花岗石加工废水絮凝处理技术的研究.pdf

花岗石加工废水絮凝处理技术的研究 * 陈为旭 1， 2 陈燕红 2 张济宇 1 1. 福州大学化学化工学院， 福州 350108;2. 福州大学至诚学院， 福州 350002 摘要 针对花岗石加工废水的特点， 选用无机高分子絮凝剂 聚合氯化铝 与有机高分子絮凝剂 聚丙烯酰胺 进行复 配试验， 研究絮凝剂对花岗石加工废水的降浊效果。首先通过设计影响絮凝的单因子试验与正交试验， 获得影响絮凝 效果的主次因子顺序 絮凝剂配比 絮凝剂用量 搅拌转速 溶液 pH 值 与最佳絮凝工艺条件;然后依此对花岗石 加工废水进行絮凝处理， 使其达到 GB 89781996 污水综合排放标准 一级排放标准; 最后给出采用该技术的吨水投 资成本与运行成本。该处理技术具有出水水质好， 操作简单， 成本低廉等特点。 关键词 花岗石加工废水; 絮凝处理;正交试验 RESEARCH ON THE FLOCCULATION TREATMENT OF WASTE WATER FROM GRANITE PROCESSING Chen Weixu1， 2Chen Yanhong2Zhang Jiyu1 1. College of Chemistry ＆ Chemical Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China; 2. Zhicheng College，Fuzhou University，Fuzhou 350002，China AbstractIn view of the waste water characterisitcs of granite processing，the inorganic polymer flocculant aluminium polychloride and the organic polymer flocculant polyacrylamide were adopted to make a series of mix-compound experiments in this paper，which investigated the flocculation treatment effectiveness of those two flocculants for granite processing waste water under different conditions. Firstly，through the design of the tests of single factor affecting flocculation and orthogonal experiment，the ranking factors for flocculation effect，mixture ratios of different flocculants flocculants dosage stirring speed pH of solution，and the best flocculation process conditions were obtained. Then the flocculation treatment of granite processing waste water was made according to above conditions，and the treated water meets the first-order of the national wastewater discharge standard. Finally，investment cost and operating cost by using this technology were calculated. This treatment technology features good water quality，simple operation，low cost，etc. Keywordsgranite processing wastewater;flocculation treatment;orthogonal experiment * 福建省教育厅科研基金资助项目 JA10030 。 0引言 从 2000 年起， 我国石材已探明的储量、 生产加工 能力、 实际产量、 出口总量和总额均跃居世界第一位， 但伴随产生了一系列的环境污染问题 ［ 1］， 特别是在 石材开采加工过程中产生的废水， 如图 1 摄于福建 省古田县某石板材加工厂 所示。 石材加工企业大多数分布在沿江、 沿路两侧， 规 划布局不合理， 治理工艺落后， 加工后的废渣、 废水直 接排入溪流、 河沟的现象常有发生， 故严重威胁下游 城市的生产生活用水安全 ［ 2］。因此对石材加工废水 进行降浊回用与净化处理， 既能保护环境、 又可节约 水资源、 同时减少企业的排污费用。 石材加工废水是由水和各种杂质组成， 杂质以分 子、 胶体及悬浮颗粒形式分散于水介质中， 故废水是 一种具有不同分散度的复合多元分散体系， 其分散介 质为水， 分散相为分子 冷却剂中高分子化合物 、 胶 体与悬浮颗粒 ［ 3］。 目前， 废水处理的基本方法主要有物理处理法、 化学处理法和生物化学处理法三大类， 由于石材加工 废水主要特点是悬浮物含量高， 一般采用絮凝沉淀的 方式， 投絮凝剂和助凝剂经沉淀以去除污染物 ［ 4］。 目前大部分的石材生产厂家在应用絮凝沉淀法时多 采用平流式池型 ［ 5］， 处理工艺流程如图 2 所示。 64 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 图 1石材加工过程及其产生的废水 图 2处理工艺流程 石材加工废水通过厂区内的灌渠收集后， 进入集 水调节池， 投加絮凝剂和助凝剂后， 在反应池内絮凝 生成矾花， 通过沉淀池的沉淀， 大部分悬浮物 污泥 沉至池底， 上清液 指经过絮凝处理沉淀后上层比较 干净的液体 进入清水池， 通过回用水系统进入生产 车间回用， 或达标排放; 底层的污泥用吸污机抽出干 燥后可当做建筑材料、 无机涂料， 用于压制型砖、 合成 石材等领域， 实现了资源回收及充分利用。 1试验材料与设备 无机高分子絮凝剂比无机盐类絮凝剂具有絮凝 体形成速度快、 颗粒密度大及沉降速度快等特点， 对 COD、 BOD5以及色度、 微生物等均有较好的去除效 果， 对水温和 pH 值适应范围广， 价格低廉 ［ 6］。而相 对于单一式无机高分子絮凝剂而言， 无机 － 有机高分 子复合式絮凝剂具有效率更高、 适应性更广、 pH 值适 应性更宽的特点， 且在聚合度、 稳定性及减少后续的 污泥处理量等方面也有较好的表现 ［ 6，7］。在实际废 水处理时多是无机高分子絮凝剂与有机高分子絮凝 剂进行复配使用 ［ 8- 10］。 本文通过单因子试验与正交试验来研究聚合氯 化铝 PAC 与聚丙烯酰胺 PAM 在本试验中充当助凝 剂 对花岗石加工废水的降浊效果、 影响因素及去除 机理， 为石材加工废水絮凝处理提供科学依据。 试验试剂与相关设备如下 聚合氯化铝 PAC 与 重铬酸钾， 盐酸， 聚丙烯酰胺 PAM， 硫酸亚铁铵与硫 酸银， pH 测定仪， TSZ 浊度仪。 本试验所采用的废水是福建省古田县鹤塘镇某 石板材加工厂加工花岗石过程产生的废水经过沉淀 池自然沉淀后的上层水， 其中 SS 为4 857 mg/L， 浊度 为3 358 NTU。 2单因子试验 试验程序如下 先量取1000 mL的石材加工废水 置于烧杯中， 根据试验确定的条件加入不同量及不同 配比的絮凝剂和助凝剂， 注意需先将助凝剂 PAM 溶 于水中后再加入污水中， 然后在不同 pH 值、 搅拌转 速条件下进行絮凝， 停止搅拌等待絮凝物的自然沉 淀， 汲取上清液， 按国标法测得上清液的浊度和 SS， 以此来判定各试验因子的参数对石材加工废水处理 效果的影响。 2. 1pH 值对絮凝效果的影响 文献［ 11］ 研究不同的 pH 值对絮凝效果的影响， 认为通常情况下， 随着 pH 值的增大沉淀率会随之明 显地提高。分别取1 000 mL废水于 4 个烧杯中， 絮凝 剂投加量各3 g， m PAC ∶ m PAM 为 4∶ 1， 分别将废 水 pH 值调至 5， 6， 7， 8， 再以300 r/min转速快搅30 s， 而后把速度调为150 r/min， 搅拌 90 s后停止， 静置 30 min后， 汲取上清液分别测定其浊度及 SS， 结果见 图 3。 pH 值对絮凝效果的影响较大。图 3 表明 当 pH 值为 5 时， 絮凝处理效果很不理想; 较佳的 pH 值范 围为 6. 0 ～ 6. 5， 当 pH 值大于 6. 5 后， 随着 pH 值的增 74 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 图 3不同 pH 值时上清液浊度与 SS 曲线 大， SS 和浊度也逐渐变大。其原因是 当 pH 值较小 时， PAC 易与 H 形成络合物等物质， 当 pH 值较大 时， PAC 易与 OH － 形成氢氧化铝等物质， 阻碍了絮凝 反应的顺利进行， 降低了处理效率。因此， 选择适当 的 pH 值， 能够使絮凝剂作用发挥得更完全， 絮凝效 果更良好， 进而可以节省大量的絮凝剂， 降低成本; 如 果 pH 值选择不当， 轻者降低絮凝效果， 重者不能形 成胶体溶液。 2. 2絮凝剂用量对絮凝效果的影响 分别取1 000 mL废水于 4 个烧杯中， 在 pH 6， m PAC ∶ m PAM4∶ 1条件下， 絮凝剂用量分别为 1， 2， 3，4 g时， 以300 r/min的搅拌转速搅拌30 s， 而后把 转速调为150 r/min， 再搅拌90 s后停止， 静置30 min后， 汲取上清液分别测定其浊度及 SS， 结果见图 4。 图 4不同絮凝剂用量时上清液浊度与 SS 曲线 由图 4 可知 絮凝剂对 SS 和浊度的处理效果很 明显， 上清液的 SS 和浊度呈现先减小后增大的现象; 最佳的絮凝剂用量范围为 2. 5 ～ 3 g/L。 随着絮凝剂用 量的增加， SS 和浊度逐渐下降， 当絮凝剂的用量为 3 g/L时， 上清液的 SS 与浊度达到较低值， 但随着絮 凝剂用量的进一步增加， 上清液的 SS 与浊度则呈现 迅速上升的趋势。原因是当絮凝剂过量， 会使所形成 的絮凝体重新脱稳， 絮凝效果反而变差。 2. 3絮凝剂的配比对絮凝效果的影响 聚丙烯酰胺 PAM 是一种常用的有机合成絮凝 剂， 在废水降浊方面有较好的效果， 常与价格低廉的 聚合氯化铝 PAC 复配使用， 以减低处理成本 ［ 7］。 分别取1 000 mL废水于 4 个烧杯中， pH 6， 絮 凝剂总用量为3 g， m PAC ∶ m PAM 分别为 5∶ 0， 4∶ 1， 3∶ 2与 2∶ 3， 以300 r/min的搅拌转速快搅30 s， 而 后把 转 速 调 为 150 r/min， 搅 拌 90 s 后 停 止， 静 置 30 min， 汲取上清液测定其浊度及 SS， 结果见图 5。 图 5絮凝剂不同配比时上清液浊度与 SS 曲线 絮凝剂的配比是影响废水处理效果的另一大因 素。除了使用 PAC 以外还需借助于 PAM， 这在一定 程度上有利于促进絮体的形成， 提高沉降速度， 改变 沉降性能。因为 PAM 加入后改善了絮凝反应环境， 促进 了 PAC 与 水 中 胶 体 颗 粒 的 反 应。试 验 表 明 m PAC ∶ m PAM 为 4∶ 1时， 其处理效果最佳， 这也 说明了 PAC 与 PAM 复配使用， 其絮凝效果明显优于 单种絮凝剂。 2. 4搅拌转速对絮凝效果的影响 分别取1 000 mL废水于 4 个烧杯中， pH 6， 絮 凝剂总用量为3 g， m PAC ∶ m PAM 4∶ 1， 改变搅 拌转速， 分别以200， 300， 400， 500 r/min的搅拌转速 快搅 30s， 而后把转速调为150 r/min， 再搅拌 90 s后 停止， 静置30 min， 汲取上清液分别测定其浊度及 SS， 结果见图 6。 图 6不同搅拌转速时上清液浊度与 SS 曲线 由图 6 可知 废水处理的最佳搅拌转速为 300 ～ 330 r/min， SS 和浊度随着搅拌转速的提高而迅速下 降， 超过最佳搅拌转速后， SS 和浊度不降反升， 特别 是 SS。这是由于搅拌转速越大， 搅拌越充分， 絮凝作 用的效果就会越好， 但当搅拌转速超过一定的限值， 搅拌转速增大， 絮凝效果反而变差， 甚至出现不絮凝 84 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 的情况。因为搅拌转速过大， 会把刚形成的大絮凝团 再次打散， 从而造成絮凝效果不理想。因此， 选择合 适的搅拌转速对提高絮凝效率是比较重要的。 3正交试验设计与结果分析 综合分析上述单因子试验结果， 选取 4 个主要的 影响因子 搅拌转速、 废水 pH 值、 絮凝剂用量、 絮凝 剂的配比 为正交试验因子， 考虑到絮凝剂的实际成 本和因子水平涵盖的范围， 确定各因子的水平为 4 个 等级， 如表 1 所示。 表 1正交试验因子及水平 因子 搅拌转速 / r min － 1 pH 值 絮凝剂用量 / g L － 1 m PAC ∶ m PAM 水平 1200 514∶ 1 水平 2300 623∶ 2 水平 3400 732∶ 3 水平 4500 841∶ 4 正交试验方法为 量取1 000 mL的废水于烧杯 中， 根据试验条件的要求调节每个烧杯中废水的 pH 值， 然后加入不同配比、 不同量的絮凝剂， 最后按试验 条件规定的搅拌转速搅拌废水， 搅拌30 s后， 把转速 调整为原转速的一半， 并保持此转速90 s后停止搅 拌， 静置30 min后汲取上清液。 根据试验的影响因子和水平级， 选用 L16 的正交 表进行正交试验， 采用直观分析法对正交试验的数据 进行分析和水平优选， 试验评价指标为上清液的 SS 与浊度。试验结果如表 2 与表 3 所示。 表 2正交试验直观分析 搅拌转速 / r min － 1pH 絮凝剂用量 / g L － 1 m PAC ∶ m PAM 上清液 SS/ mg L － 1 上清液浊 度 /NTU 200514∶ 1287. 84 200623∶ 25416. 1 200732∶ 3645422 200841∶ 44 4234 501 300522∶ 3292. 73 300611∶ 43 8924 452 300744∶ 1261. 24 300833∶ 29850. 2 400531∶ 43210. 09 400642∶ 3285. 03 400713∶ 24 8014 512 400824∶ 1347. 12 500543∶ 24 1094 490 500634∶ 1368. 93 500721∶ 43 9804 522 500812∶ 34 7654 488 表 3极差分析 序号搅拌转速pH 值絮凝剂用量 m PAC ∶ m PAM 均值 11 236. 735 1 127. 6653 364. 9606. 282 均值 21 126. 542 1 120. 5151 136. 9872 267. 075 均值 31 133. 560 2 364. 310122. 8051 29. 440 均值 43 377. 233 2 261. 5802 249. 3183 371. 273 极差2 250. 6911 243. 7953 242. 1553 364. 991 正交试验极差的大小反映了各因子影响絮凝处 理效果的主次关系， 根据表 3 中的极差大小顺序可得 因子影响力顺序 两种絮凝剂配比 絮凝剂用量 搅 拌转速 溶液 pH 值。 比较表 3 中每个因子的均值， 由于最小均值所对 应的水平等级为该因子的水平优选， 故各个因子的水 平优选为 搅拌转速 300 r/min， pH 6， 絮凝剂用量 3 g/L， m PAC ∶ m PAM 4∶ 1。以此优选组合对 石材加工废水进行絮凝处理试验， 测得上清液的浊度 为 7. 09NTU， SS 为25 mg/L， 此时上清液的 SS 大大低 于 GB 89781996 一级排放标准 SS≤70 mg/L 。 花 岗石加工废水处理前后水样如图 7、 图 8 所示， 图 8 为絮凝处理后的水样， 上层为清液， 下层为沉淀污泥。 图 7花岗石加工废水原样 图 8絮凝处理后水样 4工程应用及成本分析 将本文提出的絮凝处理技术应用于中等规模的 石板材加工厂， 考虑到生产规模 锯机 6 ～ 8 台， 磨机 4 ～ 6 台， 废水水量 80 ～ 100 m3/h 时， 建议采用混凝 平流沉淀处理工艺， 按照规范进行合理设计与建设， 以达到较好的水力条件， 可产生较理想的沉淀效果。 对于污泥处理采用卧螺离心沉降后外运填埋或综合 利用， 上清液则达标回用。经成本测算， 工程建设总 投资约 25 万 ～ 38 万元 含平流池建设与相关设备购 置， 但未包括征地、 税收等其他间接费用 ; 考虑到目 前市场上 PAC 的价格为1 380 元 /t， PAM 的价格为 94 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 28 000 元 /t， m PAC ∶ m PAM 4∶ 1， 计算出吨水投 资费用在 201. 3 ～ 180. 50 元， 吨水运行费用在 0. 535 ～ 0. 528 元 废水与污泥处理的电耗和药耗费用 。 必须指出随着企业生产规模的增大， 吨水投资与运行 费用将呈现出递减趋势。本技术具有建设投资小， 运 营成本低廉， 出水水质好， 运行性能稳定， 操作与维护 简便等特点， 易于为石板材企业所接受， 有利于技术 的推广。 5结论 首先对花岗石加工废水进行 4 个单因子 搅拌转 速、 废水的 pH 值、 絮凝剂的用量与两种絮凝剂配比 的絮凝处理试验， 寻求各因子对絮凝处理的影响规 律。然后通过设计正交试验， 获得因子影响力由大到 小的排列顺序为 两种絮凝剂的配比 絮凝剂的用量 搅拌的转速 溶液的 pH 值; 在优选组合方案 搅 拌转速为300 r/min， pH 值 6， 絮凝剂用量为3 g/L， m PAC ∶ m PAM 4∶ 1 条件下， 对试验对象花岗 石加工废水 SS 为4 857 mg/L， 浊度为3 358 NTU 进 行絮凝沉降处理后， 得到上清液 SS 为25 mg/L， 浊度 为7. 09 NTU的结果， 上清液符合 GB 89781996 中 的一级标准 SS≤70 mg/L ， 能直接回用于生产。 参考文献 ［1 ］ 陈为旭，张济宇. 科学发展观视野下的石材加工业探讨［J］ . 西昌学院学报 自然科学版 ，2009，23 1 33- 37. ［2 ］ 李小梅，吴春山，庄一庭，等. 石板材加工行业的水环境污染 特征研究［J］ . 福建师范大学学报 自然科学版 ，2006，22 4 67- 71. ［3 ］ 秦麟源. 废水生物处理［M］ . 上海同济大学出版社，1989. ［4 ］ Beltrn HerediaJ， SnchezMartnJ.Municipalwastewater treatment by modified tannin flocculant agent［J］ .Desalination， 2009，249 1 353- 358. ［5 ］ 林雄平. 浅析石材废水处理回用方法［J］ . 化学工程与装备， 2009 5 191- 192. ［6 ］徐 晓 军.化 学 絮 凝 剂 作 用 原 理［M］ .北 京科 学 出 版 社， 200513- 14. ［7 ］ Ho Y C，Norli I，Alkarkhi A F M，et al.Characterization of biopolymeric flocculant pectinand organic synthetic flocculant PAM A comparative study on treatment and optimization in kaolin suspension［J］ . 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