電子廠電鍍廢水反滲透含鎳濃水處理工程實例

薛夢婷，李勇, *，楊肖滿，赫國勝

（1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000；2.蘇州思源環(huán)保工程有限公司，江蘇 蘇州 215000）

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國電鍍行業(yè)越來越發(fā)達，隨之產(chǎn)生的污染也越來越嚴重，每年產(chǎn)生的電鍍廢水約40億t[1]。污染物種類多樣、組分復(fù)雜是電鍍廢水的最主要特點，大部分含有銅、鉻、鎳、鋅、鎘、金、銀等多種重金屬污染物，以及大量添加劑、光亮劑等有機化合物[2]。人攝入鎳元素過多會導(dǎo)致中毒，頭發(fā)變白，也有可能患皮膚病。另外，鎳在自然環(huán)境中十分難降解，極易在生物體內(nèi)形成積累，破壞生物的正常代謝功能。因此，如果不對含鎳廢水加以處理，勢必會對環(huán)境和人體健康造成極大的危害[3]。目前，我國處理電鍍廢水常用的方法有化學(xué)沉淀法、膜分離法、氧化還原法、電化學(xué)法等[4]。膜分離技術(shù)因為具有操作簡單、凈化效率高、耗能較少等優(yōu)點而逐漸被應(yīng)用于我國電鍍廢水的處理中。反滲透(RO)是目前使用最多的膜分離技術(shù)，但這種方法對原水的回收效率只有60%～70%，且在此過程中會產(chǎn)生反滲透濃水。這種濃水通常具有重金屬鹽濃度高的特征，可生化性很差，處理起來十分困難[5]。江蘇某電子廠的電鍍廢水處理過程中便產(chǎn)生了大量含鎳濃水，亟待處理。

本工程針對上述反滲透產(chǎn)生的含鎳濃水的水質(zhì)特點，結(jié)合當(dāng)?shù)氐呐欧艠藴?，從提高凈化效率和?jié)省企業(yè)用水成本兩方面來考慮，在去除水中高濃度的鎳時選擇了先進行混凝沉淀預(yù)處理，再運用過濾吸附+超濾+離子交換的組合工藝，效果喜人。

1 工程概況

本工程處理的原水為純水系統(tǒng)及中水回用系統(tǒng)產(chǎn)生的濃水，要求處理至當(dāng)?shù)啬澄鬯幚韽S的接管標準。純水系統(tǒng)的原水為自來水和中水，因產(chǎn)生的純水要作為生產(chǎn)線用水，故在處理工藝中采用了兩級反滲透處理。中水系統(tǒng)的原水為電鍍廢水預(yù)處理后回用的高鎳和低鎳廢水。純水系統(tǒng)和中水系統(tǒng)中反滲透產(chǎn)生的濃水經(jīng)混合后便進入濃水處理系統(tǒng)中一起處理。濃水的水質(zhì)、水量以及出水水質(zhì)指標均見表1。

表1 原水水質(zhì)及出水標準Table 1 Properties of influent and requirements of effluent

2 廢水處理工藝

2.1 工藝流程

待處理濃水的主要特點為總鎳、COD以及SS較高，污染物種類多，處理較為困難。目前我國常用混凝沉淀法對含鎳的電鍍濃水進行凈化，這種方法具有操作簡單、成本低的特點。但是單一的混凝沉淀法對電鍍廢水中的鎳和有機物的去除效率不是特別理想，越來越滿足不了處理需要。膜分離工藝中的超濾技術(shù)以及離子交換技術(shù)可以深度去除電鍍廢水中一些難處理的重金屬(如鎳)，但其對進水的要求較高。廢水中其他組分的物理化學(xué)性質(zhì)不僅會影響超濾膜的去除效率，也影響膜的污染情況。因此采用了混凝沉淀+石英砂過濾+活性炭過濾的預(yù)處理。整個工藝流程見圖1。

圖1 電鍍廢水反滲透濃水處理工藝流程Figure 1 Process flow for treating the concentrate produced by reverse osmosis of electroplating wastewater

2.2 工藝原理分析

2.2.1 混凝沉淀段

由于純水系統(tǒng)和中水系統(tǒng)所產(chǎn)生的反滲透濃水在水質(zhì)和水量上都不是非常穩(wěn)定，因此要先進入濃水收集池進行均質(zhì)均量，再進入混凝池。通常pH為8～9時除磷效果最佳[6]，而pH為10～11時除鎳效果最佳[7]。在混凝反應(yīng)池內(nèi)，先通過投加適量的NaOH將pH控制在9～10的范圍內(nèi)，之后通過投加適量的聚合氯化鋁(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)使水中的懸浮細小顆粒、膠體和重金屬離子增大為容易沉降的絮狀體。混凝后的出水進入斜板沉淀池中進行固液分離。經(jīng)過混凝沉淀段后，水中的COD、鎳離子、SS、磷和氨氮均可以得到很大程度的去除。沉淀池出水進入中間水池，通過投加適量的硫酸調(diào)節(jié)pH至6～9后即可進行二次提升，送入后續(xù)處理設(shè)施中。斜板沉淀池中的污泥排入含鎳污泥池中，通過污泥壓濾機制成干泥后交由有資質(zhì)的單位處理。

2.2.2 石英砂過濾+活性炭過濾+超濾

這一階段的主要目的是對水中的COD、氨氮、SS和總磷進行深度處理，同時對鎳作進一步的去除。石英砂過濾器和活性炭過濾器主要是用作濃水進入超濾設(shè)備前的預(yù)處理。

中間水池的出水先進入石英砂過濾器，這一過程主要是在壓力的作用下通過過濾器中的石英砂介質(zhì)對濃水進行過濾。濾料的截留、粘附和吸附作用可以有效去除水中的懸浮顆粒、有機物、磷和鎳。石英砂過濾器具有過濾阻力較小，比表面積大，耐酸堿腐蝕性強，抗污染性優(yōu)良等特點。經(jīng)過濾料以及過濾器設(shè)計的優(yōu)化，石英砂過濾器在運行時對原水濃度、預(yù)處理工藝、運作條件等都有很好的適應(yīng)性。過濾時，濾料會自動形成上部較稀疏、下部密集的狀態(tài)。反洗時，過濾器內(nèi)的濾料會充分分散開來，清洗效率高。整個過濾過程速度快，精度好，截污量大。

經(jīng)過石英砂過濾后的濃水進入活性炭過濾器作進一步的凈化。由于活性炭的比表面積大，吸附能力強，因此濃水中的有機物、懸浮物等污染物都可以在此實現(xiàn)很大程度的截留，包括前幾級反應(yīng)中遺漏下來的小分子有機物。

石英砂過濾器和活性炭過濾器都具有運行效率高，可24小時連續(xù)運作，不需要停機進行反沖洗，運行維護費用少，投資省，進水水質(zhì)要求低，出水水質(zhì)穩(wěn)定，凈化效果好等特點，是極經(jīng)濟的超濾和離子交換預(yù)處理工藝。這兩個過濾階段產(chǎn)生的反洗水將進入廢水處理環(huán)節(jié)中的低鎳水池作進一步處理。

經(jīng)過石英砂和活性炭兩道過濾預(yù)處理工序后的濃水進入超濾系統(tǒng)。超濾是依靠超濾膜兩側(cè)的壓力差作為推動力，以錯流或者死端方式進行過濾的工藝，整個過程效率高，能耗小。濾膜可以使小分子物質(zhì)通過，截留膠體、蛋白質(zhì)、水溶性高聚物、細菌、芽孢等大分子和微粒，從而達到分離、分級、純化、濃縮的目的。前期投加的NaOH會與濃水中的鎳形成Ni(OH)2，它類似于生物大分子，較難進行沉降分離，超濾技術(shù)恰好可以解決該問題，進一步去除前幾道工藝未能去除的鎳。超濾過程還可以去除水中部分處于膠體態(tài)和懸浮態(tài)的COD。

2.2.3 離子交換樹脂

離子交換樹脂具有交換效率高、交換容量大、化學(xué)穩(wěn)定性強、機械強度高等特點。其主要凈化原理是令廢水中的重金屬離子與樹脂中的離子進行交換，從而大幅降低廢水中的重金屬離子濃度[8]。濃水在經(jīng)過除鎳樹脂之后，凈化水中的鎳離子可以得到有效的去除。這個階段反洗除鎳樹脂時產(chǎn)生的廢水也將進入廢水處理環(huán)節(jié)中的低鎳水池作進一步處理。

3 主要構(gòu)筑物及設(shè)備

3.1 濃水收集池

1座，設(shè)計尺寸為20.0 m × 3.5 m × 4.5 m，有效容積315 m3，鋼筋混凝土加防腐結(jié)構(gòu)。安裝附件包括：KB50032出水泵，2臺(一用一備)；電纜浮球型液位控制器(3點控制)，1套。

3.2 混凝反應(yīng)池

1座，設(shè)計尺寸為2.0 m × 6.0 m × 2.5 m，分3格(單格有效容積8 m3)，碳鋼加防腐結(jié)構(gòu)。安裝附件包括：JB-4kw不銹鋼反應(yīng)攪拌機，3臺；pH-101型pH控制器，1臺；OD90加藥泵，3臺。

3.3 斜板沉淀池

2座，設(shè)計尺寸為3.0 m × 3.6 m × 4.5 m，碳鋼加防腐結(jié)構(gòu)。安裝附件包括：18 m2斜板填料支架，規(guī)格φ50(含支架)。

3.4 中間水池

1座，設(shè)計尺寸為2.0 m × 6.0 m × 2.5 m，有效容積24 m3，碳鋼加防腐結(jié)構(gòu)。安裝附件包括：JB-4kw不銹鋼反應(yīng)攪拌機，1臺；pH-101型pH控制器，1臺；OD90加藥泵，1臺；G37-65出水泵(7.5 kW，304不銹鋼)，2臺；電纜浮球型液位控制器(3點控制)，1套。

3.5 石英砂過濾器

2座(一用一備)，設(shè)計尺寸為φ1 500 mm × 3 150 mm，壁厚6 mm，含石英砂(粒徑5 mm)，帶自動反洗系統(tǒng)，材質(zhì)為鋼襯膠。

3.6 活性炭過濾器

2座(一用一備)，設(shè)計尺寸為φ1 500 mm × 3 150 mm，壁厚6 mm，含活性炭(粒徑5 mm)，帶自動反洗系統(tǒng)，材質(zhì)為鋼襯膠。

3.7 超濾系統(tǒng)

SJ-UF2640-S型柱式超濾膜組件，20支。安裝附件包括：膜架，1套；3000LPP清洗水箱(帶磁翻板液位控制，壁厚12 mm)，2臺；CDL42-10清洗泵(304不銹鋼材質(zhì)，4 kW)，2臺；保安過濾器(304不銹鋼材質(zhì)，含20支過濾精度為5 μm的40″熔噴PP濾芯)，2套。

3.8 超濾出水系統(tǒng)

1座，設(shè)計容量5 000 L，PP材質(zhì)，壁厚15 mm，帶磁翻板液位計。安裝附件包括：CDL42-10超濾反洗泵(304不銹鋼材質(zhì)，4 kW)，2臺；CDL32-20-2出水泵(304不銹鋼材質(zhì)，3 kW)，2臺。

3.9 除鎳樹脂罐

2座，設(shè)計尺寸為φ1 500 mm × 3 150 mm，壁厚6 mm，帶自動反洗及再生系統(tǒng)，材質(zhì)為鋼襯膠，附除鎳樹脂。

4 工程調(diào)試效果

該工程于2017年底竣工，經(jīng)過幾個月的調(diào)試后整套濃水處理系統(tǒng)運行穩(wěn)定，出水水質(zhì)(見表2)達到了當(dāng)?shù)匚鬯畯S的接管標準。整套工程對重金屬鎳的去除率達到了99%以上。

表2 各污染物在不同處理階段的出水質(zhì)量濃度及去除率Table 2 Mass concentrations and removal rates of the pollutants after different treatment stages

5 經(jīng)濟技術(shù)指標

5.1 工程造價

本工程總造價為181萬元，分為直接費用和間接費用兩部分：直接費用是建造設(shè)施和購買設(shè)備的費用，為147.6萬元；間接費用是安裝、運輸和調(diào)試過程產(chǎn)生的費用，其中安裝及運輸費用為30.4萬元，調(diào)試費用為3萬元。

5.2 運行費用

運行費用包括電費、藥劑費和人工管理費三部分：(1) 電費：總耗電量為719.04 kW·h/d，電價按0.8元/(kW·h)計算的話，處理每噸水的電費為1.58元。(2) 藥劑費：本系統(tǒng)需加酸堿調(diào)節(jié)pH，投加PAC、PAM等藥劑進行物化反應(yīng)，日常運行及調(diào)試所需藥劑、化驗儀器等由廠方購置。經(jīng)核算，處理每噸水所需的藥劑費約為3.20元。

(3) 人工管理費：操作工2人，人工費3 000元/月，因此處理每噸水的人工費為0.55元。以上3項合計得出處理每噸水的運行費用為5.33元。

6 結(jié)語

采用混凝沉淀+過濾吸附+離子交換的組合工藝充分發(fā)揮了每種技術(shù)的優(yōu)勢，使反滲透處理電鍍廢水后產(chǎn)生的含鎳濃水得到了徹底的凈化。整套工藝流程簡明，構(gòu)筑物占地面積小，鎳的去除穩(wěn)定且高效，對有機物、懸浮物和總磷的凈化效率也達到60%～70%，美中不足的是對氨氮的去除效果一般。整套工藝出水水質(zhì)穩(wěn)定，各項指標均達到了當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S的接管標準。各處理設(shè)備自動化程度高，能耗少，處理效率高，運行后每噸水的處理成本為5.33元，經(jīng)濟效益好。

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