家具水性漆噴涂廢水的混凝條件優(yōu)化

李美萍，董海山，鄭 雪

(西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 6100002)

水性漆是以水為稀釋劑的環(huán)保型涂料[1]，目前在家具行業(yè)中使用的比例越來越高。家具水性漆噴涂廢水產(chǎn)生于家具生產(chǎn)企業(yè)的水簾噴漆室[2]。由于水性漆中含有大量聚合物成膜物質(zhì)(如丙烯酸樹脂等)、顏料(如鈦白粉、鉻黃等)、成膜助劑、消泡劑、流平劑、防腐劑等多種成分[3]，家具水性漆噴涂廢水中含有一定的有機(jī)溶劑和難降解的有機(jī)染料，屬于高濃度有機(jī)廢水[4]。其色度、濁度高，固體懸浮物含量高，化學(xué)需氧量高，可生化性差，成分復(fù)雜，采用常規(guī)的生化處理方法進(jìn)行處理較難實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放[5-6]。

本試驗(yàn)以某家具生產(chǎn)企業(yè)的水性漆噴涂廢水為研究對象，采用聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鐵(PFS)、硫酸鐵(Fe2(SO4)3)和硫酸鋁(Al2(SO4)3)為混凝劑，以聚丙烯酰胺PAM為助凝劑，研究四種混凝體系對試驗(yàn)廢水進(jìn)行處理效果。并綜合對比廢水的處理效果和經(jīng)濟(jì)成本，確定優(yōu)化的混凝劑及試驗(yàn)參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)廢水

表1 廢水水質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)廢水取自某家具生產(chǎn)企業(yè)水簾噴漆室循環(huán)水池，廢水的水質(zhì)如表1所示。試驗(yàn)廢水的B/C值很小(0.16<0. 3)，可生化性差[7]，不宜采用生物處理法，同時(shí)廢水中SS濃度較高，因此考慮采用混凝沉淀法處理[8]。

1.2 儀器與試劑

六聯(lián)攪拌器(ZR2-6)、節(jié)能COD恒溫加熱器(JHR-2)、電子天平(FA2004)。

工業(yè)級聚合氯化鋁(PAC)、工業(yè)級聚合硫酸鐵(PFS)、工業(yè)級硫酸鐵(Fe2(SO4)3)、工業(yè)級硫酸鋁(Al2(SO4)3)、工業(yè)級聚丙烯酰胺(PAM)、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、濃硫酸、氫氧化鈉。

1.3 試驗(yàn)方法

取若干200 mL的水樣，分別置于250 mL燒杯中。使用pHS-3C型pH計(jì)、H2SO4、NaOH調(diào)節(jié)水樣pH值至相應(yīng)范圍。之后分別投加一定量的混凝劑，將水樣置于ZR2-6型攪拌機(jī)下進(jìn)行攪拌。首先以160 r/min的轉(zhuǎn)速快速攪拌2 min，再投加適量助凝劑(PAM)，以60 r/min進(jìn)行慢速攪拌 5 min。靜置一定時(shí)間后，取上清液測 COD剩余濃度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 混凝劑最佳投加量

取水樣調(diào)節(jié)pH值為5.0，再分別投加不同量的四種混凝劑，首先以160 r/min轉(zhuǎn)速快速攪拌2 min，再以60 r/min轉(zhuǎn)速慢速攪拌5 min。試驗(yàn)結(jié)果如圖1。

由圖1可知，選用四種不同混凝劑，隨著混凝劑投加量的逐漸增加，試驗(yàn)廢水的COD去除率均先升高后有所降低。其中PFS對COD的去除效果最好，投加量為250～500 mg/L的COD去除率均高于其它四種混凝劑同水平投加量下的COD去除率。當(dāng)PAC投加量為350 mg/L時(shí)，試驗(yàn)廢水的COD去除率達(dá)到最高，為62.85%；當(dāng)PFS投加量為400 mg/L時(shí)達(dá)到最佳去除效果，其COD去除率為72.48%；Fe2(SO4)3的最佳投量為400 mg/L時(shí)，其COD去除率為71.90%；Al2(SO4)3的最佳投量為350 mg/L，COD去除率達(dá)為53.13%。

圖1 混凝劑投加量對污染物的去除效果

水性漆噴涂廢水中的大分子有機(jī)物以及懸浮顆粒物與混凝劑互相聚合而形成絮凝膠體，通過脫穩(wěn)沉淀的作用使得去除效果增強(qiáng)。當(dāng)混凝劑投加量超過最佳投加量，污染物去除率均有所降低，其原因可能是由于過量的混凝劑與廢水發(fā)生再穩(wěn)現(xiàn)象，導(dǎo)致膠體凝聚受阻[9]，降低了COD的去除率。

2.2 最佳初始pH值

取水樣分別調(diào)節(jié)初始pH值為3、4、5、6、7、8、9、10，再分別投加最佳量的不同混凝劑進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖2。

圖2 初始pH值對污染物的去除效果

由圖2可知，隨著pH值的升高，四種混凝體系對試驗(yàn)廢水中COD的去除率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。PFS在pH值=5～8范圍內(nèi)對COD去除效果較好，F(xiàn)e2(SO4)3在pH值=4～7范圍內(nèi)對COD去除率較高，PAC和Al2(SO4)3最適初始pH值范圍分別為3～5和4～6。PFS和Fe2(SO4)3的pH值適用范圍較寬。另外，四種混凝體系的最佳初始pH值均出現(xiàn)在酸性條件下。有兩種解釋，一種可能是因?yàn)樗云峋哂袎A溶性，在酸性條件下容易發(fā)生脫穩(wěn)現(xiàn)象，去除了大量的色漿膠體。第二種可能是因?yàn)橛捎谕都拥幕炷齽┦菐в懈邇r(jià)正電荷的聚電解質(zhì)，而水性漆噴涂廢水中的有機(jī)高分子帶負(fù)電荷[10]，在酸性條件下電中和作用更強(qiáng)，廢水中各分子表面電荷斥力較大，且溶脹比最大，分子表面電荷發(fā)生變化，破壞了溶液分子間的穩(wěn)定性，使膠體脫穩(wěn)，從而色漿懸浮顆粒的混凝沉降效果顯著提高[11]。而在堿性條件下，廢水中各種物質(zhì)的分子表面電荷斥力和溶脹比均較小，溶液分子間的穩(wěn)定性較強(qiáng)。

2.3 最佳沉淀時(shí)間

分別設(shè)置不同的沉淀時(shí)間20、30、40、50、60、70、80、90 min。試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 沉淀時(shí)間對污染物的去除效果

由圖3可知，對于四種混凝體系，隨著沉淀時(shí)間的延長，試驗(yàn)廢水的COD去除率均呈現(xiàn)先升高后趨于平穩(wěn)的趨勢。PAC混凝體系中沉淀時(shí)間從20 min延長至60 min期間，廢水COD的去除率亦呈明顯上升趨勢，從42.54%提高至71.48%，其最佳沉淀時(shí)間為60 min；PFS混凝體系中沉淀時(shí)間從20 min延長至50 min期間，廢水COD的去除率從40.89%提高至71.32%，其最佳沉淀時(shí)間為50 min；Fe2(SO4)3混凝體系中沉淀時(shí)間從20 min延長至60 min期間，廢水COD去除率從39.71%提高至61.55%，其最佳沉淀時(shí)間為60 min；Al2(SO4)3混凝體系最佳沉淀時(shí)間為50 min，廢水COD的最高去除率52.85%。四種混凝體系達(dá)到最佳去除效果時(shí)的沉淀不盡相同，說明不同混凝劑的沉降速率不同。

2.4 最佳PAM投加量

在上述已取得最佳的條件基礎(chǔ)上，加入助凝劑PAM，設(shè)置不同的PAM投加量，分別為1～8 mg/L，試驗(yàn)結(jié)果如圖4。

圖4 PAM投加量對污染物的去除效果

由圖4可知，對于四種混凝體系，投加助凝劑PAM都能在一定程度上增加對試驗(yàn)廢水COD的去除率，并且隨著PAM投加量的增加，去除率呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢。其中PAC混凝體系PAM的最佳投加量為6.0 mg/L，試驗(yàn)廢水COD去除率相較于未使用PAM分別提高了11.06%；PFS混凝體系PAM的最佳投加量為5.0 mg/L，試驗(yàn)廢水COD的去除率提高了7.01%；Fe2(SO4)3混凝體系PAM的最佳投加量為5.0 mg/L，試驗(yàn)廢水COD的去除率相較于未使用PAM提高了6.45%； Al2(SO4)3混凝體系PAM的最佳投加量為6.0 mg/L，COD、SS去除率相較于未使用PAM提高了4.00%。綜合比較，投加助凝劑PAM對PFS和PAC混凝體系廢水處理效果增強(qiáng)更明顯。

助凝劑PAM是一種線狀的有機(jī)高分子聚合物，同時(shí)也是一種可以吸附水中懸浮顆粒雜質(zhì)的高分子水處理絮凝劑，在顆粒之間起吸附架橋作用。在PAM的架橋作用下廢水中的小顆粒雜質(zhì)形成大的絮團(tuán)，沉降速度加快，因此試驗(yàn)廢水處理效果增強(qiáng)。

2.5 經(jīng)濟(jì)成本比較

當(dāng)前聚合氯化鋁PAC市場價(jià)格約為4000元/t，聚合硫酸鐵PFS為價(jià)格約為2600元/t，硫酸鐵(Fe2(SO4)3)和硫酸鋁(Al2(SO4)3)價(jià)格分別約為2800元/t、2400元/t，聚丙烯酰胺PAM 價(jià)格約為7600元/t。代入四種混凝體系的最佳混凝劑和助凝劑投加量，經(jīng)濟(jì)成本可用以下公式計(jì)算：

C=Q1·X1+Q2·X2

(1)

其中，C-Fenton氧化法處理成本(元/m3)；

Q1-混凝劑的單價(jià)(元/t)；

Q2-助凝劑的單價(jià)(元/t)；

X1、X2-最佳條件下的藥劑投加量(mg/L)。

表2 經(jīng)濟(jì)成本核算結(jié)果

由表2可知，選擇Al2(SO4)3作混凝劑處理廢水的費(fèi)用最低，其次是PFS。考慮到PFS在pH值=5～8的范圍內(nèi)對廢水處理效果較好，而原水pH值在6.8左右，因此可不調(diào)節(jié)pH值，省去使用酸堿的成本。

3 結(jié)論

(1)PFS投加量為250～500 mg/L的COD去除率均高于其它四種混凝劑同水平投加量下的COD去除率，對COD的去除效果最好。

(2)PFS在pH值=5～8范圍內(nèi)COD去除效果較好，F(xiàn)e2(SO4)3在pH值=4～7范圍內(nèi)COD去除率較高，而PAC和Al2(SO4)3的最適初始pH值范圍分別為3～5和4～6。PFS和Fe2(SO4)3的pH值使用范圍較寬。

(3)PAC、PFS、Fe2(SO4)3、Al2(SO4)3的最佳沉淀時(shí)間分別為60、50、60、50 min，不同混凝劑的沉降速率不同。

(4)經(jīng)過處理效果和經(jīng)濟(jì)成本的綜合分析，推薦選用PFS作為混凝劑處理家具水性漆噴涂廢水。