素，選取Ca(OH)2∶Cr(VI)＝13∶1就可以達(dá)到令人滿意的沉淀效果。

2.3 納濾法深度處理

根據(jù) 1.2.3的方法，配制了不同 Cr3+濃度的實(shí)驗(yàn)用水進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)用水 Cr3+濃度分別為0.26,mg/L、0.30,mg/L、0.75,mg/L時(shí)，進(jìn)水壓力與Cr3+去除率關(guān)系圖如圖5。

圖5 不同原水Cr3+濃度進(jìn)水壓力與去除率關(guān)系圖Fig.5 Relational graph of intake pressure with Cr3+removal rate for raw water with different Cr3+concentrations

由圖 5可以看出，原水 Cr3+濃度越高，去除率越高；同一原水 Cr3+濃度下，一級膜前壓越高，去除率越低；另外實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，隨壓力增大，濃水流量逐漸減小，淡水流量逐漸增大。

根據(jù)電鍍行業(yè)的水質(zhì)要求，電導(dǎo)率為 250～1,000,μS/cm，25,℃時(shí)，適用于預(yù)處理和中間處理及不重要的電鍍過程(氰化鍍銅、鍍鋅及磷酸處理)[7]?？梢?，不同壓力下的出水(淡水)都滿足此回用要求。因此，該電鍍廠實(shí)際水處理工藝中，可以根據(jù)設(shè)備的耐壓程度以及水流量的關(guān)系靈活選擇進(jìn)水壓力。而且，如果選用更好的納濾膜，處理效果可以更好，出水電導(dǎo)率可以進(jìn)一步降低，滿足更高要求的回用條件。

3 結(jié) 論

臭氧破氰時(shí)，當(dāng)原水 pH 值調(diào)節(jié)為 9～11，CN-∶O3為1∶4.8，臭氧曝氣時(shí)間為25,min時(shí)，處理效果比不調(diào) pH值時(shí)好。此時(shí)，原水中氰化物去除率達(dá)到 98.36%,，出水中氰化物濃度為 0.21,mg/L，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

化學(xué)法還原六價(jià)鉻化合物處理時(shí)，還原時(shí)溶液pH值為4，F(xiàn)eSO4·7H2,∶Cr(VI)＝25∶1，Ca(OH)2∶Cr(VI)＝13∶1時(shí)，Cr6+的去除效果最好。此時(shí)，鉻的去除率達(dá)到了 97.07%,，而且溶液中剩余的鉻已經(jīng)由六價(jià)變?yōu)槿齼r(jià)，濃度為0.77,mg/L。

經(jīng)過臭氧破氰法和化學(xué)還原法處理該電鍍廢水后，出水各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，納濾法為備選的方法，可以進(jìn)一步降低三價(jià)鉻等離子的濃度。在納濾法中，原水Cr3+濃度越高，去除率越高；同一原水 Cr3+濃度下，一級膜前壓越高，去除率越低；隨壓力增大，濃水流量逐漸減小，淡水流量逐漸增大?！?/p>

［1］ 環(huán)境保護(hù)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB 21900—2008電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2008.

［2］ 徐元勤，張恒. 臭氧氧化處理氰化廢水的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 遼寧化工，2001，30(9)：373-374.

［3］ 張學(xué)洪，呂炳南，馮令艷. 含氰含鉻電鍍廢水處理技術(shù)的研究[J]. 哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，32(6)：27-30.

［4］ 張顯球，張林生，呂錫武. 納濾處理含 Cr(VI)廢水的試驗(yàn)研究[J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2005，6(3)：25-27.

［5］ 國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會. 水和廢水監(jiān)測分析方法[M]. 4版，北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［6］ 楊廣平，張勝林，張林生. 含鉻廢水還原處理的條件及效果研究[J]. 電鍍與環(huán)保，2005，25(2)：38-40.

［7］ 沈健. 電鍍混合廢水回用技術(shù)探討[J]. 給水排水，2000，26(10)：38-40.

An Experimental Study of Treatment of Electroplating Wastewater with CN-and Cr6＋

ZHANG Yiran，DONG Jie
(Tianjin TEDA Water Co.，Ltd.，Tianjin 300457，China)

The method of Ozonation-reduction and Precipitation-nanofiltration was used to treat electroplating wastewater with CN-and Cr6＋and the impacts of pH value，reactant dosage reaction time and pressure conditions on the treatment effects were studied．The results showed that cyanides，chromium and other heavy metals such as zinc，copper and cadmium in the effluent all met the emission standards when pH value of the raw water was adjusted to 9～11，CN-：O3was 1∶4.8，ozonation time was 25,min；when reduction，pH value was adjusted to 4，F(xiàn)eSO4·7H2O∶Cr(VI)was 25∶1，Ca(OH)2∶Cr(VI)was 13∶1 and inlet pressure of nanofiltration was 0.1～0.5,MPa.

electroplating wastewater treatment；removal of cyanides by ozonation；removal of Cr(VI)by reduction and precipitation；nanofiltration

TV211

A

1006-8945(2016)07-0092-04

2016-06-07