重金屬污水處理納米零價(jià)鐵技術(shù)

　　某產(chǎn)業(yè)園位于國內(nèi)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(jī)制推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生，以建立規(guī)范產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)和完整的有色金屬生態(tài)工業(yè)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系為目標(biāo)，意圖實(shí)現(xiàn)資源整合，推動(dòng)涉重金屬企業(yè)上規(guī)模、上水平，實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)周邊冶煉企業(yè)野退城入園冶。

　　該產(chǎn)業(yè)園污水處理廠服務(wù)于整個(gè)產(chǎn)業(yè)園，處理污水來自于入園涉重企業(yè)的外排污水。其北側(cè)緊鄰當(dāng)?shù)刂饕乇硭担鶕?jù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告及其批復(fù)，園區(qū)污水處理廠外排標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918原2002)一級(jí)A標(biāo)后排入該水系。

　　用于重金屬污水處理的傳統(tǒng)工藝有硫化法、石灰鐵鹽法、電化學(xué)法、膜法等，但要滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918原2002)一級(jí)A類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)排放，且投資運(yùn)行成本經(jīng)濟(jì)的成熟技術(shù)少之又少，無類似工程可以借鑒。為此，通過技術(shù)調(diào)研與比選、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證等，最終選擇納米零價(jià)鐵工藝應(yīng)用于該園區(qū)污水處理廠的工程實(shí)施。

　　一、納米零價(jià)鐵的特點(diǎn)及重金屬污水去除的機(jī)理

　　納米零價(jià)鐵具有強(qiáng)還原性、比表面積大，反應(yīng)活性高的特點(diǎn)，其比表面積分析(BET)結(jié)果約35m2/g。納米零價(jià)鐵具有核殼雙重結(jié)構(gòu)，呈金屬鐵體立方晶體的外擴(kuò)散環(huán)結(jié)構(gòu)，周圍包裹一層較薄的氧化殼。大多顆粒尺寸在50~100nm之間，核心是結(jié)實(shí)的零價(jià)鐵。

　　納米零價(jià)鐵對(duì)重金屬的去除作用與重金屬的標(biāo)準(zhǔn)氧化電勢(shì)有關(guān)。Zn和Cd的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢(shì)E0非常接近或低于Fe2+/Fe(-0.44V)，納米零價(jià)鐵對(duì)它們的作用主要為吸附及形成表面復(fù)合物。Cu、Cr、Ag、Hg標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢(shì)E0遠(yuǎn)大于Fe2+/Fe，其去除機(jī)理主要是被Fe0還原。而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢(shì)E0稍大于Fe2+/Fe的Ni和Pb，納米零價(jià)鐵通過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(yīng)是吸附和氧化還原的過程，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。

　　二、處理工藝的初步比選

　　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，詳見表1。

　　園區(qū)污水處理廠服務(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(jù)表1的比較，可以發(fā)現(xiàn)納米零價(jià)鐵工處理效果穩(wěn)定、二次污染污染物少，且處理方法和技術(shù)簡易，是最適用的工藝。

　　三、試驗(yàn)驗(yàn)證

　　3.1目的

　　通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)條件使污水中的重金屬經(jīng)處理達(dá)到最高允許排放濃度，為污水處理工程建設(shè)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

　　3.2水質(zhì)

　　試驗(yàn)污水水質(zhì)，詳見表2。

　　3.3工藝流程

　　試驗(yàn)工藝采用曝氣攪拌反應(yīng)階段+混凝沉淀處理。工藝流程見圖1。

　　3.4試驗(yàn)內(nèi)容

　　3.4.1堿液投加量對(duì)重金屬去除效果的影響

　　未經(jīng)處理的混合污水pH值在1.9左右，具有很強(qiáng)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(duì)原水進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)，將原水pH值從1.9調(diào)至8~9。

　　由表3可知，將1L原水的pH值調(diào)至8~9需要燒堿量在0.1~1g。污水中含有大量的緩沖劑，調(diào)節(jié)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。

　　3.4.2曝氣對(duì)重金屬去除效果的影響

　　使用鼓風(fēng)機(jī)對(duì)試驗(yàn)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表4。

　　如表4可知，曝氣量越大對(duì)砷的去除效果越好，這是由于通過曝氣會(huì)將原水中大量的As(芋)氧化為As(吁)，進(jìn)而通過納米零價(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(duì)COD的去除功能主要靠新生成的Fe(OH)3的多相絮凝功能，對(duì)污水中的COD產(chǎn)生凝聚而使COD降低，反應(yīng)過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(yīng)對(duì)污水進(jìn)行曝氣氧化去除COD，這樣既可以節(jié)約試劑消耗量，又能保證砷的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

　　3.4.3納米零價(jià)鐵試劑投加量對(duì)重金屬去除率的影響

　　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(diào)節(jié)到8~9范圍內(nèi)投加適量的納米零價(jià)鐵試劑。試驗(yàn)結(jié)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?yàn)樵|(zhì)成分復(fù)雜，選用具有代表性的兩類金屬(砷、鉛)來表征投加量與去除率之間的關(guān)系。

　　試驗(yàn)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(duì)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)系見圖2。

　　從圖2中可以看出，對(duì)于金屬鉛來說，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(duì)于砷來說，投加量在1.5g/L(稀釋后)時(shí)，其去除率才接近100%。結(jié)果表明，對(duì)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(duì)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)系見圖3。

　　已經(jīng)處理的原水是污水經(jīng)外排企業(yè)處理過的出水，其所含重金屬含量很低，因而藥劑投加量也相對(duì)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(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)雙重指標(biāo)下，選用投加量1g/L(稀釋后)是最佳的。

　　3.5小結(jié)

　　1)納米零價(jià)鐵工藝反應(yīng)時(shí)間短，能實(shí)現(xiàn)高效率處理重金屬污水。

　　2)通過調(diào)整試驗(yàn)條件，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出本次的污水經(jīng)預(yù)處理和反應(yīng)處理后均能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)，達(dá)標(biāo)率100%。

　　四、工程應(yīng)用

　　該產(chǎn)業(yè)園污水處理廠項(xiàng)目處理規(guī)模3000m3/d，其進(jìn)出水水質(zhì)見表5。

　　4.1工藝流程

　　具體工藝流程(見圖4)如下院廢水從調(diào)節(jié)池經(jīng)泵輸送進(jìn)入納米零價(jià)鐵處理系統(tǒng)，并加入納米零價(jià)鐵和堿在納米反應(yīng)沉淀池內(nèi)進(jìn)行還原、吸附、共沉淀等反應(yīng)，對(duì)污水中的重金屬等污染物進(jìn)行有效地去除。經(jīng)過納米零價(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(yīng)，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(dá)標(biāo)排放。系統(tǒng)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(jī)進(jìn)行污泥脫水，壓濾后的脫水污泥外運(yùn)處置。上清液和濾液進(jìn)入調(diào)節(jié)池進(jìn)行再處理。

　　4.2主要設(shè)施

　　1)調(diào)節(jié)池。設(shè)計(jì)參數(shù):1座，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)時(shí)間為8h有效容積1000m3。用于工業(yè)污水的水質(zhì)水量調(diào)節(jié)，采用空氣攪拌。設(shè)備選型院污水輸送泵2臺(tái)(1用1備)，Q=130m3/h，H=22m，N=30k宰。

　　2)處理系統(tǒng)。由納米鐵反應(yīng)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(yīng)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(xiàn)澆結(jié)構(gòu)(反應(yīng)段FRP防腐，沉淀段煤瀝青防腐)，配套設(shè)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(xiàn)澆結(jié)構(gòu)(煤瀝青防腐)，配套設(shè)備為羅茨風(fēng)機(jī)、攪拌器、斜板等1套。

　　3)過濾器車間。過濾器車間設(shè)計(jì)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(shè)備包括院(1)多介質(zhì)過濾器，準(zhǔn)=3000mm，單臺(tái)處理能力70m3/h，共3臺(tái)。(2)過濾器進(jìn)水泵，2臺(tái)，1用1備，Q=130m3/h，H=32m，N=22kW。(3)過濾器反洗泵院2臺(tái)，1用1備，Q=300m3/h，H=22m，N=30kW。(4)反洗風(fēng)機(jī)，1臺(tái)，Q=6.3Nm3/min，H=6m，N=11kW。

　　五、結(jié)論

　　納米零價(jià)鐵工藝具有處理效果穩(wěn)定，無二次污染介質(zhì)產(chǎn)生，運(yùn)行成本經(jīng)濟(jì)低等優(yōu)勢(shì)，選用其處理重金屬污水高標(biāo)準(zhǔn)排放是最適用的，也是可行的。試驗(yàn)驗(yàn)證調(diào)節(jié)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。（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司）