染料廢水脫色的混凝處理
摘要:闡明了染料廢水的污染特征來源及混凝的脫色機理和 方法 , 探討了無機混凝劑和有機混凝劑在印染廢水脫色處理中的 應用 ,介紹了國內外染料脫色的新技術工藝,并在此基礎上對染料廢水的脫色混凝進展進行了評述。
關鍵詞:廢水處理 脫色 混凝
隨著我國 工業 的 發展 ,印染廢水已成為我國 目前 主要有害、難處理的工業廢水之一。隨著染料工業的飛速發展和后整理技術的進步,新型助劑、染料、整理劑等在印染行業中被大量使用,進一步加重了印染廢水脫色處理的難度。印染廢水屬于含有一定量有毒物質的有機廢水, 含有殘余染料、染色助劑、酸堿以及一些重金屬, 其中殘余染料及助劑構成了廢水中有機污染物的主要成分, 并使廢水帶有特殊的顏色. 因此, 如何使印染廢水脫色是處理的重要 問題 ,脫色方法的 研究 也成為印染廢水處理的重要課題。
混凝法是向廢水中添加一定物質,通過物理或化學的作用,使原先溶于廢水中或呈細微狀態、不易沉降、過濾的污染物集結成較大顆粒,以便于分離的方法。印染廢水處理的方法很多,物理方法包括吸附法、膜分離技術、超聲波氣振法、高能物理法;化學方法包括化學混凝法、臭氧氧化法,芬頓試劑氧化法、濕式空氣氧化法、超臨界水氧化法、焚燒法;電化學法包括電混凝法、電氣浮法、電氧化法、微電解法; 光化學氧化法包括光分解、光激發氧化、光催化氧化等 。其中混凝法具有成本較低,操作簡單而有效等優點,成為工業用水和廢水處理的重要手段。
1 染料廢水的來源及特點
染料廢水是主要有害的工業廢水之一,主要來源于染料及染料中間體生產行業, 由各種產品和中間體結晶的母液、生產過程中流失的物料及沖刷地面的污水等組成。
我國染料工業具有小批量、多品種的特點, 大部分是間歇操作, 廢水間斷性排放, 水質水量變化范圍大。染料生產流程長,產品收率低, 廢水組分復雜、濃度高(COD 為1000~ 10 萬mg/L )、色度深(500~ 50萬倍)。廢水中的有機組分大多以芳烴及雜環化合物為母體,并帶有顯色基團及極性基團。廢水中還含有較多的原料和副產品, 如鹵化物、硝基物、苯胺、酚類等,以及無機鹽如NaCl、Na2SO4、N a2S 等。由于染料生產品種多, 并朝著抗光解、抗氧化、抗生物氧化方向發展,從而使染料廢水處理難度加大。染料廢水的處理難點: 一是COD 高,而BOD/ COD 值較小, 可生化性差;二是色度高, 且組分復雜。COD 的去除與脫色有相關性, 但脫色問題困難更大。
2 染料分類及發色機理
2.1 染料分類
2.1.1 直接染料
直接染料一般屬雙偶氮、三偶氮或二苯乙烯型結構,分子中親水基團含量較高,水溶性好,溶解度大,在水溶液中直接染料分子一般呈直線形展開,幾個芳環位于同一個平面內。染料分子可通過基團之間的氫鍵相互締合,有較大的聚集傾向,在水溶液中以膠體形態存在,較易被化學混凝法去除。
2.1.2 活性染料
活性染料有單偶氮型、蒽醌型、酞菁型等。活性染料在水中的分散狀態隨其結構而變。分子量大或芳環呈平面者易發生締合,形成大分子基團而易被除去; 分子量小且芳環不在一個平面內,多以接近真溶液的狀態存在,混凝去除率下降。
2.1.3 還原染料
還原染料分子結構的基本骨架是分子量較大的多環芳香族化合物,疏水芳香環多
而親水基團少,它與分散染料均屬于非離子型的疏水性染料,在水中溶解度極微,主要以疏水性的懸浮微粒存在,穩定性較差,混凝劑加入后易發生凝聚而被除去。
2.1.4 弱酸性染料
弱酸性染料一般為單偶氮和雙偶氮類,溶解度中等,常溫下在水溶液中以接近膠體的狀態存在,易被混凝除去。
2.1.5 中性染料
中性染料常見的為單偶氮2∶1 型金屬絡合染料,中心絡合離子為Co2 + 、Cr2 + 等。由于中心存在金屬絡離子,導致幾個苯環不在同一個平面內,分子間較難締合,染料在水中以接近真溶液的狀態存在,即使混凝劑投加量較大,脫色率也很低[1]。
李碩文[2]的研究表明,直接染料和還原、分散、硫化染料易通過化學混凝去除,脫色率高;活性染料混凝去除效果隨分子量而異;分子量大的易去除;強酸性染料脫色率低,弱酸性和中性染料脫色率高;陽離子染料用混凝劑難以去除,脫色率低。
2.2 發色機理
染料的顏色取決于其分子結構。按Wiff發色基團學說, 染料分子的發色體中不飽和共軛鏈( 如- C= C- 、- N = N - 、- N = O)的一端與含有供 電子 基(如- OH、- NH2)或吸收電子基(如- NO2、>C = O ) 的基團相連, 另一端與電性相反的基團相連;衔锓肿游樟艘欢úㄩL的光量子的能量后, 發生極化并產生偶極矩, 使價電子在不同能級間躍遷而形成不同的顏色。一般來說, 染料分子結構中共軛鏈越長, 顏色越深; 苯環增加, 顏色加深; 分子量增加, 特別是共軛雙鍵數增加,顏色加深。[2]
3 混凝沉淀(氣浮)法
目前,在常用的印染廢水脫色方法中,混凝沉淀(氣浮)法由于技術投資省、設備簡單、占地少等優點而被廣泛應用。
在混凝過程中,混凝劑在水中先發生水解、聚合等化學反應,生成的水解、聚合產物再與水中的顆粒發生靜電中和、粒間加橋、粘附卷掃等作用,生成粗大的混凝體再經沉淀除去。 以上幾種作用可能同時產生,在不同的條件下某種作用可能是主導因素。 印染廢水中染料發色基團就是通過上述的復雜過程而完成脫色處理的。 混凝法的關鍵在于混凝劑的選擇,投加量少,管理方便,并能取得最佳 經濟 效果的混凝劑是最有生命力的。
在印染廢水中使用的混凝劑很多,大致可分為無機混凝劑和有機混凝劑兩類。
3.1 無機混凝劑
在實際應用中的無機混凝劑以鐵鹽、鋁鹽為主,鎂鹽由于其特殊的吸附作用也和其它混凝劑復配而被廣泛使用。
李玉江[3]的研究發現,PAFM 是一種含有鐵、鋁、鎂等多種金屬離子的新型復合混凝劑。pH 值在5~10范圍內,PAFM 具有良好的混凝除濁性能。 PAFM 自身的協同混凝作用,使其具有優良的脫色效果,且pH值適應范圍寬。 PAFM 對成份復雜的工業印染廢水具有良好的脫色效果和COD 去除能力。
高玉寶[4]通過研究(化學氧化法和化學混凝法)發現,光激發產生的復合氧化氣體較純ClO2 具有更好的脫色效果,且二者對活性染料廢水的脫色效果優于對分散染料廢水的脫色效果,都是在pH < 10 的條件下取得良好的脫色效果;化學混凝法對分散染料廢水的脫色效果優于對活性染料廢水的脫色效果,MgCl2·6H2O 的脫色效果最好,PAC 次之,Al2 (SO4) 3·18H2O 最差;pH 值對MgCl2·6H2O 的脫色效果
胡成松[5]通過實驗發現,聚合硫酸鐵具有投加量小、礬花大、沉降速度快、脫色率高等優點,特別是其pH 適應范圍廣,對pH = 4 的廢水脫色率為85 % ,pH> 6 以后,脫色率可達92%以上。
黃新文[6、7]研究發現PSDC-Ⅰ、PSDC-Ⅱ均為同時具有混凝和脫色效果的新型無機高分子混凝劑,具有良好的去除效果和儲存穩定性,且具有兩個最佳脫色區:一個是pH值在6—8 左右;另一個是pH 值在13左右。
余瑩[8]在實驗中發現,將聚硅鋁鐵硼應用于處理印染廢水, 其脫色效果佳, 透光率可達98%; 用于處理生活污水, 其COD 的去除率高達85%;且具有制備工藝簡單、高效、礬花大、沉降速度快、污泥體積小、脫色及去除COD效果良好等優點。
通過多方面的研究及實踐證明,利用無機混凝劑可以較好地去除印染廢水中大部分懸浮態染料、分散染料、還原染料、硫化染料及水溶性染料中分子量較大的部分直接染料,但對于活性染料、金屬絡合染料的去除效果則較低。
3.2 有機混凝劑
由于普通的無機混凝劑在廢水處理中藥劑投加量大,處理費用高,且隨水質的變化需改變加藥條件,因此運行管理比較復雜。最近幾年的研究結果表明,有機高分子混凝劑與無機混凝劑相比,具有用量少、pH 適用范圍廣、受鹽類及環境條件 影響 小、污泥量少、處理效果好等優良性能。目前用于印染廢水中的有機混凝劑主要分為天然和合成兩大類。
3.2.1 天然有機高分子混凝劑
天然高分子混凝劑的主要品種有碳水化合物類(多聚糖類)、殼聚糖、甲殼素類,微生物混凝劑類三大類,通常使用農副產品中的有機高分子物質提取制得,價廉,易降解,但電荷密度較小,分子量較低,且易發生生物降解而失去混凝活性,故使用范圍不廣。
以價廉物豐、無毒、生物可降解的淀粉為原料制得的陽離子淀粉在工業廢水處理中是優良的高分子混凝劑和陰離子交換劑。取代度0.3 以下的陽離子淀粉對印染廢水有脫色效率高、用量少、成本低、無二次污染等特點。具本植等[10]選用N-環氧丙基三甲基氯化銨(GTA)為陽離子化試劑, 以6% LiOH水溶液為催化劑,控制溫度70 ℃、反應時間2 h、反應體系含水量24.6%,以干法制備了取代度為0.5 的交聯陽離子淀粉(CCS) ,脫色效果可達90%左右。李旭祥[11]用(NH4)2SO4做引發劑,將淀粉與丙烯腈進行接枝共聚反應制得的改性淀粉混凝劑,用于處理印染廢水,色度去除率為91 %以上。
木質素是天然芳香蔟化合物,吳冰艷[12]利用木質素做原料,用季胺鹽單體與之進行接枝聚合制得的木質季胺鹽混凝劑,在處理丁酸染料廢水時,混凝劑中的季胺離子與廢水中的磺酸基團發生化學反應,生成不溶于水的物質,從而使染料得以混凝沉降去除。 當投加量為20 mg/ L 時,色度去除率可達90 %以上。
殼聚糖的混凝機理主要是電荷中和以及分子架橋作用[13]。甲殼素是 自然 界中存在的一種多糖物質,廣泛存在于蝦、蟹的外殼中,殼聚糖作為混凝劑處理廢水,在適當的條件下可以回用;甲基殼聚糖是甲殼素一種衍生物,處理印染廢水的脫色率與殼聚糖相當,但混凝速度快于殼聚糖,且混凝物不易破碎,便于固體液分離。方忻蘭[14 ]利用海蝦、蟹殼為原料,制得的殼聚糖為陰離子型天然有機高分子混凝劑,用來處理印染廢水, CODCr去除率可達85 %以上,形成的礬花顆粒大,沉降快。
無論是無機混凝劑和有機混凝劑都存在最佳劑量,小于或大于最佳投加量,混凝效果都不好。鄒鵬[15]通過實驗得出:陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)、殼聚糖、三氯化鋁的最佳投加質量濃度分別為0.2g/L、10g/L、35g/L。三者中,陽離子聚丙烯酰胺的藥劑最低,AlCl3使用藥劑最多。將殼聚糖與氯化鋁復合,能大大提高污泥的脫水性能。殼聚糖能很好地對污泥進行預調理,使其易機械脫水; 其調理效果好于無機的AlCl3,但卻差于CPAM。在采用AlCl3和殼聚糖兩種混凝劑復合對污泥進行調理時,發現污泥比阻值達到更低水平,兩者投加順序不同對污泥調理效果也不同。
3.2.2 合成有機高分子混凝劑
人工合成的有機高分子混凝劑,分子量大,分子鏈中所帶的官能團多,在水中的伸展度大,混凝性能好,用量小,pH 值范圍廣。 同時在混凝過濾、脫水等分離操作方面都具有優越的性能。
目前應用最好的高分子混凝劑PAN - DCD,通過靜電作用和分子間氫鍵將水中的日染料混凝、聚沉和沉降,其對中性染料、活性染料、酸性染料脫色效果良好,脫色率達90%以上
基于染料染色機理的混凝脫色機制,邵青等合成了外觀為無色或淺色粘稠液體,它是一種分子結構和空間形態與植物纖維以及蛋白質纖維的結構和空間結構相似的線性分子。該脫色劑對能染上這種纖維的染料均具有強親和力,其印染廢水的COD 去除率為50—90 % ,色度去除率為80—99.9 %。
孫云霞[16]以魔芋精粉為主要原料,用磷酸二氫鈉為酯化劑在尿素的催化下,合成魔芋葡甘聚糖磷酸酯新型有機高分子絮凝劑。它可應用于煮繭廢液蛋白質沉淀水的處理,效果較好,用量少,成本低,是中新型的水的凈化劑。
合成有機高分子混凝劑雖然具有良好的混凝性能,但由于殘留單體毒性,限制了它的食品加工、給水處理及發酵工業等方面的發展。今后應優化開發無毒有機高分子混凝劑的合成工藝,從而使開發的新產品效果更好,成本更低,應用面更廣。天然高分子改性陽離子型混凝劑,具有優良的混凝性、不致病性及安全性、可生物降解性,正引起世人的普遍關注,根據我國國情,開發天然高分子混凝劑是大有前途的。
4 混凝處理在不同染料廢水的應用
焦化廢水水量大,水質復雜,含有焦油、苯、酚、氟化物、氨氮、硫化物等污染物,是一種典型的含有大量有毒有害物質的工業廢水。李義久[17]的研究發現,以聚三氯化鐵為混凝劑,PAM為助凝劑,新型復合氯氧化劑量SD101為催化氧化劑,在pH為6.5~7.0、水溫為30C條件下處理3小時,能有效降低廢水色度。
吳敦虎[18]通過混凝法脫色試驗發現:對pH 4. 5~6. 5、COD 6000~17000/ mg·L- 1 、色度100~350 倍、SS 200~6500/ mg·L- 1 、外觀呈藍紫色的油墨廢水,在混凝劑為聚合氯化鐵,投藥量為100/ mg·L- 1,pH 適用范圍為4. 8~5. 5。助凝劑為陽離子聚丙烯酰胺,分子量為1500 萬,離子度40 % ,投藥量0.4/mg·L- 1時,處理后的廢水脫色率達到97.0 %以上。
由于制漿中段廢水中含有大量難于被微生物降解的木素衍生物,使制漿中段廢水色度深和難于被微生物脫色。莫立煥[19]研究發現,混凝法是降低木漿中段廢水色度的有效方法,但是需要進一步研究開發高效價廉的混凝劑,尤其是無機和有機復配的高效混凝劑更值得關注。
周書天[20]采用濕式過氧化氫氧化—鐵屑過濾—混凝技術處理高濃度偶氮染料廢水,COD 和色度的去除率分別高達85% 和99%。濕式過氧化氫氧化處理過程受溫度、硫酸投量、Fe2+ 投量、H2O2 投量的影響, 反應溫度對COD 和色度的去除率影響較大, COD 去除率的增加與H2O2 投量成正比, 色度的去除率隨COD 的增高而增大。
各種染料廢水都具有不同的特點,處理廢水時應先弄清其水質其特性,選擇最合適的混凝劑及混凝工藝,才能達到最佳處理效果。
4.1 廢水脫色的混凝組合處理
染料廢水的脫色處理, 由于經濟等方面的原因采用單一方法往往不能達到處理要求。此外, 染料廢水處理除色度外還包括SS、COD、BOD 等多項指標要求。因此, 采用組合方法是完全必要的。
混凝脫色—CASS 處理工藝,是以生化為主,輔以物化生物結合的處理流程,不僅去除了大部分色度,而且對于部分不可生化的中高濃度COD 有機物質有較好的去除效果。柳景昌[21]通過研究發現,該技術用于絨線印染廢水處理對廢水中的色度、COD有很好的去除效果,去除率分別可達91.85 %~97.49 %和81.89 %~87.58 % ,pH和SS 的去除率分別達到5.81%~7.79 %和7.18~24.49 %之間,處理后的廢水可以達到國家排放標準。
制革廢水中含有的染料、油脂、有機溶劑、酚類化合物和表面活性劑等污染物,如果只依賴單一的處理工藝往往難以達到排放標準,在實際廢水處理工程常是采用多種方法結合,以充分發揮各種處理工藝的優勢,取得最佳的效果。鄭新萍[22]采用混凝沉降—生物膜法處理藍濕牛皮制革廢水。通過工程實踐證明,該法對廢水COD和BOD的去除率可達94%以上,且對廢水的脫色效果良好。
裘祖楠[23]開發的同步吸附—混凝—氧化處理法工藝,利用吸附劑、氧化劑、混凝劑的共同反應作用以及空氣鼓泡攪拌,對主要含有陽離子染料和陰離子染料的染色廢水治理,效果良好,CODcr去除率及排放水色度均有較大的改善。
氧化法對親水性染料脫色速度快、效果好; 對疏水性染料則速度較慢, 效果也較差; 混凝處理效果則恰恰相反。兩者結合使用, 可取得良好的脫色效果。張楠[24]的實驗表明,應用混凝—氧化處理染料廢水脫色率高達95 %以上, 處理后的水樣接近無色透明。采用新型混凝劑PSA 與普通混凝劑相比, 所需用量要低得多, 且對廢水中的色度和濁度去除快, 脫色效率高達96.3 %。
各種脫色方法比較 分析 ,可以看出每種處理方法從技術性,經濟性,實用性以及可操作性上都存在一定的缺陷,因此在實際工程中應該按照具體條件和要求,合理選擇工藝組合。
5 染料廢水脫色新技術
國外對臭氧-紫外法、臭氧-紅外法、臭氧-生化法、濕式空氣氧化法、萃取法、C射線輻射法的 研究 均有相當進展, 其中C射線輻射可加強后續混凝處理效果, 大大提高對陽離子染料的去除率。對高濃度、高鹽含量的染料廢液、母液, 蒸發濃縮后焚燒(必要時加入輔助燃料) , 也是國外處理染料廢水的重要 方法 。膜分離技術與其他處理技術結合,有可能形成廢水深度處理及回收利用極有前途的物理化學處理新技術。
肖瑞德[25]通過在硫酸鐵分子簇的 網絡 結構中引入某些脫色基團, 形成一系列新型無機—有機高分子脫色混凝劑(M PFS) ,從而提高其脫色性能,出水效果最好,無返色現象, 污泥量小, 在最佳條件下脫色率達90% 以上。
在脫色混凝劑方面, 近年來開發了鋅螯聚電解質——聚集劑ZB-2、ZB-3等高效混凝劑。在提高生物方法脫色率方面, 近年來著眼于培養新菌種, 發現假單胞細菌、浮游球衣菌、節桿菌、枯草菌、氧化酵母菌等微生物對偶氮染料脫色降解有相當的效果。
6 結語
印染廢水是當前公認的較難處理的 工業 廢水之一。 在探索印染廢水的無害化處理工藝方面,國內外學術刊物上已有許多 文獻 報道,其中尤以混凝技術具有代表性和實用性。 在此工藝中,針對特定的印染廢水,混凝劑的選擇就成為 影響 混凝效果的關鍵因素。
由于印染廢水水質比較復雜,無機單鹽混凝劑在水解混凝過程中,未能完成具有優勢混凝效果的形態,投藥量大,混凝效果差;無機高分子混凝劑可以較好地除去廢水中大部分懸浮態染料,但對于水溶性染料中分子量小、不容易形成膠體的廢水則難以處理;有機高分子混凝劑對于水溶性染料等廢水具有很好的脫色性能,但單獨使用效果差,而且易于產生有毒物質;因此,開發研制價廉、無毒、高效的新型有機混凝劑, 目前 已成為混凝法的主要研究方向之一。
復合混凝劑則能同時發揮幾種混凝劑的優點,使混凝法用于印染廢水處理既 經濟 ,又適用。如將有機混凝劑與無機混凝劑復配使用,充分發揮有機高分子混凝劑的吸咐架橋性能和無機混凝劑的電性中和能力,可以使處理出水達到較好的效果。
此外,淀粉衍生物、木質素衍生物、羧甲基殼聚糖等天然高分子具有無毒、原料廣、價廉和可生物降解等優點,也得到科研工作者的高度重視?傊,高效、無毒、無害的環境友好性混凝即將在印染廢水處理中有廣闊的 應用 前景;
混凝法雖然是含染料廢水處理的常用方法,但對于許多可溶性好的染料, 處理效果往往不佳。因此, 復合混凝法將成為工業廢水處理工藝研究的主要 內容 和 發展 方向。根據實際出水要求,采用適當的預處理和后處理手段,發揮混凝工藝與其它工藝的協同工作的優勢,以達綜合治理的目的,這對于提高印染廢水的處理效果,降低處理成本具有極其重要的意義。
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