電化學與納米晶磁組合技術(shù)在重金屬廢水處理中的應用

　　重金屬廢水來源于冶金、電鍍、采礦、化工等行業(yè)，如礦山排水、選礦廠尾礦排水、有色金屬冶煉廠排水、電鍍廠鍍件洗滌水，以及電解、農(nóng)藥、醫(yī)藥、油漆、顏料等工業(yè)的廢水。廢水中重金屬離子的種類、含量及其存在形態(tài)隨不同生產(chǎn)種類而異，差異很大。

　　重金屬對微生物的毒性己經(jīng)被廣泛的研究。微量濃度的重金屬即可使天然水體產(chǎn)生毒性效應，某些重金屬在微生物作用下轉(zhuǎn)化為金屬有機化合物，從而產(chǎn)生更大的毒性。一般重金屬產(chǎn)生毒性的范圍大約在1.0~10mg/L之間，毒性較強的重金屬如鎘、汞等，毒性濃度范圍在0.001~0.1mg/L。水中的重金屬可以通過食物鏈富集，并通過多種途徑(食物、飲水、呼吸)進入人體，與體內(nèi)有機成分結(jié)合成金屬絡合物或金屬螯合物，從而對人體產(chǎn)生危害。

　　隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，重金屬廢水大量排放，重金屬污染日益嚴重。水中的重金屬通過各種方式造成土壤、水生生物等的污染，重金屬在食物和生物鏈中不同程度的累積，對人類的生存和健康造成了嚴重的危害。

　　目前，世界上重金屬廢水處理方法主要有三類：第一類是化學法，主要是指水中重金屬離子通過發(fā)生化學反應除去的方法，包括中和沉淀法、硫化物沉淀法、鐵氧體沉淀法、鋇鹽沉淀法、氧化還原法、鐵粉法、電解法等，第二類是物理化學法，指使廢水中的重金屬在不改變其化學形態(tài)的條件下采用氣浮法、離子交換法、吸附法、溶劑萃取法、液膜法、反滲透法和電滲析法等除去的方法，第三類是生物法，指借助微生物或植物的絮凝、吸收、積累、富集等作用去除廢水中重金屬的方法，其中包括生物絮凝法、生物化學法、生物吸附法、生物沉淀法等。

　　1、電化學技術(shù)及納米晶磁技術(shù)介紹

　　1.1 電化學技術(shù)介紹

　　電化學技術(shù)屬于化學法，通過給多塊鋼板加直流電，在鋼板之間產(chǎn)生電場，待處理的水流入鋼板的空隙。在該電場中，通電的鋼板會有一部分被消耗，變成鐵離子進入水中。電場中的離子與非離子污染物被通電，并與電場中電離的產(chǎn)物以及鐵離子發(fā)生反應。在此過程中，各種離子相互作用，以其最穩(wěn)定的形式結(jié)合成固體顆粒，從水中沉淀出來。

　　由于電化學過程中電解反應的產(chǎn)物只是離子，不需要投加任何氧化劑或還原劑，對環(huán)境不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生污染，且該技術(shù)可以處理同時含有鎘、砷、銻、銅、鋅、汞、銀、鎳、鉈等多種重金屬離子的廢水，因此電化學技術(shù)可以被稱為是一種環(huán)境友好、高效的水處理技術(shù)。

　　1.2 納米晶磁技術(shù)介紹

　　沉淀技術(shù)是應用最廣泛的水處理技術(shù)，適用于各種場合的固液分離處理。從20世紀初到現(xiàn)在，沉淀技術(shù)的發(fā)展依次經(jīng)歷了靜態(tài)沉淀、污泥接觸型沉淀、污泥循環(huán)型沉淀和加載沉淀。

　　納米晶磁技術(shù)屬于加載沉淀，是在常規(guī)混凝沉淀工藝中投加了納米晶磁磁種，作為沉淀物結(jié)晶晶核。納米晶磁磁種的投加有利于混凝絮體生成與長大，同時納米晶磁磁種可與混凝絮體有效地結(jié)合，使混凝絮體密度遠超過常規(guī)混凝工藝形成的絮體，可大幅提高絮體的沉降速度，從而減少沉降時間和水處理設備的占地面積。

　　納米晶磁技術(shù)同步設置了納米晶磁磁種回收系統(tǒng)，將絮體污泥中的納米晶磁磁種和化學沉淀物進行分離，納米晶磁磁種可以循環(huán)使用，降低運行費用。納米晶磁技術(shù)主要包括磁絮凝反應過程、高速沉降固液分離過程和納米晶磁磁種回收過程。

　　2、電化學與納米晶磁組合技術(shù)處理重金屬廢水的研究

　　2.1 實驗目的

　　采用中試實驗研究電化學與納米晶磁組合技術(shù)在重金屬廢水處理上的應用效果，并研究不同分子量絮凝劑(PAM)、不同表面水力負荷對納米晶磁技術(shù)處理效果的影響，確定電化學與納米晶磁組合技術(shù)應用于重金屬廢水處理的最佳設計參數(shù)。

　　2.2 實驗材料及裝置

　　2.2.1 實驗材料

　　河南某鉛鋅冶煉企業(yè)產(chǎn)生的含砷、鉈重金屬廢水采用“硫化反應、沉淀+石灰中和反應、沉淀+電化學+曝氣+斜板沉淀冶的處理工藝，本中試用水為石灰中和反應、沉淀工段產(chǎn)水，水質(zhì)指標如表1所示。

　　2.2.2 納米晶磁中試設備

　　納米晶磁中試設備包括加藥系統(tǒng)、磁絮凝反應區(qū)、高速沉降固液分離區(qū)和納米晶磁磁種回收系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1、圖2所示。

　　2.3 實驗工藝流程

　　納米晶磁中試設備設于河南某鉛鋅冶煉企業(yè)含砷、鉈重金屬廢水處理曝氣池附近。電化學與納米晶磁組合技術(shù)處理重金屬廢水中試工藝流程如圖3所示。

　　石灰中和反應、沉淀工段產(chǎn)水送至原有處理系統(tǒng)的電化學設備中處理，廢水中的As3+和Tl+在電化學設備的陽極分別被氧化成容易形成化學沉淀的As5+和Tl3+，As5+和Tl3+與電化學設備中產(chǎn)生的Fe3+和OH-反應，生成FeAsO4和Tl(OH)3，并與Fe(OH)3膠體形成共沉物，隨后采用潛污泵將電化學曝氣池的出水泵送至納米晶磁中試設備，在納米晶磁中試設備的磁絮凝反應區(qū)中加入定量的磁粉(本中試實驗首次磁粉加入量約為50kg，后續(xù)根據(jù)出水效果調(diào)整)，然后通過加藥系統(tǒng)加入絮凝劑(PAM)，經(jīng)磁絮凝反應的出水重力流入高速沉降固液分離區(qū)進行泥水分離，上清液溢流排放，污泥經(jīng)納米晶磁磁種回收系統(tǒng)回收磁種后外排，磁種則進入磁絮凝反應區(qū)循環(huán)利用。

　　2.4 實驗方法

　　(1)不同分子量絮凝劑(PAM)對處理效果的影響研究采用燒杯實驗，定性比對在不投加混凝劑的情況下，不同分子量絮凝劑(PAM)對電化學與納米晶磁組合技術(shù)應用于重金屬廢水處理的處理效果的影響。實驗步驟：將分子量800萬和1600萬的絮凝劑(PAM)配制成1‰濃度待用，取實驗樣品500mL原水于燒杯中，向燒杯中投加0.5g磁粉，攪拌0.5~1min，向燒杯中滴加絮凝劑(PAM)，投加量3ppm，攪拌0.5min后，逐漸降低攪拌機轉(zhuǎn)速、靜置，觀察實驗效果。

　　(2)不同表面水力負荷對處理效果的影響研究

　　選取三種不同的固液分離區(qū)表面水力負荷參數(shù)進行中試實驗，確定電化學與納米晶磁組合技術(shù)中的最佳固液分離區(qū)(沉淀區(qū))表面水力負荷參數(shù)。穩(wěn)定電化學設備的產(chǎn)水量為1000m3/d，開啟潛污泵從曝氣池取水，通過調(diào)節(jié)回流閥控制納米晶磁中試設備的進水量和表面水力負荷，開啟加藥系統(tǒng)中的絮凝劑加藥計量泵向磁絮凝反應區(qū)投加絮凝劑(PAM，分子量1600萬)，投加量3ppm，穩(wěn)定0.5h后取出水樣進行檢測。同時檢測河南某鉛鋅冶煉企業(yè)產(chǎn)生的含砷、鉈重金屬廢水處理系統(tǒng)出水作對比。

　　2.5 分析方法

　　實驗分析項目為固體懸浮物(SS)、As和Tl，檢測方法見表3。

　　3、結(jié)果與討論

　　3.1 不同分子量絮凝劑(PAM)對處理效果的影響

　　研究絮凝劑分子量是影響電化學與納米晶磁組合技術(shù)處理重金屬廢水的處理效果的重要因素之一，且在工程應用中較易實現(xiàn)通過更換不能分子量的絮凝劑來優(yōu)化處理效果。

　　實驗中采用兩種不同分子量絮凝劑(PAM)，分子量分別為800萬和1600萬，燒杯實驗反應靜置后效果如圖4所示。

　　由圖4可知，分子量為1600萬的絮凝劑(PAM)在納米晶磁技術(shù)燒杯實驗中產(chǎn)生的絮凝更密實，沉淀后上清液更清澈。

　　納米晶磁磁種本身具有巨大的比表面積，對水中懸浮顆粒及膠體物質(zhì)同時具有電性中和、磁性吸附和聚集作用[7]。而絮凝劑(PAM)的分子量越大，其聚合物鏈長越長，對微粒的范德華力增大，所帶極性基團的數(shù)目也增多，對水中懸浮顆粒及膠體物質(zhì)的吸附速度加快，降低微粒表面電位的能力也提高。因此分子量為1600萬的絮凝劑(PAM)與納米晶磁磁種具有更好的磁混凝協(xié)同效果。

　　3.2 不同表面水力負荷對處理效果的影響研究

　　固液分離區(qū)(沉淀區(qū))表面水力負荷是影響電化學與納米晶磁組合技術(shù)處理效果的重要因素，直接決定該組合技術(shù)的處理能力。

　　實驗中采用三種不同的固液分離區(qū)(沉淀區(qū))表面水力負荷參數(shù)，分別為10m3/m2?h、15m3/m2?h和20m3/m2?h，同時與原工藝出水數(shù)據(jù)對比，出水檢測結(jié)果如表4所示。

　　由表4可以看出，采用電化學與納米晶磁組合技術(shù)處理含砷、鉈重金屬廢水時，在絮凝劑(PAM，分子量1600萬)投加量為3ppm，固液分離區(qū)(沉淀區(qū))表面水力負荷為10m3/m2?h、15m3/m2?h和20m3/m2?h的情況下，出水中：SS均小于10mg/L，去除率高于98.4%，As均低于0.3mg/L，去除率高于99.3%，Tl未檢出，去除率接近100%。出水水質(zhì)滿足《鉛、鋅工業(yè)污染物排放標準》(GB25466―2010)的要求。

　　由表4可以看出，采用電化學與納米晶磁組合技術(shù)處理含砷、鉈重金屬廢水時，固液分離區(qū)(沉淀區(qū))表面水力負荷低于15m3/m2?h的情況下，出水水質(zhì)優(yōu)于“電化學+斜板沉淀池冶出水。納米晶磁中試設備固液分離區(qū)占地面積1.38m2(長1.20m、寬1.15m)，而類似項目中采用普通斜板沉淀池表面水力負荷一般為2.0~2.5m3/m2?h，占地面積為8.28~10.35m2，節(jié)約占地面積約85%。

　　采用電化學與納米晶磁組合技術(shù)處理含砷、鉈重金屬廢水時，不用投加混凝劑(PAC)。因為在電化學設備的運行過程中，可溶性陽極鐵極板電解產(chǎn)生陽離子―Fe2+，進一步曝氣氧化成Fe3+，經(jīng)水解、聚合，產(chǎn)生多核羥基絡合物及氫氧化物，這些物質(zhì)作為混凝劑，在納米晶磁磁種的協(xié)同作用下，對水中污染懸浮物及膠體進行混凝、絮凝。

　　4、結(jié)論

　　(1)電化學與納米晶磁組合技術(shù)應用于重金屬廢水處理，絮凝劑(PAM)的分子量影響絮凝效果，1600萬分子量的絮凝劑(PAM)相比于800萬分子量的絮凝劑(PAM)，與納米晶磁磁種具有更好的磁混凝協(xié)同效果，更有利于污染物的去除。

　　(2)電化學與納米晶磁組合技術(shù)應用于重金屬廢水處理，固液分離區(qū)(沉淀區(qū))較優(yōu)表面水力負荷為15m3/m2?h，相比普通斜板沉淀池，節(jié)約占地面積約85%。

　　(3)電化學與納米晶磁組合技術(shù)應用于重金屬廢水處理，不用投加混凝劑(PAC)，混凝劑消耗減少100%。

　　(4)電化學與納米晶磁組合技術(shù)應用于重金屬廢水處理在減少藥耗、縮短沉降時間、減少占地面積、降低工程投資和運行成本上有很大優(yōu)勢，具有非常好的應用前景。(來源：長沙華時捷環(huán)?？萍及l(fā)展股份有限公司)