強化混凝處理磷化清洗廢水的研究

王浩，王敏，喬瑞平，馬研，段東洋(上海泓濟環?？萍脊煞萦邢薰荆虾?200433)

0 引言

磷化主要是由易氧化的金屬產品通過與含鋅、錳、鐵等元素的磷酸鹽溶液進行接觸，在其表面產生一層保護膜。這種對金屬進行的磷酸鹽處理方法稱為磷化，它是對金屬材料及其制件表面進行的一種化學再加工工藝[1-2]。

而在稀土永磁性材料生產過程中，加工產生的磷化清洗廢水中含大量有機污染物、懸浮物、重金屬及含磷化合物等污染物質，色度也比較高。因此，此類廢水若不經處理直接排入水體，將直接影響水體的自凈，導致水質惡化和水體中污染物的增加，并且人們越來越意識到環境水體污染帶來的嚴重危害[3-4]。

因此磷化清洗廢水的處理亟待解決，其處理方法有：凝聚法、吸附法、電化學法、離子交換法和混凝沉淀法等[5-6]。其中混凝沉淀工藝處理磷化清洗廢水，可有效降低有機物的含量[7-10]。并且混凝劑種類繁多，實際工程中處理磷化清洗廢水時常用的混凝劑主要有聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鐵(PFS)、聚丙烯酰胺(PAM)等[11-13]。在實際工程中，可以按照比例使用多種混凝劑，這樣既可以節約成本，又可以達到良好的混凝效果。

因而，本試驗研究強化混凝處理磷化清洗廢水，對比考察了兩元和三元復配藥劑對磷化清洗廢水中COD、色度、UV254等的去除效果，優化了反應條件，為工程項目提供技術支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 主要儀器和試劑

實驗所需用到的儀器如表1所示。實驗所用藥劑：市售無機絮凝劑聚合氯化鋁(PAC)、聚合氯化鋁鐵(PAFC)及聚合硫酸鐵(PFS)，市售有機助凝劑陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)、陰離子聚丙烯酰胺(APAM)及非離子聚丙烯酰胺(NPAM)，市售強化絮凝脫色助劑DCA01、DCA02、DCA03等，硫酸(0.1 mol·L-1)，氫氧化鈉(0.1 mol·L-1)。

表1 實驗所用儀器名稱、型號及廠家

1.2 分析方法

實驗中所采用的分析方法如表2所示。

表2 實驗中采用的分析方法

1.3 廢水水質

本實驗水樣取自某永磁材料廢水調節池，調節池廢水主要由磷化清洗組成，有少量機加工和倒角廢水匯入，水質指標如表3所示。

表3 磷化清洗廢水水質指標

1.4 試驗方法

強化混凝處理磷化清洗廢水，分別量取100 mL水樣置于錐形瓶內，首先用0.1 mol·L-1的H2SO4或0.1 mol·L-1的NaOH溶液調節反應液的初始pH，再依次加入不同種類的無機絮凝劑、有機助凝劑和強化絮凝助劑以及改變不同的投加量后，置于六聯電動攪拌儀上，在200 r/min轉速下快攪30 s，然后在60～80 r/min轉速下慢攪10 min，靜置后取上清液測定COD、UV254及色度等水質指標。

2 實驗結果與分析

2.1 考察不同pH值對混凝沉淀效果的影響

取磷化清洗廢水100 mL至燒杯中，調節pH分別為4.05、4.97、6.04、6.73、7.41、8.55、9.64。每份水樣加入300 mg·L-1PAC1后，再加入5 mg·L-1CPAM1進行操作，靜置后過濾測COD、UV254和色度值，用以分析不同pH值對混凝沉淀效果的影響，結果如圖1所示。

圖1 不同pH值對混凝沉淀效果的影響

由圖1可知，當pH=6.04時，COD的去除率相對較高，為31.40%，之后pH升高，COD的去除率呈逐漸降低。這是因為pH值對膠體顆粒表面的ξ電位、絮凝劑的作用性質等有很大影響，絮凝劑的水解與pH值關系密切，當在最佳pH值時，混凝反應速率最快，混凝效果最好；而UV254和色度的去除率一直保持較高的去除率。由此可見，pH 控制在 6左右是較好的選擇。

2.2 考察不同無機絮凝劑對混凝沉淀效果的影響

取磷化清洗廢水400 mL，分四份各100 mL(已調節pH為6.04)于錐形瓶中，改變無機絮凝劑的種類，分別加入300 mg·L-1的PAC1、PAFC1、PAFC2和PFS，再加入5 mg·L-1CPAM1進行操作，靜置觀察現象，過濾測定COD、UV254和色度值，用以分析不同無機絮凝劑對混凝沉淀效果的影響，結果如圖2所示。

圖2 不同無機絮凝劑對混凝沉淀效果的影響

由圖2可知，當PAFC2投加量為300 mg·L-1時，COD去除率為32.95%，相同條件下的PAC1、PAFC1、PFS的COD的去除率分別為31.48%、28.89%、30.74%。由此可見，聚合氯化鋁鐵的去除效果稍好，選擇PAFC2作為后續實驗的無機絮凝劑。

2.3 考察無機絮凝劑投加量對混凝沉淀效果的影響

取磷化清洗廢水900 mL，調節pH為6.04，分9份各100 mL于錐形瓶中，分別加入30、40、50、55、60、75、90、120、150 mg·L-1PAFC2，再加入5 mg·L-1CPAM1進行操作，靜置觀察現象，過濾測定COD、UV254和色度值，用以分析無機絮凝劑投加量對混凝沉淀效果的影響。結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著PAFC2投加量的增加，COD的去除率先上升，當投加量為50 mg·L-1時，去除率達到最佳34.23%。繼續增大投加量，COD的去除率略有下降后趨于穩定在30%左右；而UV254和色度的去除率一直保持較高的去除率，分別穩定在80%和90%左右，因此，PAFC2投加量為50 mg·L-1時為最佳投加量。

圖3 無機絮凝劑投加量對混凝沉淀效果的影響

2.4 考察不同有機助凝劑對混凝沉淀效果的影響

取磷化清洗廢水600 mL，分6份各100 mL(已調節pH,pH=6.04)于錐形瓶中，分別加入50 mg·L-1PAFC2，再分別加入5 mg·L-1CPAM1、CPAM2、APAM1、APAM2、NPAM1、NPAM2進行操作，靜置觀察現象，過濾測定COD、UV254和色度值，用以分析不同有機助凝劑對混凝沉淀效果的影響，結果如圖4所示。

圖4 不同有機助凝劑對混凝沉淀效果的影響

由圖4可知，CPAM1投加量為5 mg·L-1時的COD去除率為32.35%，相同條件下的CPAM2、APAM1、APAM2、NPAM1、NPAM2對COD的 去 除 率 分 別 為31.47%、30.60%、29.73%、30.17%、27.58%。由此可見，陽離子聚丙烯酰胺的去除效果稍好，選擇CPAM1作為后續實驗的有機助凝劑。

2.5 考察有機助凝劑投加量對混凝沉淀效果的影響

取磷化清洗廢水1 L，分10份各100 mL(已調節pH =6.04)于錐形瓶中，分別加入50 mg·L-1PAFC2，再分別加入3、4、5、6、7、8、9、10 mg·L-1CPAM1進行操作，靜置觀察現象，過濾測定COD、UV254和色度值，用以分析有機助凝劑投加量對混凝沉淀效果的影響。結果如圖5所示。

由圖5可知，隨著CPAM1投加量的增大，COD的去除率上升，當投加量為5 mg·L-1時，COD的去除率已達最佳，為34.06%，往后繼續增大投加量，COD去除率保持穩定；而UV254和色度的去除率一直保持較高的去除率，分別穩定在85%和95%左右，由此可見，CPAM1投加量為5 mg·L-1時為最佳投加量。

圖5 不同無機絮凝劑對混凝沉淀效果的影響

2.6 考察不同強化絮凝助劑對混凝沉淀效果的影響

取磷化清洗廢水300 mL，分三份各100 mL(已調節pH,pH=6.04)于錐形瓶中，分別加入50 mg·L-1PAC1，再分別加入15 mg·L-1DCA01、DCA02、DCA03，再分別加入5 mg·L-1CPAM1進行操作，靜置觀察現象，過濾測定COD、UV254和色度值，用以分析不同強化絮凝助劑對混凝沉淀效果的影響。結果如圖6所示。

圖6 不同強化絮凝助劑對混凝沉淀效果的影響

由圖6可知，DCA01投加量為15 mg·L-1時的COD去除率為48.71%，相同條件下的DCA02、DCA03對COD的去除率分別為47.82%、46.80%，由此可見，DCA01的去除效果稍好，選擇DCA01作為后續實驗的強化絮凝助劑。

2.7 考察強化絮凝助劑投加量對混凝沉淀效果的影響

取磷化清洗廢水1 L，分10份各100 mL(已調節pH, pH=6.04)于錐形瓶中，分別加入50 mg·L-1PAFC2，再分別加入5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、100 mg·L-1DCA01，再分別加入5 mg·L-1CPAM1進行操作，靜置觀察現象，過濾測定COD、UV254和色度值，用以分析強化絮凝助劑投加量對混凝沉淀效果的影響。結果如圖7所示。

由圖7可知，隨著DCA01投加量的增大，COD去除率上升，當投加量為15 mg·L-1時效果就已經達到了最佳，此時COD、色度、UV254的去除率分別為53.70%、96.64%、82.50%。再繼續增大投加量至100 mg·L-1，COD去除率由53.70%緩慢降低至49.03%；而UV254和色度的去除率一直保持較高的去除率，分別穩定在80%和95%左右，由此可見，DCA01投加量為15 mg·L-1時為最佳投加量。

圖7 強化絮凝助劑投加量對混凝沉淀效果的影響

3 結語

本文在不同pH條件下，對無機絮凝劑、有機助凝劑、強化絮凝助劑的種類和投加量進行考察，對強化混凝沉淀效果進行比較分析，得出以下結論：

(1)以強化混凝法去除磷化清洗廢水中的有機污染物是可行的，混凝法具有處理效果好、成本低、操作簡單等優勢；

(2)三元復配藥劑較二元復配藥劑對磷化清洗廢水中COD、色度、UV254等的去除效果更好，且降低了加藥成本、降低了混凝沉淀量，減少了廢水綜合處理成本；

(3)三元復配藥劑最佳操作條件為pH 為6.04、無機絮凝劑PAFC2投加濃度為50 mg·L-1、有機助凝劑CPAM1投加濃度為5 mg·L-1，強化絮凝助劑DCA01投加濃度為15 mg·L-1，強化混凝處理后的COD去除率為53.70%，色度去除率為96.64%，UV254去除率為82.50%。