海绵铁在焦化废水预处理中的应用研究.pdf

海绵铁在焦化废水预处理中的应用研究 刘艳娟 1 郭浩磊 2 曾正中 2 郝玉翠 1 1. 唐山学院环境与化学工程系, 河北 唐山 063000;2. 兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室 , 兰州 730000 摘要 采用静态和动态实验研究海绵铁预处理焦化废水。 静态实验在海绵铁粒径、投加量、废水 p H值和反应时间 4 个方面研究对处理效果的影响, 结果表明, 海绵铁处理焦化废水最适条件 粒径为 0. 5～ 1 m m、投加量为 20 g , p H为 6, 反应时间为 60mi n 。 动态实验研究海绵铁在不同水力负荷下对废水色度、氨氮、C O D的去除率, 结果表明 水力负荷 越小, 出水水质越好, 且明显改善焦化废水的可生化性, 从原水的 0. 19提高到出水的 0. 38。 海绵铁可作为焦化废水的 一种有效的预处理方法 。 关键词 海绵铁; 焦化废水; 预处理; 可生化性; 水力负荷 S T U D YO NT H EP R E T R E A T ME N TO FC O K I N GWA S T E WA T E RB YS P O N G EI R O N L i uY a n j u a n 1 G u oH a o l e i2 Z e n gZ h e n g z h o n g2 H a oY u c u i1 1.D e p a r t m e n t o f E n v i r o n m e n t a l ＆ C h e mi c a l E n g i n e e r i n g, T a n g s h a nC o l l e g e , T a n g s h a n063000, C h i n a ; 2. K e yL a b o r a t o r yo f We s t e r nE n v i r o n m e n t U n d e rM i n i s t r yo f E d u c a t i o n , L a n z h o uU n i v e r s i t y , L a n z h o u730000, C h i n a Ab s t r a c t S t a t i ca n dd y n a m i c t e s t s w e r eu s e dt os t u d yp r e t r e a t m e n t o f c o k i n gw a s t e w a t e r b ys p o n g e i r o n .T h ee f f e c t s o f p a r t i c l e s i z e＆d o s a g eo f s p o n g ei r o n , p Ho f t h ew a s t e w a t e r a n dr e a c t i o nt i meo nt h et r e a t i n ge f f e c t i v e n e s sw e r er e s e a r c h e db ys t a t i c t e s t .T h er e s u l t s h o w e dt h a t t h eo p t i m a l c o n d i t i o n s w e r e p a r t i c l es i z e0. 5～ 1mm , d o s a g e20 g , p H6 a n dr e a c t i o nt i m e60 mi n .T h er e mo v a l r a t e s o f c h r o m a , N H3- Na n dC O Do f t h ew a s t e w a t e r b ys p o n g ei r o nu n d e r d i f f e r e n t h y d r a u l i cl o a d s w e r ea l s o s t u d i e db y d y n a m i ct e s t .T h e r e s u l t s h o w e dt h a t t h el o w e r t h eh y d r a u l i c l o a d , t h e b e t t e r t h e q u a l i t yo f t h e e f f l u e n t , a n dt h e b i o - d e g r a d a b i l i t yo f t h ew a s t e w a t e r w a s i m p r o v e df r o m0. 19 i n f l u e n t t o0. 38 e f f l u e n t .I t w a se f f e c t i v em e t h o dt op r e t r e a t t h e c o k i n gw a s t e w a t e r b ys p o n g ei r o n . Ke y wo r d s s p o n g ei r o n ;c o k i n gw a s t e w a t e r ;p r e t r e a t m e n t ;b i o d e g r a d a b i l i t y ;h y d r a u l i cl o a d i n g 0 引言 焦化废水中含有多环芳香族化合物及含氮 、氧、 硫的杂环化合物等, 是一种典型的难降解工业废 水 [ 1] 。目前焦化废水常规方法是先进行预处理 , 然 后生物脱酚二次处理 ,但废水中氰化物 、C O D 及氨氮 等指标很难满足出水水质要求。近年来国内外学者 对多种焦化废水治理技术进行研究, 在这些研究中以 生物处理方法为主,结合其他传统的后续处理或预处 理工艺 。焦化废水预处理的过程中可将废水中氰化 物 、C O D 及氨氮等难降解指标降低到一定程度 ,为后 续生物处理降低负荷 。而废水的预处理技术中 ,海绵 铁的应用引起学者的广泛关注 。沈丽娜 [ 2] 等对海绵 铁处理低浓度含酚废水进行了研究, 发现海绵铁在降 解大分子色度构成物质中起到了至关重要的作用。 因此,本文拟对海绵铁在焦化废水预处理中的应用进 行研究 。 海绵铁是一种新型的水处理材料, 外观呈灰黑 色 ,主要成分为铁氧化物。海绵铁与传统水处理中的 铁屑相似, 具有比表面积大、比表面能高以及电化学 富集、氧化还原 、 物理吸附、絮凝沉淀性能好 ,价格低 廉 、 再生简单等优点。海绵铁的组成及各项性能指标 见表 1。 表 1 海绵铁的组成及各项性能指标 [ 3] 金属铁的 含量 / 碳 C 及其他 杂质含量 / 密度 / g c m- 3 堆积密度 / g c m- 3 粒径 /m m 903～ 42. 3 ～ 2. 781. 7 ～ 1. 8880. 5 ～ 3. 0 1 实验部分 1. 1 废水水质 实验所用废水取自唐山某焦化厂氨洗车间排放 8 环 境 工 程 2010年 2月第 28卷第 1期 废水, 水质指标见表 2。 表 2 焦化废水水质 ρ B O D5 / m g L - 1 ρ C O D / m g L - 1 ρ S S / m g L - 1 ρ N H3-N / m g L- 1 p H 色度 / 倍 1 096～ 1 197 5 478～ 5 983220 ～ 2401 2 074～13 18 5 6. 4 ～ 7. 3350 ～ 550 1. 2 静态实验方法 量取一定量的焦化废水于锥形瓶中, 加入适量的 海绵铁 ,室温下在转速为 120 r /m in 的恒温振荡器中 反应一段时间, 静置 30 m i n ,取上层清液用滤纸过滤, 去除悬浮物干扰 [ 4] ,分析检测各项指标 。 1. 3 动态实验方法 采用内径 36 m m ,长约 400 m m 的有机玻璃柱作 为动态实验装置 ,滤柱内部结构由下至上依次是承托 层 由不同粒径的鹅卵石按由大到小依次堆成 和 20 m m 左右的海绵铁填料层。 控制水力负荷分别在 1. 23, 1. 57, 2. 36, 4. 72 m 3 / m 2 d , 研究填料对废 水各项指标的去除效果。实验装置见图 1。 1水箱; 2进水; 3填料; 4出水 图 1 动态装置 2 结果与讨论 2. 1 静态实验 2. 1. 1 海绵铁粒径的影响 在投加量为 20 g , 反应时间为 60 m i n 条件下研 究不同粒径海绵铁对废水各指标的去除效果, 结果见 图 2。从图 2可看出, 海绵铁粒径越小处理效果越 好 。在粒径 0. 5 m m时 ,色度 、C O D 、 氨氮的去除率 分别达 85、30、22。海绵铁粒径越小 , 在废水 中形成的原电池越多 ,使电极反应、 絮凝过程、电场作 用增强 。另外,海绵铁粒径越小 ,其比表面积越大, 其 他条件相同的条件下 ,比表面能提高 ,吸附作用增强, 去除效果越好。但海绵铁粒径过小 ,在实际运行中, 其磨损率越大,水力阻力加大,成本增高。综合考虑, 选取 0. 5 ～ 1. 0 m m 的粒径为宜 。 图 2 海绵铁粒径对处理效果的影响 2. 1. 2 作用时间的影响 在海绵铁粒径为 0. 5 ～ 1. 0 m m ,投加量为 20 g 条 件下,改变反应时间以考察对废水的处理效果 。结果 见图 3。 图 3 作用时间对处理效果的影响 由图 3可知,各水质指标的处理效果随反应时间 延长呈上升趋势。 40 m i n 时, 对色度的去除率可达 80 以上 ,到 60 m in 时对 C O D 和氨氮的去除率分别为 32 和 28。当反应时间增加到一定程度时 ,去除率 总体趋于平缓 ,甚至出现略有下降趋势。海绵铁和废 水接触时间延长, 溶液中的各种反应进行充分。但同 时可能会使本已吸附在海绵铁上的物质发生脱附现 象 ,某些通过电极反应被分解的有机物也会重新生成 新的中间物质,导致 C O D 、 色度、 氨氮等物质增加,从而 使去除率降低。因此,反应时间应控制在 60 m i n 左右。 2. 1. 3 海绵铁用量的影响 在海绵铁粒径为 0. 5～ 1. 0 m m ,反应时间 60 m i n 条件下 ,改变海绵铁用量 ,以考察对废水处理效果的 影响, 结果见图 4。从图 4可知 , 随着海绵铁投加量 的增加 ,废水中 C O D 、氨氮 、色度去除率明显提高。 加入 20 g 海绵铁时可取得比较好的处理效果, 去除 率分别为 74、29、18。因此, 海绵铁用量以 20 g 为宜 。当海绵铁的投加量进一步增加时, 去除率趋 于缓和并且略有下降 , 说明反应生成的 F e 2等无机 离子可能会随过滤进入水样中引起干扰, 导致色度和 水中还原物质的增加 。 9 环 境 工 程 2010年 2月第 28卷第 1期 图 4 海绵铁用量对处理效果的影响 2. 1. 4 废水 p H对处理效果的影响 采用盐酸和氢氧化钠溶液调节废水 p H值分别 为 4、6、8、10、12, 研究在其他条件相同的情况下, 废 水的处理效果,结果见图 5。 图 5 p H值对处理效果的影响 由图 5 可知 , 酸性条件下海绵铁对废水中的 N H3- N 去除率较低 , 随 p H增加, N H3- N去除率明显 提高。 因为海绵铁在碱性条件下发生电极反应 O2 2H2O4e ※4O H -; 氨氮的硝化过程 N H 4 2O2※N O - 3 2H H2O 。在 N H3- N 转变成 N O - 3过 程中 p H降低, 所以随 p H的增加 , 促进废水 N H 3- N 的去除率提高, 当 p H为 12 时, N H3- N去除率达 67。但同时考虑在酸性条件下, 海绵铁对色度和 C O D 的去除效果明显好于碱性条件下的去除效果。 因此, 确定将 p H 值控制在弱酸性或中性 。 对焦化废水处理前后的可生化性进行检测 ,发现 废水经海绵铁预处理后, 可生化性明显改善, 从原水 的 0. 19提高到出水的 0. 38。 2. 2 动态实验 不同水力负荷对废水处理效果的影响见图 6。 随着水力负荷的提高 ,出水水质呈下降趋势。当水力 负荷为 1. 23 m 3 / m 2 d 时 ,对 C O D 、氨氮和色度去 除率分别为 46. 9、37. 2和 90。随着水力负荷 的增大 ,水力停留时间变短, 废水和海绵铁没有进行 充分反应,导致去除率下降, 但如果水力负荷过小会 影响实际工程中的处理量, 因此在实际运行中, 应保 持水力负荷不低于1 m 3 / m 2 d 。 图 6 不同水力负荷对处理效果的影响 2. 3 海绵铁板结机理分析 在动态实验过程中, 随着时间的延长, 海绵铁出 现板结现象 ,导致海绵铁无法正常取出 ,这是实际工 程应重视的问题 ,如一旦出现板结, 会使海绵铁与焦 化废水接触时间缩短, 使反应不够充分 ,而且会有部 分悬浮物穿过海绵铁和垫衬层 ,导致出水水质下降 。 2. 3. 1 海绵铁板结的原因 由于在中性或偏酸性的水体中海绵铁本身及其 所产生的新生态的 F e 3 可与水中的 P O3- 4等阴离子 发生化学反应,生成难溶的一层膜, 吸附在海绵铁的 表面, 使其发生板结 [ 5] 。 2. 3. 2 防止海绵铁板结的方法 根据相关资料可知, 添加一些多孔的吸附剂, 如 陶粒等 ,能很好的减缓板结现象的发生。多孔的吸附 剂提供巨大的缓冲空间,给生成的难溶物质提供附着 的场所 ,另一方面 ,海绵铁与加入的吸附剂相互接触, 也能在一定程度上使部分的难溶物质脱落 ,从而保持 海绵铁的活性。 3 结论 1 海绵铁预处理焦化废水 , 是由电化学作用、氧 化还原 、 电场作用 、絮凝沉淀以及物理吸附等共同作 用的结果。静态实验结果表明, 当 p H 为 6, 海绵铁粒 径 0. 5 ～ 1. 0 m m , 投加量 20 g , 反应时间 60 m i n 时 ,废 水中色度和 C O D 的去除效果最好。动态实验结果表 明 当水力负荷为 1. 23 m 3 / m 2 d 时, 海绵铁对废 水中 C O D 、 氨氮和色度去除率分别为 46. 9、37. 2 和 90。但考虑经济效益, 应维持水力负荷不低 于 1 m 3 / m 2 d 。 2 海绵铁预处理焦化废水 , 可明显改善废水的 可生化性 , 从原水的 0. 19提高到出水的 0. 38, 经济 可行 、 易于工业化 。因此 ,海绵铁可作为焦化废水预 处理材料。 下转第 13页 10 环 境 工 程 2010年 2月第 28卷第 1期 80 m m的蜂窝斜管,斜管倾角朝向进水端 。二沉池采 用一根穿孔管横向配水, 池面设 3个出水槽, 每槽有 2排三角出水堰 。二沉池上安装有吸泥机, 每架吸泥 机有 2台吸泥泵 。污泥回流比采用 0. 6 ～ 0. 8, 每日 定期排泥, 将接触氧化池中的活性污泥浓度控制在 2 000 ～ 3 000 m g /L 。 2. 7 清水池 清水池位于两个二沉池中的鼓风机房中, 也为半 地下式建造 ,钢混结构 。清水池平面尺寸 2 m2 m , 有效容积 13 m 3。清水池在高程 0. 8 m处设溢流口出 水 。设该池的目的是为了中水回用, 作为回用水泵的 吸水井 。回用水除用作污水处理站自身的反冲洗水 外还供给锅炉房冲灰水,节省厂区的耗水量。 2. 8 污泥、 废气和沼气处理设备 污泥脱水采用带式压滤机处理剩余污泥, 处理后 的污泥含水率为 70 ～ 80, 最终处置措施为外运。 废气进入废气吸收塔后进沼气燃烧地面火炬。废气 吸收系统将水解酸化池、 事故池和污泥浓缩池中的废 气用碱液吸收。地面火炬含自动点火装置 ,保证多余 的沼气燃烧后排放。 3 调试运行 该工程于 2008年 7月 1日进水启动运行 。前两 个月厌氧没有启动, 为水解酸化 - 接触氧化运行模 式 ,在调试 15 d 后达到满负荷运行, 出水勉强达标, 但剩余污泥量太大, 池中污泥浓度过高 ,导致二沉池 中发生反硝化, 污泥严重上浮, 同时运行的能耗也 较高。 2008年 8月末厌氧系统启动, 经过 2个月的调 试 ,系统运行稳定 , C O D 去除率逐步上升 ,到 10月末 时厌氧系统 C O D去除率达到 60以上, 厌氧出水 C O D 稳定在 700 m g /L 左右 , 好氧出水 C O D为 50 m g /L 左右。 10月下旬出水水质情况见表 2。厌氧系 统稳定运行后,好氧剩余污泥量明显减少 ,二沉池污 泥上浮较少 。由于好氧段进水 C O D 和池中污泥浓度 的下降 ,好氧所需风量可下调, 同时污泥处置量也减 少 ,为整个系统的节能创造了条件。 表 2 2008年 10月下旬二沉池出水水质情况 ρ C O D / m g L - 1 ρ B O D5 / m g L - 1 ρ N H3- N / m g L- 1 ρ T N / m g L- 1 ρ T O C / m g L- 1 ρ S S / m g L- 1 p H 温度/ ℃ 40～ 60 10～ 15 0. 8～ 2 4～ 8 6～ 10 10 ～ 30 7. 5～ 8. 2 28～ 32 4 结论 实际运行结果表明 , E C 厌氧反应器应用于啤酒 废水处理是切实可行的。其占地面积小, 运行稳定, 抗冲击负荷能力强, 运行费用大大降低 ,所产生的沼 气可用作能源。 参考文献 [ 1] 岳秀萍, 郁晓青. 啤酒废水生物处理工艺的应用与发展[ J ] . 科技情报开发与经济, 2007, 17 12 178- 180. 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