磁絮凝分離法處理噴水織機(jī)廢水的試驗(yàn)研究

王成賢，何艷芬，吳振榮

(1.嘉興學(xué)院 南湖學(xué)院 化學(xué)與紡織工程系，浙江 嘉興 314001；2.嘉興市秀洲區(qū)綜合科技服務(wù)中心，浙江 嘉興 314000；3.浙江衛(wèi)斯敦環(huán)境科技有限公司，浙江 嘉興 314019)

噴水織機(jī)作為當(dāng)前中國紡織業(yè)中應(yīng)用范圍廣泛的織造裝備之一, 其優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)量高、質(zhì)量好、織造費(fèi)用低。同時(shí)，噴水織機(jī)也是用水大戶和排污大戶，每臺(tái)噴水織機(jī)要消耗自來水或者處理過的河水2.5～3.0 t/d。目前，我國已擁有噴水織機(jī)約30多萬臺(tái)，年用水量高達(dá)4.5億t[1]。由于在織造工序中使用漿料以及潤滑脂的原因，排放的廢水中COD、BOD、SS、LAS、石油類等指標(biāo)超標(biāo)，造成水質(zhì)的污染。如不能很好地對(duì)廢水資源進(jìn)行處理，再循環(huán)利用，將會(huì)造成嚴(yán)重的水資源的浪費(fèi)和環(huán)境污染。

浙北某區(qū)約有噴水織機(jī)7萬臺(tái)，全區(qū)每天織機(jī)污水產(chǎn)生總量高達(dá)20萬t，目前，噴水織機(jī)行業(yè)廢水處理及中水回用工作存在回用率低和回用水質(zhì)量不過關(guān)等問題?？棛C(jī)噴頭堵塞、鋼筘腐蝕加快等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致中水回用工作無法得到有效落實(shí)。水資源匱乏問題日益突出，已成為我國制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素之一。因此噴水織機(jī)廢水治理越來越受到關(guān)注，廢水處理及循環(huán)回用工作的研究顯得尤為重要[2]。

噴水織機(jī)廢水處理可分為三個(gè)階段，分別是去除SS為主的預(yù)處理段、去除 COD為主的強(qiáng)化處理段和去除離子為主的深度處理段。

預(yù)處理段不足以達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)，通常還需使用混凝沉淀或氣浮等手段。倪露等人[3]采用破乳調(diào)節(jié)-氣浮-過濾工藝處理噴水織機(jī)廢水，出水達(dá)到噴水織機(jī)回用標(biāo)準(zhǔn)。周雪峰[4]等人采用格柵-混凝-氣浮工藝對(duì)噴水織機(jī)廢水進(jìn)行預(yù)處理，效果顯著。但是由于使用混凝劑，氣浮出水的電導(dǎo)率大幅增加，從150 μs/cm上升到了1500 μs/cm左右。強(qiáng)化處理段：此階段的作用在于進(jìn)一步去除預(yù)處理段出水所含的殘余COD物質(zhì)。龐浩然等[5]采用BAF工藝處理紡織工業(yè)園區(qū)的噴水織機(jī)廢水，可使噴水織機(jī)廢水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)規(guī)定的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)， 但無法達(dá)到噴水織機(jī)的回用標(biāo)準(zhǔn)。BAF能否在混凝沉淀的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善水質(zhì)以達(dá)到噴水織機(jī)回用水標(biāo)準(zhǔn)，有待進(jìn)一步研究。

深度處理段的作用在于去除廢水中的陰陽離子物質(zhì)以降低電導(dǎo)率。陳云根等[2]采用氣浮-快濾-陰陽離子交換-精密過濾工藝處理噴水織機(jī)廢水，控制了回用水的懸浮物、色度、電導(dǎo)率及表面張力，可以穩(wěn)定滿足噴水織機(jī)的用水要求。

所以，未來應(yīng)該減少PAC等絮凝劑的使用量，以期在不增加廢水電導(dǎo)率的情況下提高強(qiáng)化處理段出水水質(zhì)。而磁絮凝技術(shù)恰恰符合了這一特征，可以在保證廢水處理效果的同時(shí)，大大減少絮凝劑的使用量。磁分離技術(shù)是利用各種物質(zhì)磁性的差別，在不均勻磁場中實(shí)現(xiàn)分離的一種方法[6]。本身具有磁性的物質(zhì)可以直接進(jìn)行磁分離，本身無磁性的物質(zhì)可以通過投加磁粉磁化后進(jìn)行分離[7]。磁粉本身對(duì)廢水中的油類、膠態(tài)物質(zhì)具有良好的吸附能力[8]；磁粉還能使膠體的碰撞次數(shù)增多，形成磁絮體的機(jī)會(huì)加大。此種特性恰好對(duì)應(yīng)了噴水織機(jī)廢水膠體COD比例大，且含油的特點(diǎn)。因此，將磁分離技術(shù)應(yīng)用于噴水織機(jī)廢水處理具有較大的研究價(jià)值。

然而，單獨(dú)使用磁粉處理含油廢水，雖然操作簡單，費(fèi)用較低，但出水含油量難以達(dá)標(biāo)。因此為了提高處理效果，試驗(yàn)在加入磁粉的同時(shí)加入絮凝劑與助凝劑，使絮凝作用得到強(qiáng)化，可得到較好的處理效果[9]。

總之，目前針對(duì)噴水織機(jī)廢水的處理方法多半僅僅停留在能使其達(dá)標(biāo)排放的階段。并且在實(shí)際的投產(chǎn)中大都存在著處理工序復(fù)雜，處理成本高，污泥含水率高，回用水電導(dǎo)率高，腐蝕設(shè)備嚴(yán)重，雜質(zhì)容易導(dǎo)致織機(jī)噴頭堵塞等問題。使得噴水織機(jī)廢水的回用問題，一直無法得到很好地解決。因此，急需對(duì)噴水織機(jī)廢水的處理和回用技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步深入研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴水織機(jī)廢水的處理和回用，做到環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)一。

1 試驗(yàn)條件與方法

噴水織機(jī)廢水取自某浙北地區(qū)某鎮(zhèn)(噴水織機(jī)紡織廠集聚地)的污水處理站。磁粉Fe3O4純度>98%，粒徑主要集中在2～12 μm。絮凝劑聚合氯化鋁(PAC)含量(以Al計(jì))≥12%，溶液濃度為10 g/L。助凝劑聚丙烯酰胺(PAM)，相對(duì)分子質(zhì)量>5×106溶液濃度為5 g/L。

首先取一定量的噴水織機(jī)廢水，試驗(yàn)PAC、PAM加入量對(duì)其凈化效果，確定最佳工藝參數(shù)。然后，根據(jù)以上工藝參數(shù)，研究投加磁粉的磁絮凝效果，即考察磁粉與絮凝劑加入量的匹配關(guān)系及加料順序、攪拌條件對(duì)噴水織機(jī)廢水處理效果的影響。

實(shí)驗(yàn)每次取250 mL廢水置于250 mL量筒中，按照不同的實(shí)驗(yàn)條件分別加入磁粉、絮凝劑和助凝劑后，對(duì)廢水進(jìn)行攪拌，再將量筒置于用來提供外部磁場的強(qiáng)力磁鐵上20 min，使磁性絮體分離沉淀。對(duì)處理后的出水，分別測定其COD、含油量等指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 工藝參數(shù)的確定

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，對(duì)于COD濃度在300～350 mg/L的噴水織機(jī)廢水，PAC的最佳投加量為260 mg/L，在控制PAC投加量為260 mg/L的條件下，改變PAM投加量20～40 mg/L，通過實(shí)驗(yàn)可知，隨著PAM的投加量增加，噴水織機(jī)廢水的絮凝效果愈加明顯，但是PAM投加量增加到32 mg/L時(shí)，廢水的絮凝效果不再發(fā)生更明顯的改變，因此確定PAM最佳加入量為32 mg/L。這是因?yàn)橹齽┘尤牒蟾纳屏藦U水中絮凝反應(yīng)的環(huán)境,加快了絮凝劑與水中膠體顆粒的絮凝反應(yīng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出，絮凝劑和助凝劑按一定比例投加時(shí)效果較好,否則助凝劑PAM過量投加后，絮凝后的絮狀物不容易固液分離從而影響出水水質(zhì)。由此確定，PAC和PAM的投加量分別為260 mg/L、32 mg/L。

2.2 磁粉對(duì)污泥的沉降速度、體積的影響

用量筒取250 mL噴水織機(jī)廢水置于500 mL的燒杯中，同時(shí)加入PAC 260 mg/L和磁粉80 mg/L，并以250 r/min的速度進(jìn)行攪拌2 min。再加入PAM 32 mg/L以50 r/min的速度慢攪5 min后，將燒杯內(nèi)的水倒入250 mL的量筒中。將250 mL量筒置于提供磁場的強(qiáng)力磁鐵上，記錄沉降20 min時(shí)污泥的體積以及當(dāng)污泥沉降到20 mL時(shí)的時(shí)間，同時(shí)比較不加磁粉時(shí)污泥的沉降情況。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，并以改變PAC和PAM的投加量，進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 絮凝與磁絮凝條件下的污泥體積和污泥沉降速度對(duì)比

由表1可知，在絮凝劑投加量相同的條件下，加入了磁粉后自然沉降的污泥體積與不加磁粉相比增加了1/5，這是由于噴水織機(jī)廢水中的雜質(zhì)并不多，磁粉的加入與否并不影響長時(shí)間絮凝反應(yīng)形成污泥的體積，而且因?yàn)榇欧鄣募尤雽?dǎo)致廢水中的雜質(zhì)的增加，最后污泥體積增加；而達(dá)到相同體積的污泥時(shí)，磁絮凝分離的時(shí)間要比自然沉降所需的時(shí)間少1/3左右，這是由于磁粉的加入增加了水中懸浮顆粒物的數(shù)目，提高了顆粒之間的碰撞幾率，同時(shí)在鋁鹽絮凝劑的吸附架橋作用下形成了以磁粉為核心的磁性絮體。

在磁場中，磁性粒子所受磁力公式為:

Fm= Xm·V·H(dH /dL)

磁絮凝過程中，水中的懸浮顆粒因吸附在磁粉上而具有磁性，這就導(dǎo)致了磁性粒子的體積V的增大，從而使磁場力Fm增大，使絮體的沉降速度加快。

重復(fù)上述試驗(yàn)，同時(shí)改變磁場強(qiáng)度(以使用1塊強(qiáng)磁鐵作為1個(gè)單位的磁場強(qiáng)度)，控制沉降時(shí)間為 30 min，考察噴水織機(jī)COD去除率的變化，試驗(yàn)結(jié)果見表2 。

表2 不同磁場強(qiáng)度對(duì)磁絮凝分離后污水COD的影響

由表2可知，隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)，出水的COD濃度逐漸降低，在四個(gè)單位磁場強(qiáng)度下COD的去除率大約比一個(gè)單位磁場強(qiáng)度下COD的去除率要高出20%。這正是由于磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)導(dǎo)致磁性粒子磁化率的增大，從而使磁場力增大的結(jié)果。同時(shí)由于場強(qiáng)的增加使帶有磁性的顆粒之間的吸引力增加，污泥得到有效地沉降。

2.3 磁粉加入量對(duì)磁絮凝處理噴水織機(jī)廢水的影響

用量筒取250 mL噴水織機(jī)廢水置于500 mL的燒杯中，加入PAC 260 mg/L和磁粉，改變磁粉加入量為40～160 mg/L，并以250 r/min的速度攪拌2 min。加入PAM 32 mg/L以50 r/min的速度慢攪5 min，將水倒入250 mL的量筒中。再將量筒置于1塊的強(qiáng)力磁鐵上模擬一個(gè)單位磁場場強(qiáng)，并進(jìn)行磁分離沉降。靜置后取上清液，用COD測定儀中測其COD量并記錄；同時(shí)用分光光度計(jì)測量上清液的含油量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

含油量計(jì)算公式：

式中：C0—被測水樣的含油量，mg/L；

E—被測水樣的吸光度；

V0—萃取液總體積，mL；

Vw—被測水樣體積，mL；

K—吸光度系數(shù)，L/mg；

N—稀釋倍數(shù)。

表3 磁粉加入量對(duì)磁絮凝分離后出水COD、除油率的影響

由表3可知，經(jīng)磁絮凝處理后的出水中COD濃度隨著磁粉使用量的增加而改變，出水COD濃度先降低后上升。這是由于，當(dāng)磁粉加入量飽和時(shí)，多余的磁粉不再和絮凝劑絮體結(jié)合形成緊密的磁性粒子，導(dǎo)致出水水質(zhì)下降。根據(jù)含油量公式和表3可知，在磁粉投加量為80 mg/L時(shí)，出水含油量最低較最高含油量降低1/2，但是由于數(shù)值過小，總體的出水含油量相差不大。一方面是因?yàn)榇欧蹖?duì)噴水織機(jī)廢水中的油類、膠態(tài)物質(zhì)具有較好的吸附能力；磁粉的加入使水中的懸浮顆粒增加，膠體的碰撞次數(shù)增多，形成絮體的機(jī)會(huì)加大。另一方面由于噴水織機(jī)廢水中的油類，膠體物質(zhì)含量較少，加入一定量的磁粉后使水中的膠體大部分都形成了磁絮體，導(dǎo)致再增加磁粉的量也不能進(jìn)一步降低出水的含油量。分析確定磁粉最佳加入量為80 mg/L。

2.4 絮凝劑加入量對(duì)磁絮凝處理噴水織機(jī)廢水的影響

用量筒取250 mL噴水織機(jī)廢水置于500 mL的燒杯中，加入磁粉80 mg/L和PAC，改變PAC加入量200～320 mg/L，并以250 r/min的速度攪拌2 min。根據(jù)PAC投加量改變相應(yīng)的PAM的投加量，PAM投加量范圍：20～44 mg/L。將量筒置于1塊的強(qiáng)力磁鐵上模擬一個(gè)單位的場強(qiáng),并進(jìn)行磁分離沉降。靜置后取上清液，用COD測定儀中測其COD量并記錄；同時(shí)用分光光度計(jì)測量上清液的含油量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同絮凝劑對(duì)磁絮凝分離出水COD、出水吸光度影響

由表4可知，當(dāng)磁粉加入量為80 mg/L時(shí)，一開始隨著絮凝劑PAC投加量的增加，出水COD和出水含油量都隨著投加量的增加而降低，在PAC投加為240 mg/L時(shí)，出水COD和出水含油量達(dá)到最低，比不加磁粉時(shí)PAC的最佳加入量(260 mg/L)要少1/3。這是因?yàn)殡S著磁粉投加量的增加，在一定程度上改變了膠體和懸浮顆粒的表面性質(zhì)，使膠體或懸浮顆粒之間的吸引能大于排斥能促進(jìn)了凝聚，從而使得PAC的使用量相應(yīng)減少。所以，當(dāng)磁粉投加量為80 mg/L時(shí)，最佳的PAC和PAM投加量分別為240 mg/L、28 mg/L。

2.5 加料順序?qū)Υ判跄幚韲娝棛C(jī)廢水的影響

在噴水織機(jī)COD濃度為300～350 mg/L的條件下，控制磁粉、PAC、PAM用量分別為80、240、28 mg/L，試驗(yàn)以下4種不同加料順序?qū)Τ鏊瓹OD濃度和含油率的影響：①首先同時(shí)加入磁粉和PAC快攪，然后加PAM慢攪；②先加磁粉，然后迅速加入PAC快攪，最后加PAM慢攪；③先加入PAC，然后迅速加入磁粉快攪，最后加PAM慢攪；④先加入PAC快攪，再加PAM，然后迅速加入磁粉后慢攪?？焖贁嚢杷俣葹?50 r/min，慢速攪拌速度為50 r/min；靜置后，取上清液用COD測定儀中測其COD量并記錄；同時(shí)用分光光度計(jì)測量上清液的含油量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同加料順序?qū)OD以及除油率的影響

由表5可知1～2加藥順序處理后出水COD和含油量相似，3～4加藥順序的處理結(jié)果相似。先加磁粉增加了水中的顆粒物的數(shù)量，使膠體有效碰撞次數(shù)增多，可以使水中的懸浮顆粒、膠體顆粒被磁粉吸附。所以只有磁粉和PAC幾乎同時(shí)加入，保證這兩種物質(zhì)在快速攪拌下充分接觸，才能形成有效的磁性顆粒，才能提高出水COD濃度和含油量的去除效果。如果最后加入磁粉，導(dǎo)致磁粉不能及時(shí)參加反應(yīng)，無法形成磁性絮體，懸浮物磁性不強(qiáng)，導(dǎo)致廢水含油量和COD去除效果不佳。因此，先加磁粉，緊接著加PAC快攪，最后加PAM慢攪為最佳的加藥順序。

2.6 攪拌條件對(duì)磁絮凝處理噴水織機(jī)廢水的影響

在噴水織機(jī)廢水COD為300～350 mg/L的條件下，控制磁粉、PAC、PAM用量分別為80、240、28 mg/L，加料順序?yàn)橄韧瑫r(shí)加入磁粉和PAC，然后加PAM，試驗(yàn)下列4種不同攪拌條件對(duì)反應(yīng)的影響：①快攪(400 r/min)2 min+慢攪(50 r/min)5 min；②快攪(250 r/min)2 min+慢攪(50 r/min)5 min；③快攪(150 r/min)2 min+慢攪(50 r/min)5 min；④快攪(150 r/min)2 min+慢攪(80 r/min)5 min。磁粉和PAC在快攪時(shí)加入，PAM在慢攪時(shí)加入；試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 不同攪拌速度對(duì)磁絮凝分離的影響

由表6可知，當(dāng)快攪速度為250 r/min，慢攪速度為50 r/min時(shí)出水COD濃度和含油量最低，磁絮凝分離效果較好。與其他各攪拌條件相比，較實(shí)驗(yàn)條件4的COD濃度降低17%，含油量大約降低69%。這是由于快攪速度過慢時(shí)，磁粉難以擴(kuò)散，導(dǎo)致磁粉與水中的固體顆粒接觸機(jī)會(huì)降低，形成磁性絮體的幾率減少，絮體的磁性減弱，處理效果不佳。而當(dāng)快攪速度為400 r/min時(shí)的效果和250 r/min時(shí)相差不大。因此，攪拌的速度并非越快越好，攪拌的目的是為了讓磁粉擴(kuò)散到整個(gè)水體，與水中的污染物充分接觸，更高的攪拌速度并不能提高磁粉的絮凝率。因此，最適宜的攪拌條件為快攪速度250 r/min，慢攪速度為50 r/min。

3 結(jié)論

(1)采用磁絮凝分離法處理噴水織機(jī)廢水是可行的，其處理效果比只加絮凝劑和混凝劑效果更加顯著。

(2)通過實(shí)驗(yàn)確定了磁絮凝分離法處理噴水織機(jī)廢水的最佳工藝參數(shù)。當(dāng)噴水織機(jī)廢水為344.1 mg/L時(shí)，其最佳投藥量的參數(shù)和過程為：磁粉加入量為80 mg/L，PAC與PAM的投加量分別為240 mg/L和28 mg/L；并且當(dāng)磁粉與PAC幾乎同時(shí)并進(jìn)行快攪拌，速度為250 r/min，加入PAM后慢速攪拌速度為50 r/min時(shí)，出水COD濃度為67.11 mg/L，較其他處理?xiàng)l件下的出水COD濃度降低20%左右，所以在最佳工藝參數(shù)和過程下凈水效果最好。

(3)加入磁粉進(jìn)行磁絮凝改善了廢水的絮凝效果，不僅能提高絮凝效果，縮短絮凝與沉降時(shí)間，大約能減少1/3的時(shí)間，還能減少絮體體積，實(shí)現(xiàn)快速分離。磁絮凝分離法處理噴水織機(jī)廢水可以更好的降低出水COD，較其他處理?xiàng)l件下的出水COD降低20%左右，還能有效降低出水含油量。這些優(yōu)點(diǎn)為縮短處理周期，減少了設(shè)備占地面積，降低污泥處理難度，以及節(jié)約費(fèi)用提供了可能。因此，磁絮凝技術(shù)在含油污水處理中有更廣闊的前景。

(4)磁絮凝分離法可以使出水或者回用水的電導(dǎo)率得到一定的控制。出水電導(dǎo)率和絮凝劑與助凝劑的使用量有關(guān)，在相同出水水質(zhì)要求的情況下，通過磁絮凝分離法處理噴水織機(jī)廢水可以有效的降低絮凝劑和助凝劑的使用量，由此可推斷，該處理方法能夠降低出水中的電導(dǎo)率。所以磁絮凝分離法能夠促進(jìn)噴水織機(jī)廢水的回用，并且緩解回用過程中設(shè)備腐蝕和噴頭堵塞的問題。