乳化液廢水硫酸鋁混凝破乳與硫酸溶解絮渣研究

張笑維，許芝，費洪劍，費慶志

(大連交通大學 環(huán)境與化學工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

在金屬加工過程中及材料制造業(yè)中，乳化液作為潤滑劑及冷卻液而使用，每年有著較大的排放量.這些乳化液主要含有有機油及礦物油[1]，還有表面活性劑及其他雜質.因為表面活性劑的存在降低了油水界面張力，形成了較強的界面膜，使得乳化液呈相對穩(wěn)定的狀態(tài).這類乳化液大都為COD高且較難處理的廢水.廢乳化液乳化程度高，化學性質穩(wěn)定，有機物濃度和含油量高，如果排放不當，將會對環(huán)境造成非常嚴重的污染[2].常規(guī)的乳化液廢水處理方式包括超濾法[3]，物理化學法[4]，化學法[5]，生物法[6]等.通常乳化液廢水的預處理過程先進行破乳，再進行油水分離.采用混凝方法進行乳化液廢水的預處理，可以在達到油水分離的同時，去除掉很多有機及無機污染物，且所用設備及操作手法簡單.相對的局限性較小[7].

本文以某工廠乳化液為研究對象，提出了以混凝為主要方法的生化前處理過程.在混凝過程中采用硫酸鋁作為混凝劑并對高分子絮凝劑進行篩選，篩選出最高效、經濟的絮凝劑，并確定其復配比例，這為后續(xù)的生化處理提供了保障.所產生的混凝絮渣屬于危險廢棄物，采用酸化法使用硫酸進行溶解，得到可循環(huán)使用的混凝劑，并證明其可行性.

1 材料與方法

1.1 原水參數(shù)

乳化液取自大連開發(fā)區(qū)某工廠，為O/W型乳化液.其表面有黑色浮油，乳化液呈乳黃色，有輕微油脂氣味，其水質見表1.

表1 乳化液原水參數(shù)

1.2 分析方法

COD：重鉻酸鉀法、BOD5：微生物傳感器快速測定法、氨氮：納氏試劑分光光度法、磷：鉬銻抗分光光度法、電導：電導率儀、pH：pH計、SS：重量法、含水率：重量法.

1.3 儀器及實驗藥品

儀器：KDB-ⅢCOD消解儀(青島科迪博電子有限公司)、98- 2磁力攪拌器(鞏義市子華儀器有限責任公司)、CP214電子天平(奧豪斯上海有限公司)、DGG- 9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海一恒科技有限公司)；pHS- 25實驗室pH計(上海今邁儀器儀表公司)、DDS- 11A數(shù)顯電導率儀(上海雷磁新涇儀器有限公司)、5000可見分光光度計(上海元析儀器有限公司)、SPX- 250BS-Ⅱ生化培養(yǎng)箱(上海躍進儀器).

藥品：重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、硫酸銀、濃硫酸、氫氧化鈉、鉬酸銨、酒石酸銻氧鉀、磷酸二氫鉀、鄰菲羅啉、碘化鉀、碘化汞、酒石酸鉀鈉、抗壞血酸、氯化銨、混凝劑為工業(yè)硫酸鋁(Al2(SO4)3·18H2O)，硫酸鋁含量為17.9%、陰離子型聚丙烯酰胺(分子量1 200萬)、陽離子型聚丙烯酰胺(分子量800萬)、非離子型聚丙烯酰胺(分子量700萬).

1.4 實驗方法

在常溫下(22℃)通過6組燒杯實驗對100 mL乳化液進行處理，用磁力攪拌器進行攪拌8 min，后靜置30 min.通過對上層清液COD去除率的研究，從而選擇最佳混凝劑投加量及最佳助凝劑與pH值.因為COD可以有效反應一定條件下有機物相對含量的指標，它反映了水中受還原物質的污染程度[8].

2 結果與討論

2.1 硫酸鋁最佳投加量

在使用酸堿控制pH相同(7.0)情況下依次投加不同量的混凝劑(干式投加).以剛開始出現(xiàn)沉淀時作為基礎投加濃度.

圖1為Al2(SO4)3·18H2O投加量對COD 去除率的影響，由圖可知在Al2(SO4)3·18H2O固體投加量為21 g/L時，此時COD的去除率達到最大，為78.91%.實際硫酸鋁用量為3.76 g/L.對于無機絮凝劑[9]，其性質及結構對絮凝作用影響巨大，因為不同的官能團，其極性、親水性、電荷性質及電荷中和對于膠體顆粒的吸附及反映效果均不相同.由于硫酸鋁水溶液呈酸性(pH≤2.5)，與堿性原水可以更好的作用，乳化液廢水表面通常帶有負電[5]，而酸性的高質子濃度會使得金屬陽離子存在方式得到增強，從而使溶液離子電性作用增強.存在吸附電性中和與壓縮雙電層的作用，破壞乳化液穩(wěn)定性，增強破乳目的.同時，在酸性條件下會破壞這些表面活性劑的平衡狀態(tài)，使這些脂肪酸和脂肪醇從水中游離出來，其混凝后的絮渣可以得到更好地循環(huán).

圖1 不同Al2(SO4)3·18H2O投加量條件下COD去除率

2.2 絮凝劑最佳投加量

在硫酸鋁投加量為3.76 g/L時，在相同pH下使用不同離子類型的PAM測定絮凝劑最佳投加量.設置6組100mL燒杯實驗，所用PAM均采用濕式投加方法，質量濃度為1‰.

由圖2可知，在不同形式的PAM在COD去除率達到最佳時，陰離子型PAM的相對用量較小，且相對價格較低.故選擇陰離子PAM為最佳絮凝劑，并根據其在0.005 g/100 mL左右的使用量進行優(yōu)化實驗.

圖2 不同PAM及其COD的去除率

由圖3可知在混凝劑硫酸鋁投加量3.76 g/L時，陰離子PAM的最佳投藥量為0.08 g/L，COD去除率為90.17%.可以看出有機高分子助凝劑在相對用量較少的情況下表現(xiàn)出較強的絮凝作用.在其隨著投加量的增加可得到相對較高的去除率，而在投加量過大時會出現(xiàn)膠體再穩(wěn)情況使得COD去除率出現(xiàn)波動.其最終的COD去除率大致相近，而區(qū)別主要體現(xiàn)在助凝劑的用量上.這是由于陰離子型助凝劑其有著更大的相對分子質量，在水中因分子內離子型集團相互排斥使得分子的伸展度比較大，從而在投加量相對較少情況下表現(xiàn)出良好的絮凝性.在使用了PAM情況下大大縮短了固液分離的時間(見表2).

圖3 陰離子PAM投加量條件下COD的去除率

表2 PAM對固液分離的影響

2.3 最佳pH值

在混凝劑硫酸鋁投加量3.76 g/L，助凝劑陰離子型PAM投加量0.08 g/L狀態(tài)下確定pH最佳投加量.通過HCl和NaOH調節(jié)pH范圍在5～10之間.

由圖4可知，最佳混凝pH在6.5～7.5左右，這是由于pH對于膠體表面的ζ電位以及絮凝劑的性質有很大作用.當pH<6.5(或>7.5)時[10]，水中的H+或OH-增高影響到越來越多的硫酸鋁水解，使部分藥劑的混凝作用失效，使得去除率下降.最終混凝后上清液達到表3指標.

圖4 最佳pH的確定

CODmg/LBOD5mg/LSSmg/L氨氮mg/L磷mg/L電導ms/cm絮渣含水率/%pH8.35×1031.04×1033132180.464.5388.07

2.4 混凝劑的回收

乳化液廢水經過混凝處理壓濾后會產生總體20%的絮渣，絮渣主要成分是Al(OH)3細小顆粒吸附大量微小油珠及其他雜質而形成.根據《國家危險廢物名錄》該沉淀屬于HW09型危險廢棄物.該絮渣不僅會在排放時產生污染，且每噸的處理價格高達4 000元以上.O/W型乳化液產生沉淀也無法進行焚燒.本實驗用濃硫酸對絮渣處理調節(jié)pH至0.5～2[11]之間，來達到混凝絮渣的去除及混凝劑的回收.用濃硫酸處理的混合液仍有混凝作用，其原理如圖5.

圖5 混凝劑循環(huán)使用原理圖

使用不同量的濃硫酸處理100 mL乳化液產生的廢渣，經過濾布過濾并進行擠壓(經過過濾含水率經在50%左右)，將此濾渣使用硫酸溶解，其結果見表4.

表4 濃硫酸處理絮渣結果

由表4可知硫酸最佳使用量為25～30 mL/L左右.酸溶時間為1 h，用酸酸化后，溶液中Al的存在形式會隨著pH的變化而變化.當pH<3.5時，主要以Al3+存在；pH= 5.5～7.5主要是以多核Al7(OH)174+，Al13(OH)345+，Al13(OH)327+等配位離子；當pH> 7.5時主要是Al(OH)4-.絮渣溶解時，使鋁的形態(tài)發(fā)生變化，大部分變?yōu)锳l3+，微小的油珠從絮渣中溶出，并聚集變大上浮，與水相分開.其回收后的混合液體積約為20 mL，對乳化液(100 mL)進行處理，產生絮渣后再次酸溶，反復處理乳化液，其結果如表5所示.

以混凝劑硫酸鋁處理乳化液COD的去除率達到50%以上計，回收混凝劑使用次數(shù)約在7次左右.在循環(huán)過程中，鋁的流失是導致去除率下降的主要因素，這一點可以從溶液的電導可以看出.并且原沉淀中殘留一部分PAM使得PAM的使用量大大減少.每升乳化液使用的濃硫酸量約為30 mL，NaOH 46.9 g，共計回收乳化油50 mL左右.整個過程中基本無絮渣的產生.

表5 混凝劑循環(huán)使用處理乳化液實驗

含油絮渣的處理需要專門的危險廢棄物處理公司，且處理的費用高達到4 000元/t，每噸乳化液產生約占總體積20%的絮渣.以此計算，若將乳化液直接交給危險廢棄物公司處理，處理費用一般達到2 000元/t左右.若采用常規(guī)藥劑處理方法處理每噸乳化液所需硫酸鋁的價格3.2元，PAM約1元，若將絮渣交予危險廢棄物公司，綜合處理費用每噸約800元左右.若采用硫酸鋁混凝及硫酸溶解絮渣方法，除常規(guī)藥劑費用外，加之硫酸每噸15元，NaOH 140元，綜合處理費用每噸小于200元，且采用酸溶乳化液不僅可以消除絮渣的排放，同時使得廢酸得到利用，更可回收油及混凝劑.直接的經濟效益達到1 800元/t以上.

3 結論

(1)在混凝劑為硫酸鋁及絮凝劑為陰離子型聚丙烯酰胺時，最佳使用量為3.76 g/L及0.08 g/L，最佳反應pH為6.5時，COD、SS去除率達到85%以上.其中BOD及氨氮的去除率也均超過了50%以上，這為后續(xù)的生化及其他處理方式大大減小了壓力;

(2)經混凝后會產生約占總體20%的絮渣.混凝絮渣經過酸化溶解，減少甚至消除混凝產生的絮渣，混合液中混凝劑得到回收，在工業(yè)上采用廢酸代替濃硫酸的同時達到以廢治廢的效果.直接的經濟收益達到1 800元/t以上.在實際工程應用可行;

(3)回收后的混凝劑仍然有循環(huán)使用的價值，可循環(huán)處理乳化液,循環(huán)次數(shù)約為7次左右.