鎳系電鍍廢水處理工藝優(yōu)化探討

宋 濤

(同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092)

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鎳系電鍍廢水處理工藝優(yōu)化探討

宋 濤

(同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092)

針對太倉市某鎳系電鍍廢水處理所存在的問題，提出采用改良化學沉淀與離子交換聯(lián)用處理的優(yōu)化工藝，結果表明：該工藝運行穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)出水能夠符合國家《電鍍污染物排放標準》(GB21900-2008)要求。

電鍍廢水處理；鎳；離子交換；化學沉淀

1 引 言

在電鍍加工過程中，會產(chǎn)生一系列包括鍍件清潔用水、鍍件過濾用水和廢鍍液，以及由于操作不當和管理不善引起的污水，這些統(tǒng)稱為電鍍廢水[1]。概括而言，電鍍廢水中最主要的污染物質(zhì)為重金屬離子，如鉻、鎳、銅等；其次，氰化物類有毒物質(zhì)也存在于某些特定的電鍍廢水中；另外，在電鍍預處理過程中清洗下來的油脂、油污、塵土等雜質(zhì)也被帶入了電鍍廢水中[2]。隨著近年來工業(yè)的迅速發(fā)展，電鍍工業(yè)已成為當今全球3大污染工業(yè)之一[3-4]。電鍍在工業(yè)上應用廣泛而分散，如冶金、化工、機械、電子、軍工、航天等，且因其工藝不同及要求各異，因而電鍍行業(yè)產(chǎn)生的電鍍廢水也就變得非常復雜[5]。電鍍廢水的直接排放會帶來嚴重的環(huán)境問題，尤其是重金屬污染問題，電鍍廢水中的重金屬處理已成為當今社會亟待解決的環(huán)境問題[6]。

電鍍廢水中，鎳系電鍍廢水是最常見的廢水之一[1, 7]。鎳離子普遍存在于鍍鎳廢水中，其排放到環(huán)境中會對飲用水、農(nóng)作物的安全造成影響[8]。2008年，國家版布了新的《電鍍污染物排放標準》(GB21900-2008)，其中對電鍍廢水污染物特別排放限值作出明確規(guī)定：鎳系廢水(鎳為第一類污染物，因此含鎳廢水須單獨收集，單獨處理達標)中的總鎳排放標準為 0.1mg/L[9]。由于電鍍廢水較復雜，其含有大量氨氮、羧酸、醇等無機和有機絡合劑，能與水中的鎳離子生成溶解的絡合物，因此目前常用堿法處理后的鍍鎳廢水無法達到新的排放標準要求[10-11]。

以太倉市某電鍍廠為研究對象，該廠每天排放大量的電鍍廢水，其中鎳系廢水約為80m3/d，廢水排放執(zhí)行新標準中的特別排放限值。改造前，該企業(yè)處理鎳系廢水的工藝為化學中和沉淀法，而后經(jīng)生化處理，經(jīng)此工藝的電鍍廠出水無法達到國家新標準要求的總鎳排放0.1mg/L 以下?；诖耍狙芯繉υ搹S鎳系廢水處理工藝進行優(yōu)化改造，首先對鎳系廢水進行單獨分質(zhì)收集，然后通過氧化、重金屬捕捉劑、pH調(diào)節(jié)、混凝、沉淀等方式進行處理，最后再經(jīng)過離子交換樹脂系統(tǒng)處理。本文從工程應用的角度出發(fā)，研究并探討該工藝的實用性，以期對同行業(yè)或者類似水質(zhì)廢水提供技術參考和工藝改進新思路。

2 鎳系電鍍廢水水質(zhì)及其處理工藝流程現(xiàn)狀

太倉市某電鍍廠為綜合型電鍍廠，主要鍍種為鉻、鎳、銅、鋅等。該單位鎳系處理水量為8 t/h，每天運行10h。根據(jù)采樣實驗室分析數(shù)據(jù)，鎳系廢水進水水質(zhì)情況見下表。

表 太倉市某電鍍廠鎳系廢水水質(zhì)情況Tab. Water conditions of nickel electroplating wastewater treatment in Taicang city

該單位原有處理工藝主要為化學沉淀法，處理工藝流程現(xiàn)狀如下：

(1)pH調(diào)節(jié)。鎳系廢水通過提升泵送至pH調(diào)節(jié)池，使用液堿將pH值至10左右，使其中的鎳離子形成氫氧化鎳沉淀；

(2)沉淀。含有氫氧化鎳的廢水在沉淀池內(nèi)進行固液分離，氫氧化鎳沉淀至泥斗中，上清液自流至pH反調(diào)池中調(diào)整至中性。

經(jīng)實驗室分析監(jiān)測，上清液的出水濃度遠遠超過國家標準中0.1mg/L的特別排放限值。因此，該工藝無法確保鎳系出水穩(wěn)定達標排放，需要考慮對該套系統(tǒng)進行升級改造。

3 鎳系電鍍廢水處理工藝問題分析和流程優(yōu)化

3.1 現(xiàn)狀工藝流程問題分析

經(jīng)過研究，該廠鎳系廢水經(jīng)處理后不達標有多個方面的原因。首先，該廠的生產(chǎn)性質(zhì)決定了該廠的廢水組分復雜，除了鎳以外還含有銅、鋅等，而這些金屬的氫氧化物溶度積(Ksp)不同，造成了共存金屬離子不能在同一pH條件完成沉淀去除。其次，由于該廠電鍍工藝中使用了大量絡合劑，絡合劑在水中存在大量的羥基和羧基，這類基團相互作用，并且會與鎳離子絡合，吸附鎳離子。因此在向廢水中投加氫氧化鈉時，即使調(diào)節(jié)到很高pH值，氫氧根仍然無法與絡合鎳離子結合生成沉淀，這使得絡合態(tài)的鎳離子在高pH條件下仍能穩(wěn)定存在。再次，該廠現(xiàn)有含鎳廢水經(jīng)預處理后再與其它生產(chǎn)廢水混合集中處理，最終排放出水指標有可能達到國家新標準的要求，但不屬于車間或者生產(chǎn)設施廢水排放口，不符合新標準中特別排放限值的要求。因此需要將含鎳廢水單獨收集、單獨處理達標。最后，單獨的化學沉淀工藝，本身就存在出水水質(zhì)差的問題，因此該廠的單一化學沉淀工藝不能完全達到國家新標準的要求。

3.2 工藝流程優(yōu)化

該鎳系廢水處理系統(tǒng)的優(yōu)化升級改造從下面幾個方面進行：

(1)單獨分質(zhì)收集鎳系廢水。鎳系廢水的單獨分質(zhì)收集有利于該廢水的針對性處理，不僅可以提升處理效果，并且能夠節(jié)省藥劑。

(2)投加次氯酸鈉作為氧化劑，用于氧化絡合劑。

(3)在調(diào)整pH之前添加重金屬捕集劑。重金屬捕集劑相對于傳統(tǒng)的調(diào)整pH沉淀金屬離子，可以有效去除廢水中的絡合態(tài)金屬離子。

(4)增加離子交換樹脂工藝。離子交換樹脂的容量問題一直是其使用受限的重要原因，而如果能在離子交換樹脂工藝之前進行一定的預處理，則可同時滿足出水水質(zhì)并延長使用時間。

基于上述考慮，對該廠鎳系廢水處理工藝進行改造，改造后的工藝如下：

(1)廢水收集。從電鍍生產(chǎn)線源頭開始，對含鎳廢水進行單獨分質(zhì)收集，收集后的廢水單獨存放在鎳廢水調(diào)節(jié)池中，然后再進行后續(xù)處理。

(2)單獨收集的鎳系廢水的投藥處理

①首先將收集的鎳系廢水通過提升泵送至氧化池，在氧化池中投加次氯酸鈉作為氧化劑，氧化部分絡合劑。

②在氧化池的出水中，添加重金屬捕集劑，與廢水中的鎳離子進行化學反應，并在短時間內(nèi)迅速生成不溶性、低含水量、容易去除的絮狀沉淀，從而去除水中的大部分鎳離子。

③利用pH自動加藥系統(tǒng)在pH調(diào)節(jié)池中投加液堿至pH為10左右。為了使氫氧化鎳快速去除，通過計量泵投加聚合物PAM，氫氧化鎳的絮體將凝聚為大量的礬花。混凝主要用于去除水中的絮狀沉淀，使得較小的氫氧化鎳絮體形成較大絮體，從而加快絮凝顆粒的沉降速度。

④含大量礬花的混合液流入平流式沉淀池，在沉淀池內(nèi)實現(xiàn)固液分離，氫氧化鎳絮體沉入泥斗定期排入污泥池，上清液流至下一級構筑物。污泥池的污泥通過螺桿泵輸送至板框壓濾機脫水。濾出液回到廢水調(diào)節(jié)池，脫水后的干污泥外運處置。

(3)增加離子樹脂交換系統(tǒng)

鎳系廢水經(jīng)上述工藝處理后的出水濃度在0.1mg/L左右，仍然無法確保能夠穩(wěn)定達標排放。因此，應增加離子樹脂交換系統(tǒng)進一步進行處理。

離子交換樹脂是具有三維空間結構的不溶性高分子化合物，其活性基團可與水中的其他同性離子進行交換反應。鎳系廢水中的鎳離子可以采用陽離子交換樹脂吸附，包括強酸性和弱酸性樹脂。本研究經(jīng)過技術經(jīng)濟比較選用D113大孔陽離子吸附樹脂進行吸附，D113樹脂是在大孔結構的丙烯酸共聚體上帶有羧酸基(-COOH)的陽離子交換樹脂。交換時通常將樹脂轉(zhuǎn)為Na型。含鎳廢水流經(jīng)鈉型弱酸性樹脂層時，發(fā)生如下交換反應：

2R-COONa+Ni2+→(R-COO)2Ni+2Na+

通過該反應，廢水中的Ni2+被去除，而樹脂上的Na+進入水中。當全部樹脂層與Ni2+交換達到平衡時，用一定濃度的酸再生。

(R-COO)2Ni+2H+→2R-COONa+Ni2+

此時樹脂為H型，可以用NaOH再轉(zhuǎn)為Na型，從而實現(xiàn)離子樹脂的再生。

處理過程如圖1所示：

圖1 太倉市某電鍍廠鎳系廢水改進處理工藝流程Fig.1 Optimized processes of nickel electroplating wastewater treatment in Taicang city.

3.3 優(yōu)化工藝流程處理結果和分析

對該套鎳系廢水系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)進行了18次分段采樣，實驗室分析結果如圖2所示。

圖2 太倉市某電鍍廠鎳系廢水水質(zhì)隨時間變化情況：(a)廢水水質(zhì)；(b)經(jīng)改進處理工藝出水水質(zhì)Fig.2 (a) Raw wastewater and (b) the effluent water by the optimized processes of nickel electroplating wastewater treatment in Taicang city.

結果表明，相比于經(jīng)化學沉淀法處理后出水水質(zhì)，經(jīng)過該優(yōu)化系統(tǒng)處理后的出水中最終鎳離子的去除率能夠達到99.9%以上，出水可以穩(wěn)定低于0.1mg/L的排放限值，符合國家關于《電鍍污染物排放標準》(GB21900-2008)的要求。

該套系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)點：

(1)造價成本低，易施工，對鎳系廢水處理能力強。

(2)加入重金屬捕捉劑，能在常溫和很寬的pH值條件范圍內(nèi)，和鎳離子進行反應，在短時間內(nèi)迅速生成不溶性、低含水量、容易過濾去除的絮狀沉淀，便于后續(xù)處理。

(3)引入離子交換樹脂系統(tǒng)進行深度處理，該系統(tǒng)易操作，樹脂可重復使用，也易更換，降低了系統(tǒng)的運行和維護成本。

4 結 論

近年來，電鍍廢水的處理技術已經(jīng)受到普遍重視，關鍵是如何在已有處理設施的基礎上，增加一套簡便、有效的組合工藝來提高處理效果。本研究以太倉市某電鍍廠鎳系廢水為研究對象，對其鎳系電鍍廢水處理工藝進行了優(yōu)化研究，即提出采用化學沉淀與離子交換聯(lián)用處理的優(yōu)化工藝。研究結果表明，該工藝運行的鎳系出水能夠符合國家關于《電鍍污染物排放標準》(GB21900-2008)中特別排放限值的要求。本優(yōu)化工藝的實際應用，對電鍍廢水處理工藝的選擇、優(yōu)化具有一定的借鑒和指導價值。

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Discussion on the Process Optimization for Nickel Electroplating Wastewater Treatment

SONG Tao

(StateKeyLaboratoryofPollutionControl&ResourcesReuse,Shanghai200092,China)

In allusion to the current problems in the treatment of electroplating effluent in Taicang city, this article proposed an improved and optimized coupled treatment process of chemical precipitation and ion exchange. The results showed that this process was effective and stable, and the effluent water quality of this treatment system could conform to the requirements of Electroplating Pollutants Emission Standard (GB21900-2008).

Electroplating wastewater treatment; nickel; ion exchange; chemical precipitation

2016-02-01

宋 濤(1983-)，男，安徽全椒人，同濟大學環(huán)境工程專業(yè)2013級在職碩士研究生，主要研究方向為廢水處理技術。

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