強化混凝法處理煤氣冷凝水

高 英，肖作義，高 峰，杜雪松，萬淑芳

（1.內蒙古科技大學 能源與環境工程學院，內蒙古 包頭 014010；2.ABB（中國）有限公司，內蒙古 包頭，014010）

高爐煤氣冷凝水是鋼鐵廠采用全干法除塵時，為了控制進布袋前煤氣溫度，通過高爐爐頂噴淋塔噴水來降低溫度時所產生的廢水［1］。其特點是水量大、懸浮物含量高、濁度較大、呈偏酸性，而且含有大量的氯離子［2-4］。常規的混凝沉淀法能有效降低水中的濁度和懸浮物濃度，但對氯離子的去除能力有限。氯離子含量過高時，會造成設備嚴重腐蝕，大幅縮短設備的運行壽命，同時對工廠的穩定生產造成較大的影響［5］，因此需要進行綜合考慮。

一直以來，去除氯離子最有效的方法是陰離子交換法或反滲透法，但二者都需要增加大量設備，并且需要配置相應操作人員，初期投入大、運行成本高、操作靈活度??；而高分子納米除氯劑是以松木木質素為基本結構、在特殊條件下由生物工程方法合成的高分子聚合物，其基本成分淀粉與木質素發生交聯反應，形成具有季胺結構、表面帶較強正電荷的核殼型淀粉納米顆粒，由于其分子鏈上的官能團帶有較強的正電荷，可以吸附水中氯離子，并具有一定的絮凝效果，使用特別靈活、處理成本低、可操作性強。

本實驗選取無機高分子混凝劑聚合氯化鋁、有機高分子混凝劑聚丙烯酰胺和高分子納米除氯劑，對高爐煤氣冷凝水進行強化混凝處理，討論幾種藥劑聯用對混凝效果的影響。

1 實驗方法

1.1 材料、試劑和儀器

廢水取自包頭鋼鐵（集團）有限責任公司高爐煤氣冷凝池出水，水質見表1。

聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺、高分子納米除氯劑：工業級。

無極調速六聯攪拌機：武漢市梅宇儀器有限公司；GDS-3型光電式渾濁度儀：上海海恒機電儀表有限公司；PHS-2型酸度計：上海儀電科學儀器股份有限公司；HY-B2型回旋振蕩器：金壇市醫療儀器廠。

表1 廢水水質

1.2 實驗方法

取廢水800 mL，加入藥劑后以160 r/min的攪拌速率快速攪拌2 min，再以80 r/min的攪拌速率慢速攪拌10 min。靜置沉淀15 min后，取上清液測SS、濁度、氯離子質量濃度，并計算去除率。

1.3 分析方法

采用重量法對103～105 ℃烘干的不可濾殘渣進行稱重，測定SS［6］107-109；采用分光光度法測定濁度［6］96-98；采用硝酸銀滴定法測定氯離子濃度［6］180-183。

2 結果與討論

2.1 單獨投加聚合氯化鋁

保持廢水的pH不變，向廢水中投加聚合氯化鋁藥劑，單獨投加聚合氯化鋁對廢水處理效果的影響見圖1。由圖1可知，隨著聚合氯化鋁加入量的增加，SS和濁度去除率增大；當聚合氯化鋁加入量為25 mg/L時，SS和濁度去除率分別為78.0%和85.0%左右；聚合氯化鋁加入量在25 mg/L到30 mg/L時，SS和濁度去除率基本不變，聚合氯化鋁加入量大于30 mg/L時，SS和濁度去除率呈下降趨勢。單獨使用聚合氯化鋁雖然能夠達到一定的混凝效果，但是效果并不理想，并且對廢水中氯離子的去除幾乎沒有效果。

2.2 聚合氯化鋁與聚丙烯酰胺聯合使用

保持廢水的pH不變，先投加聚合氯化鋁，再以3 mL/L的加入量向廢水中加入質量分數為0.02%的聚丙烯酰胺，聚合氯化鋁與聚丙烯酰胺聯合使用對廢水處理效果的影響見圖2。

圖2 聚合氯化鋁與聚丙烯酰胺聯合使用對廢水處理效果的影響

由圖2可知，隨聚合氯化鋁加入量的增加，SS和濁度去除率增大；當聚合氯化鋁加入量為25 mg/L時，SS和濁度去除率最大；聚合氯化鋁加入量在25 mg/L到30 mg/L時，SS和濁度去除率基本不變，大于30 mg/L時，SS和濁度去除率明顯下降，出現該現象可能是由于在混凝沉淀過程中，隨投藥量增加，經混凝劑水解產生的氫氧化物增多，使正電荷密度得到加強［7］，水中膠體顆粒與混凝劑之間的相互作用得以加強。但混凝劑的加入量并非越多越好，當混凝劑加入量達到一定值時，濁度和SS隨投藥量增加而減小，此時混凝劑的有效利用率降低。兩種混凝劑混合作用最佳條件下，剩余濁度為13.52 NTU，SS為68.08 mg/L，雖然對濁度和SS有一定的去除效果，但是與工業冷卻循環水回用指標［8］相差很大，而且對氯離子沒有明顯去除效果。

2.3 聚合氯化鋁與高分子納米除氯劑聯合使用

保持廢水的pH不變，先投加聚合氯化鋁，再以3.0 mL/L的加入量向廢水中投加高分子納米除氯劑，聚合氯化鋁與高分子納米除氯劑聯合使用對廢水處理效果的影響見圖3。

圖3 聚合氯化鋁與高分子納米除氯劑聯合使用對廢水處理效果的影響

由圖3可知，隨著聚合氯化鋁加入量的增加，SS、濁度、氯離子去除率在開始階段增大；當聚合氯化鋁加入量為20 mg/L時，SS、濁度、氯離子去除率最大；聚合氯化鋁加入量大于20 mg/L時，SS和濁度去除率有所下降，氯離子去除率基本趨于平穩。出現此現象的原因可能是聚合氯化鋁混凝體系Zeta電位隨著聚合氯化鋁加入量的增加而上升，當混凝體系達到等電點，聚合氯化鋁與水中帶負電荷的大分子有機物質結合，易于除去，隨著加入量的繼續增加，可能水中膠體表面電荷出現反轉，增加了絮體之間的排斥力，從而引起濁度、SS去除率下降。而投加高分子納米除氯劑的去除效果明顯優于聚丙烯酰胺。高分子納米除氯劑是采用生物納米技術，使用交聯淀粉顆粒［9］與木質素季銨鹽［10］混合得到的高分子聚合物，其成分季胺型陽離子淀粉本身具有優異的絮凝效果［11］，而改性后的木質素大分子表現出正電性的化合物特征，對水溶液中顆粒起到靜電吸引與電性中和作用，對SS和濁度的去除有明顯的輔助作用。而大分子木質素結構中包含有芳環、脂肪族側鏈和許多活性官能團，從而表現出一系列的化學反應活性，其中正碳離子可以吸附帶負電荷的氯離子基團，達到去除氯離子的效果［12］。綜合考慮，選擇加入量分別為20 mg/L和3.0 mL/L的聚合氯化鋁與高分子納米除氯劑混合處理煤氣冷凝水，出水SS小于10 mg/L，濁度小于10 NTU，氯離子去除率達到80%左右。

2.4 高分子納米除氯劑加入量對廢水處理效果的影響

保持廢水的pH不變，聚合氯化鋁加入量為20 mg/L時，高分子納米除氯劑加入量對廢水處理效果的影響見圖4。

圖4 高分子納米除氯劑加入量對廢水處理效果的影響

由圖4可知：隨著高分子納米除氯劑加入量的增加，SS、濁度、氯離子去除率增大；當高分子納米除氯劑加入量為2.0 mL/L時，SS、濁度、氯離子去除率最大；高分子納米除氯劑加入量大于2.0 mL/L時，SS和濁度去除率有所下降，但氯離子去除率趨于平穩。此現象說明高分子納米除氯劑在一定的投加范圍內，對混凝去除SS和濁度具有輔助作用，但當加入量過大時，氯離子濃度沒有明顯變化，而水體出現渾濁，剩余濁度增加，原因可能是高分子納米除氯劑中的木質素基團首先通過靜電吸引或氫鍵作用吸附氯離子和膠體顆粒，再依靠片狀絮體自身的憎水、沉降性將膠體顆粒及懸浮物網捕、卷掃下來，由于高分子納米除氯劑分子屬網狀的高分子混凝劑，沒有聚丙烯酰胺分子那樣明顯的條狀結構，由架橋而引發的絮凝作用較小［13］。高分子納米除氯劑本身帶有正電荷的基團，投加過量會使原來因電荷中和而失穩的膠體顆粒帶上正電荷，膠體顆粒間會因斥力而出現再穩現象［14］。因此，高分子納米除氯劑較佳的加入量為2.0 mL/L，此時出水SS小于10 mg/L，濁度小于10 NTU，氯離子去除率達到80%左右，基本接近工業冷卻循環水回用指標。

2.5 廢水pH對廢水處理效果的影響

當高分子納米除氯劑加入量為2.0 mL/L、聚合氯化鋁加入量為20 mg/L時，廢水pH對廢水處理效果的影響見圖5。由圖5可知：隨著廢水pH的增大，SS、濁度、氯離子去除率增大；當廢水pH為6.5時，SS和濁度去除率最大，分別為96.8%和98.62%；當廢水pH大于6.5時，SS、濁度、氯離子去除率有所下降，尤其SS和濁度去除率下降明顯。原因可能是pH影響鋁鹽混凝劑的水解程度，從而影響混凝效果。通常認為適宜的廢水pH條件下，聚合氯化鋁中的鋁具有較高正電荷，是發揮絮凝作用的主要存在形態［15］；高分子納米除氯劑中的木質素季銨基團帶正電荷，在酸性條件下由于靜電排斥作用，伸展度大，有效分子長度長，易于吸附架橋，而堿性條件下分子上所帶電荷被中和，分子內的氫鍵作用力使分子成線團狀，伸展度小，分子的有效長度短，難于吸附架橋。在廢水pH為6.5時，高分子納米除氯劑表現出最強的靜電吸附作用，對水中氯離子吸附效果最好。兩種藥劑結合作用的最佳pH為6.5，與廢水自身pH基本相同，無需調節，此時出水SS小于10 mg/L，濁度小于10 NTU，氯離子去除率達到80%以上，基本接近工業冷卻循環水回用指標。

圖5 廢水pH對廢水處理效果的影響

2.6 廢水中其他離子的混凝去除效果

當聚合氯化鋁加入量為20 mg/L、高分子納米除氯劑加入量為2.0 mL/L、不調節廢水pH時，混凝處理后煤氣冷凝水出水水質見表2。由表2可見，使用聚合氯化鋁與高分子納米級除氯劑混凝時，不僅對濁度、SS和氯離子有較好的去除效果，而且對廢水中的其他離子也有一定的去除效果。

表2 混凝處理后煤氣冷凝水出水水質

3 結論

a）采用不同混凝劑處理高爐煤氣冷凝水，當聚合氯化鋁與聚丙烯酰胺混合使用時，出水SS和濁度均有一定去除效果，且優于單獨使用聚合氯化鋁時的混凝效果，但是兩者對氯離子的去除都幾乎沒有作用，而且出水水質與工業循環冷卻水回用標準有較大差距。

b）當聚合氯化鋁加入量為20 mg／L、高分子納米級除氯劑加入量為2.0 mL／L時，對高爐煤氣冷凝水的處理效果優于聚合氯化鋁與聚丙烯酰胺聯合使用，出水SS小于10 mg/L，濁度小于10 NTU，氯離子去除率達到80%左右，基本接近工業冷卻循環水回用指標。

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