汽車(chē)空氣濾芯廠聚氨酯廢水處理的試驗(yàn)研究

徐文英 高浩陽(yáng)

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 上海 200092)

0 引言

聚氨酯(PU)是一類(lèi)應(yīng)用較廣的高分子材料，它在汽車(chē)零部件中得到廣泛應(yīng)用，在汽車(chē)用高分子材料中也占有相當(dāng)重要的地位。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的轎車(chē)大都使用聚氨酯密封端的空氣濾芯，它是將紙質(zhì)濾芯趁聚氨酯材料未完全固化之前插入其中而制成的[1]。在濾芯生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生少量聚氨酯(PU)廢水。目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有關(guān)于處理這種廢水的報(bào)道。

以某汽車(chē)空氣濾芯生產(chǎn)車(chē)間產(chǎn)生的PU廢水為研究對(duì)象，開(kāi)發(fā)出降解該廢水的工藝流程，并且通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)使該P(yáng)U廢水COD值降低到能夠直接排放到廠區(qū)內(nèi)的污水生化處理池。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)水樣

試驗(yàn)水樣為該汽車(chē)空氣濾芯生產(chǎn)廠家的PU廢水，為略帶乳白色的渾濁液，無(wú)特殊氣味，水里漂浮著小塊狀粉色的黏稠性PU物質(zhì)和少量礦物油。廢水COD約為 9 500 mg/L，pH值為7.4～7.5，每月需要處理水量為5～7 t。廢水中含有較多的表面活性劑和礦物油等成分，使得廢水形成穩(wěn)定的乳化狀態(tài)，增加了處理難度。

1.2 工藝流程

鑒于處理水量少的特點(diǎn)，擬采用“混凝—破乳—吸附”物化組合工藝處理該廢水，具體工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

采用混凝工藝對(duì)廢水進(jìn)行混凝處理，通過(guò)混凝劑的投加，水里漂浮著的小塊粉色PU物質(zhì)和少量礦物油被去除；向混凝后的廢水投加破乳劑，有效地破壞其乳化狀態(tài)，達(dá)到破乳的效果；采用活性白土吸附水里含有的溶解性有機(jī)物，使出水能按照生產(chǎn)廠家的工藝要求直接排放到廠區(qū)內(nèi)的污水生化處理池。

1.3 試驗(yàn)及分析方法

混凝試驗(yàn)階段，取500 mL水樣置于六聯(lián)攪拌器上，向水樣中投加一定量的聚合氯化鋁(PAC)和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(PAM)，快速攪拌(轉(zhuǎn)速150 r/min)2 min，慢速攪拌(轉(zhuǎn)速50 r/min)15 min，靜置20 min后取上清液測(cè)定其COD值，根據(jù)COD的去除情況確定PAC和PAM投加量。

破乳試驗(yàn)階段，取500 mL混凝后的上清液置于六連攪拌器上，向水樣中投加一定量的破乳劑和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(PAM)，快速攪拌(轉(zhuǎn)速150 r/min)2 min，慢速攪拌(轉(zhuǎn)速50 r/min)15 min，靜置20 min后取上清液測(cè)定其COD值，根據(jù)COD的去除情況確定破乳劑和PAM投加量。

吸附試驗(yàn)階段，取500 mL經(jīng)混凝和破乳后的上清液置于攪拌器上，向水樣中投加一定量的吸附劑，中速攪拌(轉(zhuǎn)速70 r/min)30 min，靜置30 min后取上清液測(cè)定其COD值，根據(jù)COD的去除情況確定吸附劑的用量。

COD采用常州三豐科技有限公司產(chǎn)的MIT-3F COD檢測(cè)儀測(cè)量，pH值采用臺(tái)灣產(chǎn)AZ8601酸度計(jì)檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝

通過(guò)改變混凝劑PAC和陽(yáng)離子PAM的投加量，探究其對(duì)混凝效果的影響(見(jiàn)圖2～圖3)。

圖2 PAC投加量對(duì)COD去除的影響(PAM投加量為15 mg/L)

圖3 PAM投加量對(duì)COD的影響(PAC投加量為500 mg/L)

由圖2可知，隨著PAC投加量的增加，廢水中的COD逐漸降低。PAC投加量達(dá)到500 mg/L的時(shí)候，COD從9 500 mg/L降到6 000 mg/L，去除率達(dá)到36.84%；PAC投加量增加到600 mg/L，水樣的COD略微增加。因此，確定混凝劑PAC的投加量為500 mg/L。

由圖3可知，COD隨著PAM量的增加而降低。當(dāng)PAM量達(dá)到15 mg/L時(shí)，COD降低到6 000 mg/L，繼續(xù)增加PAM的量到17 mg/L和20 mg/L，COD略微提升。因此，確定混凝試驗(yàn)PAM的投加量為15 mg/L?；炷龝r(shí)溶液分層明顯，處理后上清液呈半透明，略顯乳白色，底部沉淀物較多，主要為具有黏性的粉色PU和礦物油。

采用PAC作為混凝劑、PAM作為絮凝劑，兩種藥劑的投加量是影響混凝處理費(fèi)用的重要因素。目前每噸工業(yè)級(jí)PAC的價(jià)格約為1 200元，以每噸水的投加量為500 g，處理每噸水需要0.6元購(gòu)買(mǎi)PAC；每噸工業(yè)級(jí)陽(yáng)離子PAM約為10 000元，以每噸水的投加量為15 g，處理每噸水需要0.15元購(gòu)買(mǎi)陽(yáng)離子PAM。廢水在混凝沉淀單元的處理費(fèi)用合計(jì)約為0.75元。

2.2 破乳

經(jīng)過(guò)混凝處理后上清液的COD降為6 000 mg/L，如2.1節(jié)所述，該上清液為半透明略帶乳白色的乳化液。乳化液一般含有大量的表面活性劑、礦物油、添加劑等物質(zhì)，COD的濃度高，可生化性很差，屬于高濃度難降解廢水，排入水體會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的污染[2]。需要通過(guò)破乳進(jìn)一步去除或者降解COD。目前乳化液的處理可分為物理破乳處理、化學(xué)破乳處理、生物破乳處理和焚燒處理[3]。其中，化學(xué)破乳處理是傳統(tǒng)的處理方法，該方法具有處理效果顯著、設(shè)備組成簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本試驗(yàn)先采用簡(jiǎn)單的酸化法和絮凝酸化法處理水樣。

(1)酸化法試驗(yàn)。取100 mL 廢乳化液于燒杯中，向乳化液中加入硫酸調(diào)節(jié)pH值至2左右，攪拌10 min 后靜置20 min，觀察絮體沉淀效果，取上清液測(cè)COD濃度。

(2)絮凝酸化法試驗(yàn)。取100 mL 廢乳化液于燒杯中，向乳化液中加入PAC破乳，然后加硫酸調(diào)節(jié)pH值至2 左右，攪拌10 min 后靜置20 min，觀察絮體沉淀效果，取上清液測(cè)COD濃度。

如表1所示，酸化法和絮凝酸化法對(duì)該乳化廢水的破乳效果不佳，乳化液不分層，過(guò)濾后仍為渾濁乳液，COD去除率小于5%。因此，又采用幾種國(guó)產(chǎn)高分子高效破乳劑處理混凝后上清液。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，江蘇和河南產(chǎn)的液體破乳劑處理效果較好。用高分子破乳劑破乳時(shí)，先往水樣里投加一定量的破乳劑，同時(shí)改變陽(yáng)離子PAM的用量。

PAM的投加量在破乳過(guò)程中對(duì)COD影響如圖4所示。由圖可知，當(dāng)破乳劑投加量為3‰時(shí)，COD隨著PAM投加量的增加而不斷減小，PAM投加量達(dá)到15 mg/L時(shí)，COD降到2 550 mg/L，COD去除率達(dá)到36.32%(以原水COD為參比對(duì)象)。繼續(xù)增加PAM投加量到20 mg/L，COD的去除率達(dá)到37.16%，增加不明顯；當(dāng)PAM投加量達(dá)到25 mg/L時(shí)，COD還略微上升，去除率降低到35.37%。因此從經(jīng)濟(jì)角度考慮，確定PAM投加量為15 mg/L。

表1 破乳效果比較

圖4 破乳過(guò)程中PAM投加量對(duì)COD去除的影響(破乳劑用量3‰，產(chǎn)地：江蘇)

當(dāng)PAM投加量為15 mg/L時(shí)，破乳劑投加量對(duì)COD的影響如圖5所示。由圖可知，COD去除率隨著破乳劑投加量的增加不斷上升，當(dāng)破乳劑投加量為2‰時(shí)，COD降到2 250 mg/L，COD去除率達(dá)到39.47%；破乳劑投加量為2.5‰時(shí)，COD降到2 190 mg/L，COD去除率達(dá)到40.11%。繼續(xù)增加破乳劑的投加量到3‰，COD去除率反而下降到37.89%。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，確定破乳劑投加量為2‰。

圖5 破乳劑投加量對(duì)COD去除的影響(PAM投加量為15 mg/L)

綜上所述，在混凝后的上清液里投加2‰的破乳劑和15 mg/L的陽(yáng)離子PAM，COD從6 000 mg/L降到2 250 mg/L，COD 去除率達(dá)到39.47%。加入破乳劑，溶液里形成大量白色的小顆粒沉淀物，加入PAM后沉淀顆粒變大，沉降速度加快。靜置后溶液出現(xiàn)分層，廢水變?yōu)槌吻逡?，透明清亮，略顯乳白色。

上述高分子破乳劑的成本比較高，每噸售價(jià)15 000元，且2‰的投加量較大。嘗試采用離心分離的方法實(shí)現(xiàn)破乳將混凝后的上清液倒入離心管，然后以5 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心分離20 min后取出，破乳效果不佳，乳濁液的穩(wěn)定性很高。因此，還是決定采用江蘇產(chǎn)的某高分子高效破乳劑去除廢水里起乳化作用的表面活性劑、礦物油、添加劑等有機(jī)物。

2.3 吸附

經(jīng)混凝和破乳處理后水樣的COD值降到2 250 mg/L。該水不能直接排入廠區(qū)內(nèi)的污水生化處理池。嘗試采用吸附進(jìn)一步去除混凝和破乳后水樣里包含的溶解性COD，分別采用活性白土和粉末活性炭吸附有機(jī)物，然后測(cè)定吸附后出水的COD，得到表2中的結(jié)果。

表2 不同吸附劑對(duì)COD的去除 mg/L

注：吸附時(shí)間為30 min，吸附劑用量為水量的3%。

從表2可以看出，活性白土比粉末活性炭行之有效。在液相吸附中，中孔對(duì)大分子的吸附起著重要的作用，中孔含量越高，孔徑越大，吸附作用越強(qiáng)。活性白土孔隙結(jié)構(gòu)中孔比較發(fā)達(dá)，孔徑分布很寬，能很好地用于液相吸附[4]，有利于中等分子量的有機(jī)物和色度的去除[5]。而粉末活性炭的孔徑主要集中在微孔，試驗(yàn)中所用的椰殼粉末活性炭?jī)H含有少量中孔[6]，不能有效地吸附溶液中含有的中等分子量有機(jī)物。活性白土比粉末活性炭的價(jià)格便宜4/5～5/6；所以，該汽車(chē)空氣濾芯生產(chǎn)廠家將在后續(xù)工程運(yùn)行中采用活性白土吸附經(jīng)混凝和破乳后水樣里的溶解性有機(jī)物。活性白土吸附后水質(zhì)清澈透明，無(wú)色無(wú)味，看上去像自來(lái)水，觀感極佳。

通過(guò)改變活性白土的投加量，探究其對(duì)吸附效果的影響，如圖6所示。由圖可知，COD隨著活性白土量的增加而降低。當(dāng)活性白土量達(dá)到2%時(shí)，COD降低到468 mg/L，小于廠區(qū)生化處理池的進(jìn)水濃度650 mg/L。因此，確定活性白土的投加量為2%。

3 組合工藝處理成本核算

工藝流程每噸水處理成本計(jì)算：0.75+15×2+1.5×20=60.75元。

其中：0.75元為廢水在混凝沉淀單元的處理費(fèi)用；破乳階段，每公斤破乳劑售價(jià)15元，用量2‰；吸附階段，每公斤活性白土售價(jià)1.5元，用量2%。詳見(jiàn)表3。

圖6 活性白土投加量對(duì)COD去除的影響

表3 組合工藝對(duì)廢水COD的去除情況及藥劑用量

該工藝流程的運(yùn)行成本約為61元。實(shí)際應(yīng)用中，在破乳后一般采用氣浮進(jìn)一步降解COD，如果能通過(guò)氣浮去除剩下的部分或者全部溶解性COD的話(huà)，活性白土的用量將大大減少，整個(gè)工藝的運(yùn)行成本將減少10%～20%。需要處理的水量小，總的處理成本還是比較便宜的。以每月產(chǎn)水7 t為計(jì)，每個(gè)月的PU廢水總處理費(fèi)用為425元，遠(yuǎn)低于一家回收處理有毒有害難降解廢棄物的環(huán)保公司長(zhǎng)期以來(lái)提供的處理價(jià)格。

4 結(jié)論

采用“混凝—破乳—活性白土吸附”的物化組合水處理工藝降解汽車(chē)空氣濾芯廠的PU工藝廢水。該組合工藝能有效地去除PU廢水中的COD，總的COD去除率可達(dá)95%以上，工藝出水可以直接排入廠區(qū)內(nèi)的生化處理池。

混凝階段：PAC用量500 mg/L，陽(yáng)離子PAM用量15 mg/L，COD從9 500 mg/L降到6 000 mg/L，去除率達(dá)36.84%。

破乳階段：高分子破乳劑用量2‰，陽(yáng)離子PAM用量15 mg/L，COD從6 000 mg/L降到2 250 mg/L，去除率達(dá)39.47%。

活性白土吸附階段：活性白土用量3%，中速攪拌(轉(zhuǎn)速70 r/min)30 min使吸附完全，COD從2 250 mg/L降到468 mg/L，低于廠區(qū)內(nèi)生化處理池的進(jìn)水濃度650 mg/L，去除率達(dá)18.76%。