案例的積累本質(zhì)上是行業(yè)經(jīng)驗和專(zhuān)業(yè)技術(shù)的積累
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某產(chǎn)業(yè)園位于國內知名有色金屬產(chǎn)業(yè)基地。該產(chǎn)業(yè)園是在環(huán)境倒逼機制推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉型升級形勢下應運而生,以建立規范產(chǎn)業(yè)集聚區和完整的有色金屬生態(tài)工業(yè)和循環(huán)經(jīng)濟體系為目標,意圖實(shí)現資源整合,推動(dòng)涉重金屬企業(yè)上規模、上水平,實(shí)現中心城區周邊冶煉企業(yè)野退城入園冶。
該產(chǎn)業(yè)園污水處理廠(chǎng)服務(wù)于整個(gè)產(chǎn)業(yè)園,處理污水來(lái)自于入園涉重企業(yè)的外排污水。其北側緊鄰當地主要地表水系,根據環(huán)境影響評價(jià)報告及其批復,園區污水處理廠(chǎng)外排標準執行《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》(GB18918原2002)一級A標后排入該水系。
用于重金屬污水處理的傳統工藝有硫化法、石灰鐵鹽法、電化學(xué)法、膜法等,但要滿(mǎn)足《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》(GB18918原2002)一級A類(lèi)標準進(jìn)行高標準排放,且投資運行成本經(jīng)濟的成熟技術(shù)少之又少,無(wú)類(lèi)似工程可以借鑒。為此,通過(guò)技術(shù)調研與比選、現場(chǎng)試驗驗證等,最終選擇納米零價(jià)鐵工藝應用于該園區污水處理廠(chǎng)的工程實(shí)施。
納米零價(jià)鐵具有強還原性、比表面積大,反應活性高的特點(diǎn),其比表面積分析(BET)結果約35m2/g。納米零價(jià)鐵具有核殼雙重結構,呈金屬鐵體立方晶體的外擴散環(huán)結構,周?chē)粚虞^薄的氧化殼。大多顆粒尺寸在50~100nm之間,核心是結實(shí)的零價(jià)鐵。
納米零價(jià)鐵對重金屬的去除作用與重金屬的標準氧化電勢有關(guān)。Zn和Cd的標準氧化還原電勢E0非常接近或低于Fe2+/Fe(-0.44V),納米零價(jià)鐵對它們的作用主要為吸附及形成表面復合物。Cu、Cr、Ag、Hg標準氧化還原電勢E0遠大于Fe2+/Fe,其去除機理主要是被Fe0還原。而對于標準氧化還原電勢E0稍大于Fe2+/Fe的Ni和Pb,納米零價(jià)鐵通過(guò)吸附和還原雙重作用將Ni和Pb固定在納米粒子表面。砷元素在水中以亞砷酸鹽(三價(jià)砷)和砷酸鹽(五價(jià)砷)形態(tài)存在,納米零價(jià)鐵能以較快速度將五價(jià)砷還原成三價(jià)砷和零價(jià)砷,納米零價(jià)鐵與三價(jià)砷反應是吸附和氧化還原的過(guò)程,既能將三價(jià)砷還原成零價(jià)砷,又能將其氧化為五價(jià)砷。
目前,重金屬污水處理工藝有納米零價(jià)鐵、電化學(xué)法、石灰鐵鹽法、膜法、硫化法等。幾種工藝的比選,詳見(jiàn)表1。
園區污水處理廠(chǎng)服務(wù)于整個(gè)產(chǎn)業(yè)園,處理后的出水排入地表水系。因此,根據表1的比較,可以發(fā)現納米零價(jià)鐵工處理效果穩定、二次污染污染物少,且處理方法和技術(shù)簡(jiǎn)易,是最適用的工藝。
通過(guò)驗證實(shí)驗條件使污水中的重金屬經(jīng)處理達到最高允許排放濃度,為污水處理工程建設提供設計依據。
試驗污水水質(zhì),詳見(jiàn)表2。
試驗工藝采用曝氣攪拌反應階段+混凝沉淀處理。工藝流程見(jiàn)圖1。
未經(jīng)處理的混合污水pH值在1.9左右,具有很強的酸性和刺激性氣味。為了能夠有效去除水中污染物,需要對原水進(jìn)行pH值調節,將原水pH值從1.9調至8~9。
由表3可知,將1L原水的pH值調至8~9需要燒堿量在0.1~1g。污水中含有大量的緩沖劑,調節pH值到8時(shí),銅、鋅等重金屬部分會(huì )以氫氧化物的形式沉淀到泥渣中。
使用鼓風(fēng)機對試驗原水分別進(jìn)行了1h、3h、5h的曝氣,曝氣量與重金屬去除效果的影響見(jiàn)表4。
如表4可知,曝氣量越大對砷的去除效果越好,這是由于通過(guò)曝氣會(huì )將原水中大量的As(芋)氧化為As(吁),進(jìn)而通過(guò)納米零價(jià)鐵試劑中產(chǎn)生的Fe(OH)3絮凝沉淀得以去除。納米零價(jià)鐵試劑對COD的去除功能主要靠新生成的Fe(OH)3的多相絮凝功能,對污水中的COD產(chǎn)生凝聚而使COD降低,反應過(guò)程中將消耗一定量的試劑。
因此,在采用納米零價(jià)鐵試劑除砷前應對污水進(jìn)行曝氣氧化去除COD,這樣既可以節約試劑消耗量,又能保證砷的穩定達標。
為了有效地去除污水中的鉛、砷、鉈、銻等重金屬元素,需要將pH值調節到8~9范圍內投加適量的納米零價(jià)鐵試劑。試驗結果表明,納米零價(jià)鐵藥劑投加量越大,重金屬去除效果越好,但考慮到處理成本,有必要確定一個(gè)最佳投加量。因為原水水質(zhì)成分復雜,選用具有代表性的兩類(lèi)金屬(砷、鉛)來(lái)表征投加量與去除率之間的關(guān)系。
試驗原水水質(zhì)分為兩種,即未處理的原水和已經(jīng)處理的原水,故其加藥量也有兩種。納米零價(jià)鐵試劑的投加量是按處理每升污水所需要納米零價(jià)鐵試劑的質(zhì)量表示。
1)對于未處理的原水,其納米零價(jià)鐵加藥量與重金屬去除率的關(guān)系見(jiàn)圖2。
從圖2中可以看出,對于金屬鉛來(lái)說(shuō),納米零價(jià)鐵藥劑投加量為1g/L(稀釋后)左右時(shí),鉛的去除率接近100%,而對于砷來(lái)說(shuō),投加量在1.5g/L(稀釋后)時(shí),其去除率才接近100%。結果表明,對于不同種重金屬,所需加藥量也是不同的。為了能夠很好地去除重金屬,所選加藥量控制在1.5~2g/L(稀釋后)。
2)對于已經(jīng)處理的原水,其納米零價(jià)鐵加藥量與重金屬去除率的關(guān)系見(jiàn)圖3。
已經(jīng)處理的原水是污水經(jīng)外排企業(yè)處理過(guò)的出水,其所含重金屬含量很低,因而藥劑投加量也相對較低。在投加量為1g/L(稀釋后)時(shí),所有重金屬的去除率均接近100%。在運行經(jīng)濟性和出水水質(zhì)穩定達標雙重指標下,選用投加量1g/L(稀釋后)是最佳的。
1)納米零價(jià)鐵工藝反應時(shí)間短,能實(shí)現高效率處理重金屬污水。
2)通過(guò)調整試驗條件,分析實(shí)驗數據可得出本次的污水經(jīng)預處理和反應處理后均能達到《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》(GB18918-2002),達標率100%。
該產(chǎn)業(yè)園污水處理廠(chǎng)項目處理規模3000m3/d,其進(jìn)出水水質(zhì)見(jiàn)表5。
具體工藝流程(見(jiàn)圖4)如下院廢水從調節池經(jīng)泵輸送進(jìn)入納米零價(jià)鐵處理系統,并加入納米零價(jià)鐵和堿在納米反應沉淀池內進(jìn)行還原、吸附、共沉淀等反應,對污水中的重金屬等污染物進(jìn)行有效地去除。經(jīng)過(guò)納米零價(jià)鐵處理后的廢水進(jìn)入氧化絮凝池,加入PFS、PAM等藥劑進(jìn)行催化耦合絮凝反應,并沉淀分離,沉淀出水進(jìn)入濾池,去除微量的懸浮物,最后進(jìn)入出水池達標排放。系統產(chǎn)生的污泥進(jìn)入污泥濃縮池降低污泥含水率、減少污泥體積后再經(jīng)供泥泵提升至板框壓濾機進(jìn)行污泥脫水,壓濾后的脫水污泥外運處置。上清液和濾液進(jìn)入調節池進(jìn)行再處理。
1)調節池。設計參數:1座,設計調節時(shí)間為8h有效容積1000m3。用于工業(yè)污水的水質(zhì)水量調節,采用空氣攪拌。設備選型院污水輸送泵2臺(1用1備),Q=130m3/h,H=22m,N=30k宰。
2)處理系統。由納米鐵反應沉淀池和氧化絮凝池兩段組成,用于重金屬和砷的去除。納米鐵反應沉淀池員座,處理能力為125m3/h,外形尺寸為15500×8000×6000。鋼筋混凝土現澆結構(反應段FRP防腐,沉淀段煤瀝青防腐),配套設備為攪拌器、斜板等1套。氧化絮凝沉淀池1座,處理能力為125m3/h,外形尺寸為19500×8000×5500。鋼筋混凝土現澆結構(煤瀝青防腐),配套設備為羅茨風(fēng)機、攪拌器、斜板等1套。
3)過(guò)濾器車(chē)間。過(guò)濾器車(chē)間設計處理能力為125m3/h,用于氧化絮凝池出水懸浮物的進(jìn)一步去除。主要設備包括院(1)多介質(zhì)過(guò)濾器,準=3000mm,單臺處理能力70m3/h,共3臺。(2)過(guò)濾器進(jìn)水泵,2臺,1用1備,Q=130m3/h,H=32m,N=22kW。(3)過(guò)濾器反洗泵院2臺,1用1備,Q=300m3/h,H=22m,N=30kW。(4)反洗風(fēng)機,1臺,Q=6.3Nm3/min,H=6m,N=11kW。
納米零價(jià)鐵工藝具有處理效果穩定,無(wú)二次污染介質(zhì)產(chǎn)生,運行成本經(jīng)濟低等優(yōu)勢,選用其處理重金屬污水高標準排放是最適用的,也是可行的。試驗驗證調節pH值到8時(shí),藥劑量在1.0~2g/L,合理控制曝氣時(shí)間可確保處理效果。