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东北大学硕士学位论文 高炉煤气洗涤废水处理方法的研究 摘要 目前世界性的水资源缺乏和水质污染曰趋严重，可取用的淡水资 源越来越少，已构成严重的社会危机。水资源的短缺将是2 l 世纪全球 面临的一个共同问题，这个问题己得到了全世界各个国家的重视，因 为，它不仅是关系到我们这个时代的生存和发展，而且会对全球未来 经济和政治产生重要影响。我国是一个水资源严重短缺的国家，水资 源在地域上分布极为不均，在工农业发达地区，水资源短缺日益严重， 由于水资源短缺及水污染严重引起的问题日益增加，所以，加强对生 活污水和工业废水的治理是我们维护生态环境、提高水资源利用率的 重要途径。 高炉煤气洗涤废水是我国钢铁企业的主要工业废水之一，高炉煤 气洗涤废水的排放不仅是一种资源浪费，而且高炉煤气洗涤废水对环 境的污染也是严重的。本文研究的目的就是旨在寻找一种有效的方法， 能够对高炉煤气洗涤废水的处理起到良好的作用，使其经处理后能够 进行回用，在保护钢铁企业周围生态环境的同时，提高水资源的利用 率。本课题采用无机混凝剂与有机高分子混凝剂聚丙烯酰胺配合使用 的化学混凝方法对高炉煤气洗涤废水进行处理，混凝实验的主要内容 为无机混凝剂品种的选择、混凝剂的单条件实验及正交实验，通过上 述实验确定具体采用何种无机混凝剂，以及混凝剂处理高炉煤气洗涤 废水的最佳实验条件。处理后的废水投加适量的杀菌剂进行微生物的 控制。 本文采用无机混凝剂与有机高分子混凝剂配合使用的化学混凝方 法对本溪钢铁公司五号高炉的煤气洗涤废水进行处理，并对实验结果 进行了理论分析。 关键词高炉煤气洗涤水污水处理 混凝剂 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho ft r e a t m e n to f w a s h i n g w a t e r f o rb l a s tf u r n a c eg a s a b s t r a c t n o wc o s m o p o l i t a nw a t e rr e s o u r c es h o r t a g ea n dw a t e rp o l l u t i o na r e m o r ea n dm o r es e r i o u s a v a i l a b l ef r e s h w a t e ri s b e c o m i n gl e s s a n dl e s s t h i sb e c o m e sad a n g e rt os o c i e t y w a t e rr e s o u r c es h o r t a g ew i l lb eaf o c u s i s s u ef a c e db yt h ew h o l ew o r l di nt h e2 1r s t c e n t u r y t h i sis s u en o wi s a t t a c h i n gg r e a ta t t e n t i o nb ym o r ea n dm o r ec o u n t r i e sb e c a u s ei tn o to n l y c o n t r i b u t est ot h eh u m a ne x i s t e n c ea n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ，b u ta ls oh a s g r e a ti m p a c t0 nt h ee c o n o m ya n dp o l i t i c st ot h ew h o l ew o r l d c h i n ai sa c o u n t r ys h o r to fw a t e r r e s o u r c ea n dw a t e rr e s o u r c ed i s t r i b u t i n gi su n e q u a l i ni n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ea r e aw a t e rr e s o u r c ei s v e r ys h o r t a g e b e c a u s e t h ep r o b l e msc a u s e db yw a t e rr e s o u r c es h o r t a g ea n dw a t e rp o l l u t i o na r e i n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，i t i s u r g e n t f o ru st o i m p r o v et h em u n i c i p a la n d i n d u s t r i a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt os a v et h ep r e c i o u sw a t e rr e s o u r c e w a s h i n gw a t e rf o rb l a s tf u r n a c eg a si s o n eo f i n d u s t r yw a s t e w a t e r si n s t e e l c o r p o r a t i o n s i fw a s h i n gw a t e rf o rb l a s tf u r n a c ei sd i s c h a r g e di n t o e n v i r o n m e n tf r e e l y ，i tw i l lb en o to n l yak i n do fr e s o u r c ew a s t eb u ta l s oa v e r y s e r i o u s p o l l u t i o n t h i s d i s s e r t a t i o na i msa t f i n d i n g a ne f f e c t i v e m e t h o dt h a th a sg e e dr es u l tt ot h i sk i n do fw a s t e w a t e rt oa c h i e v er e u s e s t a n d a r d t h r o u g ht h i sm e t h o dt h eu t i l i z a t i o nr a t eo fw a t e rr e s o u r c ec o u l d b ei m p r o v e da n da tt h es a m et i m et h e s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n tc o u l db e p r o t e c t e d i nt h i s d i s s e r t a t i o nat r e a t m e n t p r o c e s s t h a tt a k e s i n o r g a n i c m i s t u r aa n do r g a n i ch i g hm o l e c u l a rm is t u r at o g e t h e rt od e a lw i t hw a s h i n g w a t e rf o rb l a s tf u r n a c e g a s i si n t r o d u c e d i nt h e e x p e r i m e n ti n o r g a n i c m i s t u r ai sc h o s e na n ds e d i m e n t a t i o n e x p e r i m e n t isc a r r i e do u tt o d e t e r m i n et h eb e s t o p e r a t i o n a lc o n d i t i o n ，t h e na d d i n gg e r m i c i d e i n t o w a t ert oc e n t r e la n i m a l c u l e w et a k et h em e t h o do fi n o r g a n i cm i s t u r aa n do r g a n i ch i g hm o l e c u l a r m i s t u r at o g e t h e rt od e a lw i t hw a s h i n gw a t e rf o rb l a s tf u r n a c eg a so fn o 5 b l a s t f u r n a c eo fb e n x ii r o na n ds t e e l c o m p a n y f u r t h e r m o r e ，t h e t t 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y k e yw o r d sw a s h i n gw a t e rf o rb l a s tf u r n a c eg a s ，s e w a g ed is p o s a l m i s t u r a i l l 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 本人签名：陈茁) 日 期：印阱f 、斗 查兰查兰婴主兰堡垒叁茎二主丝 第一章绪论 1 1 废水资源化研究的意义 水是大自然赋予人类赖以生存和发展的不可或缺、不可替代的宝 贵资源。世界性的水资源缺乏和水质污染同趋严重，可取用的淡水资 源越来越少，已构成严重的社会危机。目前，全球6 0 以上陆地淡 水不足，有4 0 多个国家严重缺水，世界上有1 3 的人得不到安全水【2 j 。 联合国早在1 9 9 7 年就向全世界发出警告：水资源不久将成为继石油危 机之后的另一个更为严重的全球性危机。近年来多种渠道的报道都在 告诫人类面临着水源危机。据估计，全球对水的需求，每2 0 年将增加 倍，但水的供应却不会以这种速度增加。现在，拥有世界人口4 0 的约8 0 多个国家正面l 临着水源不足，并使其农业、工业和人民的健康 受到威胁 j 。人类不但需水量大，而且随着工农业的迅速发展和人口 增加，排放的废污水量也急剧增加，使许多江、河、湖、水库，甚至 地下水等都遭受不同程度的污染，使水质下降。而水质的优劣直接关 系到工农业生产能否正常进行，关系到水生生物的生长，更关系到人 体的健康，因此，避免水危机的加剧，保护和合理利用水资源极为重 要。 人类对水的认识经过天然水( n a t u r a lw a t e r ) 、工程水( p r o i e c t w a t e r ) 、资源水( r es o u r c e sw a t e r ) 阶段。发达国家大部分已经完成一、 二阶段，进入到第三阶段【4j ，资源保护、管理意识强、人1 2 资源环境 协调较好。发展中国家多数进入第二阶段，资源意识不强，污染和资 源浪费严重。当前，废水资源化的研究与实践正在世界发达国家开展。 我国是一个水资源严重短缺的国家，水资源在地域上分布极为不均， 在工农业发达地区，水资源短缺日益严重，由于水资源短缺及水污染 严重引起的问题日益增加，所以，进行废水的治理与回用既是保护环 境，保护家园的迫切任务，也是节约资源、促进生产的必要手段。 在众多废水中，高炉煤气洗涤废水作为我国钢铁企业的主要工业废 水之一， 具有水量大、水温高、悬浮物含量高等特点5 1 。据报道，我 国黑色冶金企业每年共产生高炉煤气洗涤废水约4 5 8 亿t ，排放量达 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 2 7 3 亿t ，而排放合格率仅约为2 4 6 。目前我国仅首钢和宝钢等少数 大型企业的高炉煤气洗涤废水经处理后的循环使用率达9 0 以上，而 大部分企业的废水都是采用沉淀池沉淀，一部分循环使用，一部分外 排。少数企业的废水未经处理就直接排入江河，造成环境污染及水资 源的严重浪费。所以，寻找适合的高炉煤气洗涤废水处理工艺和设备， 成为钢铁企业生产的迫在眉睫的大事。 1 2 高炉煤气洗涤废水的来源和特点 高炉煤气洗涤是将从炼铁高炉炉顶出来的干式重力除尘器除尘后 的煤气，通过洗涤使之成为净煤气，在送至冶金厂用户作为燃料使用 j 。离开高炉炉顶的煤气，首先通过重力除尘器，除掉炉顶煤气所含 炉尘的5 0 6 0 ，然后煤气进入洗涤设备。煤气的洗涤和冷却是通过洗 涤塔、文氏管中的水气对流接触而实现的。洗涤塔是一个圆柱形的钢 简，筒内装有若干层喷嘴，在筒内煤气自下而上流动，水则自上而下 喷淋，在气、水两相接触中，达到除尘和冷却煤气的目的。洗涤后的 废水，汇集在塔的下部，通过水封连续排出。文氏洗涤器，由文氏管 和灰泥捕集器组成。设在文氏管喉口处的喷嘴向喉口喷水，煤气在流 经喉口时速度很快，水滴在与高速煤气流剧烈撞击中被雾化，使气、 水两相充分接触，从而达到除尘和冷却煤气的目的。洗涤后的废水， 汇集在灰泥捕集器里，通过水封连续排出。减压阀为防止阀板积尘， 需要不断用水冲洗，冲洗后的废水，汇集在脱水器的下部，通过水封 连续排出 8 。上述用水设备排出的废水即为高炉煤气洗涤废水。 因水直接与煤气接触，煤气中的细小固体杂质( 亦称瓦斯泥) 进 入水中，水温升高，瓦斯泥中的一些矿物质被微量溶解入水中，煤气 中的有害物质也部分溶入水中，使水受到污染。高炉煤气洗涤废水的 成分很不稳定，不同高炉或即使同一座高炉，在不同工况下产生的煤 气洗涤废水，其成分的变化较大，废水的物理化学性质与原水有一定 关系，但主要取决于高炉炉料的成分、炉况、炉顶煤气压力、洗涤用 水量以及洗涤水的温度等。 1 3 国外高炉煤气洗涤废水的治理现状 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 日本大力提倡j 一内重复用水，高炉煤气洗涤水经处理后重复使用。 加古川钢厂由于靠近渔业丰收的推磨滩，所以建设初期就特别注意防 止水质污染，为了减少水质污染程度，进行高度的循环再使用，水的 循环率达9 6 。高炉煤气洗涤水经浓缩池沉淀，冷却塔冷却再回用。 福山钢铁厂，也基本使用该流程，循环率9 2 。日本扇岛地区钢厂的 高炉煤气洗涤水用文氏管洗涤器、水雾分离器、减压阀和湿式静电除 尘器。在收集高炉煤气中的灰尘时，因气温和压力高，除尘水中的溶 解氧与高炉煤气中的c 0 2 和n 2 置换，降低了水中的p h 值。 c 0 2 + h 2 0 + 2 h + + c 0 2 + h 2 c o3 ( p h 降低) 而且灰尘中部分被溶解的物质与除尘水中的碳酸反应生成重碳酸 盐。 feo+2h2co3 _ + f e ( h c o3 1 2 z n o + 2 h 2 c 03 + z n ( h c 03 、2 c a o + 2 h 2 c 03 +c a ( h c 03 ) 2 这些水首先用粗粒分离机把粗粒子分离出来，然后加苛性苏打提 高p h 值，再向凝聚沉淀槽中注入高分子凝聚剂，把f e 和z n 等变成 f e ( 0 1 - i ) 2 和z n ( o h ) 2 的形态沉淀下来。凝聚沉淀处理过的水，经冷却塔 冷却后循环使用。再者，为防止循环使用时产生水垢，要向注水池中 注入水垢分散剂。在凝聚沉淀过程中产生的污泥经浓缩槽浓缩后，再 经真空脱水机脱水处理。另外，在这个系统中的一部分处理水送往原 料厂，作为矿渣冷却用的补充水，以保持水量平衡。 俄罗斯大规模开展了地方联合公司和工业企业供水密闭循环的研 究。顿涅茨冶金工厂采用再碳化法处理高炉煤气洗涤水，用含c 0 213 18 的烟气进行碳化，水中c 0 2 浓度4 5 5 5m g l ，在这种情况下，不 仅停止了新的碳酸盐沉积，而且老的沉积物也软化了，容易用水力清除 掉。水质稳定方法的选择与沉积形成的强度有关。在高速度结垢的情况 下，比较合理是采用两段再碳化。第一段是从热水井到冷却塔，第二段 是从冷却塔到煤气净化设备。在库兹涅茨克联合企业再碳化实际完全停 止碳酸盐沉积的形成，但是c 0 2 过量的危险是可能发生腐蚀，限制了 再碳化的使用。在沉积强度不太大的情况下，结垢速度不快时，采用磷 酸盐使水质达到稳定。比较有效的是全苏黑色冶金能源净化科学研究所 研究的； ( 1 ) 用一种磷酸盐和电解质混合物为基础的磷酸盐防垢剂处理水； ( 2 ) 用石灰和碳酸钠制备的碳碱剂活性晶种处理水，晶种的消耗 查! ! 垄堂翌主堂堡堡查鱼二! 二塑 量1o - - 2 0m g l ，该方法效率达9 0 。 1 4 国内高炉煤气洗涤废水的治理现状 我国以往，由于水质稳定和瓦斯泥处理等问题未能得到妥善解决， 因此多数厂均直流排放，是钢铁企业主要污染源之一。近1o 年来本项 污水处理技术得到了较大发展。有些厂循环率达9 4 ，有的厂串级使 用率达9 0 以上。高炉煤气洗涤水处理工艺包括沉淀、冷却、水质稳 定、污泥脱水与利用等几个主要工序。 1 4 1 高炉煤气洗涤废水的沉淀处理技术 大型高炉煤气洗涤水的沉淀处理，从方法上可分为自然沉淀和混凝 沉淀两种。从沉淀构筑物的选用上，大多数厂均用辐流式沉淀池，少 数厂也有用平流式沉淀池的。自然沉淀是靠重力去除颗粒悬浮物的处 理方法。如首都钢铁公司煤气洗涤水就采用自然沉淀方法。首钢设有 o 3 0m 辐射式沉淀池4 座。沉淀池进水悬浮物含量波动在4 0 0 4 0 0 0 m g l 之1 4 ，其平均含量l 0 0 0m g l ，沉淀池的出水悬浮物含量波动在 5 4 8 8m g l 之间，其平均含量为7 0m g l 。 在天然水以及各种废水中，都含有数量不同的悬浮物质，其中大 多可通过自然沉淀的方法去除【9 】。但胶体颗粒是不能用自然沉淀方法 去除的。胶体颗粒的尺寸大致在1 1 0 0 n m 范围内。水中杂质的状态可 分为悬浮物、胶体和溶解物三类u 叫( 见表1 ，1 ) 。 混凝沉淀是用混凝剂使水中细小颗粒凝聚吸附结成较大颗粒，从 水中沉淀出来的方法。混凝的目的在于向水中投加一些药剂，使水中 wm 类 鼢：萎 l ， f 舟 中 代“ 卜 t表卜t 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 难以沉淀的胶体颗粒脱稳而互相聚合，增大至能够自然沉淀的程度。 如武钢便采用了混凝沉淀法。武钢高炉煤气洗涤水设计指标：投加聚 丙烯酰胺o 5m g l ，沉淀池出水的悬浮物 8 0 时，水中主要是【a i ( o h ) 4 负离子，对负 电荷胶体不能起中和作用，混凝效果差，不易形成絮凝沉淀，甚至使 已经形成的絮凝体重新变成胶体溶液。因此，p h 值范围在7 0 8 0 时， 药剂对高炉煤气洗涤废水中的悬浮物的去除效果摄好，且絮体沉降速 度快。而实验所用的本溪钢铁公司五号高炉煤气洗涤废水的p h 值在 7 ，5 8 0 范围内，所以此高炉煤气洗涤废水在进行混凝处理时p h 值不 必调节。 2 4 5 搅拌强度及搅拌时间对高炉煤气洗涤废水处理效果的影 响 在化学絮凝法处理废水中，搅拌是一项必要的因素( 2 。因为欲形 成粗大絮凝体，关键在于胶粒应始终保持较高的碰撞次数以求得较大 的凝聚速度。胶粒的碰撞最初来自布朗运动。胶粒因布朗运动相碰的 凝聚现象称为“异向凝聚”。在异向凝聚过程中，凝聚速度下降迅速， 当颗粒直径增达到一定值( 一般认为接近l ! - 1m ) 后，布朗运动已基本 不起作用。由水流运动( 借助于机械搅拌或水力搅拌) 引起的颗粒碰 撞凝聚称为“同向凝聚”【23 1 。为此，工程上采用投药后进行快速搅拌， 以保持较高的碰撞次数。搅拌强度和搅拌时间选择得恰当，可以加速 混凝过程，有利于混凝剂发挥作用，提高混凝效果。 取高炉煤气洗涤废水2 组：第1 组7 份，每份3 0 0 m i ；第2 组6 份，每份3 0 0 m l 。第1 组加入氯化铝钙0 15 m 1 ，加入p a m 0 4 0m l ，每 次加药后搅拌6 0 s ，采用不同的搅拌强度，静置2 0r a i n 后，取上清液 2 0 0 m l ，测定其悬浮物含量，待确定适宜的搅拌强度后，其余条件固定 不变，在第2 组中采用不同的搅拌时涮，测定其悬浮物。实验数据见 表2 8 和表2 9 ；处理效果见图2 6 和图2 7 。 东北大学硕士学位论文第二章混凝法对高炉煤气洗涤废水的处理 表28搅拌强度对高炉煤气洗涤废水处理效果的影响 t a b i e 2 8t hef l o c c u l a t i o nr e s u i ti n f l u e n c e db ya g i t a t i o ns p e e d 搅拌强度原水悬浮物处理后水的悬浮悬浮物去除率 r m i n m g l 1 1 物m g l 1 3 0 6 0 9 0 12 0 15 0 18 0 9 7 45 0 9 7 45 0 9 7 4 5 0 9 7 4 5 0 9 7 4 5 0 9 7 4 5 0 1 4 3 5 0 9 92 5 8 4 0 0 7 2 5 0 5 3 5 0 6 2 0 0 8 5 2 7 8 9 8 2 9 1 3 8 9 2 5 6 9 45 1 9 3 6 4 2 l0 9 7 4 5 0 6 5 5 09 32 8 表2 9 搅拌时间对高炉煤气洗涤废水处理效果的影响 t a b le 29t h ef l o c c u l a t i o nr e s u l ti n f l u e n c e db ya g i t a t i o nt j m e 搅拌时间 原水悬浮物 处理后水的悬浮悬浮物去除率 s m g l “ 物r a g l “ 15 9 7 4 5 0 l3 2 0 0 8 64 5 3 0 9 7 4 5 0 8 3 5 0 9 1 4 3 6 0 9 7 4 5 0 5 4 0 0 9 44 6 9 0 9 7 4 5 0 6 5 5 0 9 3 2 8 i2 0 9 7 4 5 0 6 6 5 0 9 318 l5 0 9 7 4 5 06 9 5 0 9 2 8 7 誉 斟 凿 粕 嚣 垃 啪 9 6 9 4 9 2 9 0 8 8 8 6 8 4 o3 0 6 09 0 12 01 5 0 1 8 02 1 0 2 4 0 搅拌强度r m i n 图2 6 搅拌强度对悬浮物去除率的影响 f i g2 6t h ef l o c c u l a t i o nr e s u l ti n f tu e n c e d b y a g i t a t i o ns p e e d 2 0 一查些苎兰堡主堂竺丝查 箜三兰垦塑垄塾重翌竖兰型堑生垦查堕兰坚生 9 4 錾。 稍 霎8 8 蛙 踊8 5 13 06 09 01 2 0 1 5 搅拌时间，s 图2 7 搅拌时间对悬浮物去除率的影响 f i g2 7 t h ef l o c c u l a t i o nr e s u l ti n f l u e n c e db y a g i t a t i o nt i m e 搅拌能使混凝剂均匀分散在悬浮液中，从而更好地发挥混凝作用。 从表2 8 及图2 6 可以看出，当搅拌强度为l 5 0r m i n 左右时，悬浮物 的去除率最大。液体中分散粒子的混凝与粒子间的相互碰撞有关，而 粒子问相互碰撞是由它们的相对运动引起的，适当的搅拌所形成速度 能促进微粒间碰撞，有利于形成稳定的较大的絮体i l 。当搅拌强度过 小，由于混凝剂和固体颗粒不能充分接触，不利于混凝剂捕集胶体颗 粒，而且混凝剂浓度分布也不均匀，不利于发挥混凝剂的作用；当搅 拌强度过大，会将大颗粒的固体搅碎变成小颗粒，将能够沉淀的颗粒 搅碎，导致絮体的磨蚀和碎裂，使沉降速度过慢，不利于混凝。因而， 实验中确定的最佳搅拌强度为1 5 0r r a i n 。 从表29 及图2 7 可以看到搅拌时间对混凝效果的影响。随着搅拌 时间的延长，悬浮物逐渐变少，但到一定程度悬浮物含量又会有所增 大。当搅拌时间为6 0 s 时，悬浮物的去除率达到最大值。这是因为随 着搅拌时间的延长，絮凝体系的混合均匀性增加，当体系达到完全混 合均匀时，过度的搅拌会使不断增大的絮凝体因剪切力而破碎，不利 于混凝，再延长搅拌时间并无意义，故确定最佳搅拌时间为6 0 s 。 2 5 水温对高炉煤气洗涤废水处理效果的影响 水温影响混凝剂的水解以及絮体的形成过程。水溶液的温度过高 或过低，对混凝作用皆不利。一般说来，水温高时效果好，水温低时 效果差，因为无机盐类混凝剂的水解是吸热反应，水温低时，水解困 难，而且，低温时的水的粘度大，水中杂质的布朗运动减弱，减少了 东北大学硕士学位论文第二章混凝法对高炉煤气洗涤废水的处理 彼此接触碰撞的机会，不利于脱稳体系相互凝聚，影响絮凝体的结大， 影响后继的沉淀处理效果。但是温度也不是越高越好，当温度超过9 0 。c 时，易使高分子混凝剂老化或分解生成不溶性物质，反而降低混凝 效果。 取高炉煤气洗涤废水6 份，每份3 0 0 m l ，分别调节至不同的温度， 加入氯化铝钙0 15 m l ，加入p a m 0 4 0m l ，每次加药后搅拌6 0 s ，搅拌强 度为15 0r m i n ，静置2 0m i n 后，取上清液2 0 0m l ，测定其悬浮物含量。 实验数据见表2 10 ；处理效果见图2 8 。 表2 10 水温对高炉煤气洗涤废水处理效果的影响 t a b l e 2 10t h ef l o c c u l a t i o nr e s u l ti n f l u e n c e db yw a t e rt e m p e r a t u r e 水温 原水悬浮物处理后水的悬 悬浮物去除率 18 4 5 5 0 5 5 6 0 8 9 6 0 5 8 9 6 0 5 8 9 6 0 5 8 9 6 0 5 8 9 6 0 5 8 6 5 0 7 0 5 0 6 3 0 5 6 0 2 5 5 8o o 9 0 3 5 9 2 13 9 2 9 6 9 3 2 8 9 3 53 7 08 9 6 0 5 5 6 3 0 9 3 7 2 芝9 4 錾9 3 粕9 2 舞。 嘲9 0 01 02 03 0 4 05 06 0 7 08 0 温度c 图2 8 水温对悬浮物去除率的影响 f i g 28t h ef l o c c u l a t i o nr e s u l ti n f l u e n c e d b yw a t e rte m p e r a t u r e 由表2 1 0 及图28 可以看出，随着水温的不断增高，悬浮物的去 除率也随之变大。低温下，氯化铝钙水解困难，难以形成带正电荷的 羟基配合物。水的粘度随水温降低而增大。粘度增加导致两种不良后 东北大学硕士学位论文第二章混凝法对高炉煤气洗涤废水的处理 果：一是胶体布朗运动减弱，削弱异向凝聚作用；二是水流剪切力增 大，影响絮凝体的成长 2 4 1 。当水温低时，氯化铝钙水解产物a 1 ( o h ) 3 与水中胶体杂质的粘附强度减弱。其原因，可能是杂质颗粒水化作用 增强，且水化膜内的夹层水的粘度和密度增大，影响了杂质颗粒与颗 粒之| j = i j 以及颗粒与a i ( o h ) 3 胶体之间的相互粘附强度。另外，低温时 水的电导率下降，使胶体表面双电层加厚，粒问排斥势垒增大。水温 升高时，由于氯化铝钙的水解是吸热反应，能加快水解反应的进行。 但是水温也不是越高越好，当水温过高时，化学反应速度加快，形成 细小的絮凝体，并且会使絮凝体的水合作用增加，因此产生的活性污 泥的含水量高、体积大、难处理。如果将所处理的水加热升温，还会 消耗大量能源，提高成本。从技术、经济以及实用等因素综合考虑， 本溪钢铁公司五号高炉的煤气洗涤废水水温在5 0 6 0 0c ，在处理废水 时的水温不需调节。 2 6 正交实验确定最佳条件 本溪钢铁公司五号高炉煤气洗涤废水的混凝处理过程及处理结 果同时受到| 述诸多因素的影响，为确定各因素的最佳值以及影响效 果的主次关系，设计如下正交实验。 2 6 1 确定因素水平表 通过对高炉煤气洗涤废水进行了上述的单条件实验，氯化铝钙和 p a m 的用药量，搅拌强度及搅拌时间对悬浮物的去除效果有显著影响， 因此选定三个水平，四个因素，因素水平表见表2 ，1 1 。 东北大学硕士学位论文第二章混凝法对高炉煤气洗涤废水的处理 其中 a ：10 的氯化铝钙用药量( m 1 ) 1 3 ：01 的p a m 用药量 c ： 搅拌强度 d ： 搅拌时问 2 6 。2 正交实验确定最佳实验条件 ( m 1 ) ( r m i l l ) ( s ) 根据因素水平表2 1 1 ，按正交拉丁组合规则设计实验方案，本实 验选用l 9 ( 34 ) 表。 采用新取水样， 原水悬浮物含量为8 4 5 5 0 m g l 。正交实验结果见 表2 1 2 。 m lm l r m i ns r a g l 1 2 - 除率 1 0 10 0 35 12 03 0 7 7 5 09 08 3 20 1004 0 15 0 6 0 ol0 015 0 15 015 o2 0 o2 0 o2 0 9 20 0 9 3 8 7 9 2 5 7 0 4 5 0 ，35 0 4 0 0 4 5 035 04 0 04 5 9 2 3 l 9 3 3 8 9 2 7 5 18 0 15 0 18 0 l2 0 18 0 i2 0 15 0 9 2 4 3 9 3 3 8 9 26 3 9 0 9 0 3 0 6 0 6 0 9 0 3 0 9 2 5 3 9 3 4 2 9 2 ，4 9 5 3 0 0 7 25 0 5 4 0 0 5 1 0 0 5 05 0 6 3 5 0 6 4 0 0 6 10 0 937 3 9 14 3 9 3 6 l 9 3 9 7 9 4 0 3 9 2 4 9 9 2 4 3 9 27 9 r1 8 7 1 0 7 0 9 509 3 2 6 3 实验结果分析计算极差确定影响因素的主次关系 根据极差值r 的大小可以看出，在各因素选定的范围内，影响混 2 4 j | | 一 鲨 一 3 4 5 6 7 8 9 k k 东北大学硕士学位论文第二章混凝法对高炉煤气洗涤废水的处理 凝处理效果的各因素主次关系依次为：氯化铝钙的加药量) p a m 加药 量) 搅拌强度) 搅拌时间。 2 6 4 画趋势图确定最佳实验条件 采用极差法对f 交实验进行统计分析，极差趋势图如图2 9 所示。 遥 斟 篷 舶 嚣 睦 啪 氯化铝钙 加药量m f p a m 加药量，mj 1 2 01 5 0 【8 0 3 06 09 0 搅拌强度搅拌时间s r m i n 图29 极差趋势图 f i g 2 9r e l a t i v ed i f f e r e n e et r e n d 由图2 9 可知，最佳实验条件是：处理3 0 0m l 煤气洗涤废水需加 入10 的氯化铝钙0 15m l ，0 1 的p a m 0 4 0 m l ，搅拌强度为15 0r m i n ， 搅拌时间为6 0 s 。 2 6 5 验证实验 取不同批次的水样在最佳条件下再做四组实验，以验证其对本钢五 号高炉煤气洗涤废水的处理效果。实验数据见表2 13 ：处理效果见图 2 10 所示。 钳 吣 弛 虬 东北大学硕士学位论文第二章混凝法对高炉煤气洗涤废水的处理 表213 验证实验 t a b l e 2 13v a l i d a t i o ne x p e r i m e n t 墼9 4 粕 茬9 3 哟 图21 0 最佳条件下的悬浮物去除率 f i g 2 1 0r e m o v a lr a t ei nt h eb e s tc o n d i t i o n 由表2 1 3 和图2 1 0 可以看出，在最佳实验条件下，氯化铝钙与p a m 配合处理高炉煤气洗涤废水，其悬浮物去除率达9 3 以上。这一结果 比本溪钢铁公司现在正使用的混凝剂对高炉煤气洗涤废水的处理效果 高出1 0 左右。 2 7 污泥比阻的测定 污泥比阻r ( 或称为过滤比阻抗，定义为单位过滤面积上单位干滤 饼所具有的阻力( m k g ) ) 是表示污泥脱水性能的综合指标 25 】，污泥比 阻越大，脱水性能越差，反之脱水性能越好。滤液通过滤饼的过滤基 本方程式如下： 一t # _ , c o r , v + 坐堡 ( 2 2 ) v2 p a 2 p a 、一一7 2 6 - 东北大学硕士学位论文第二章混凝法对高炉煤气洗涤废水的处理 v 一一滤液体积( m3 ) t - - 一过滤时问( s ) p 一过滤时压强( p a a 一一过滤面积( m 2 ) u 一一滤液的动力粘度( p a s ) r 。一一单位过滤面积上，通过单位体积过滤 液时，过滤介质所产生的阻力( m 。) c 一一过滤单位体积的滤液，在过滤介质上截 面的滤饼干固体重量( k g m 3 ) r - - 一污泥比阻( m k g ) 在定压条件下过滤时，t v 与v 呈直线关系，其斜率6 ：堡坚挲 2 删 溯甜= 百f f * r g 。眦岫r 值为等。 实验装置如图2 1 1 所示。 1 真空泵2 - 缓冲瓶 3 调节阀4 水银压力计 5 夹钳 6 布氏漏斗7 最筒 图2 1 1 过滤性能实验装置图 f i g 2 11 e x p e r i m e n t a le q u i p m e n to fs l u d g ef i l t e r i n gb e h a v i o r ( 1 ) 在布氏漏斗中铺好过滤面积为6 3 5 9 c m 2 的中速定性滤纸，用水 润湿。 东北大学硕士学位论文第二章混凝法对高炉煤气洗涤废水的处理 f 2 ) 开动真空泵，调节真空度在5 0 0 10 4 p a 左右，然后关闭真空泵。 f 3 ) 取2 0 0 m l 污泥倒入布氏漏斗中，打开真空泵，开始计时。 ( 4 ) 每隔一定时间t 记下计量管内相应的滤液体积v ，直至泥面出现 龟裂。 ( 5 ) 过滤完毕，将滤饼烘干称重。 ( 6 ) 以t v 为纵坐标，以v 为横坐标作图，求出直线斜率b 值，代 入公式求出污泥比阻r 。 2 7 1 原污泥比阻的测定 耿高炉煤气洗涤废水的原污泥2 0 0 m l ，将此原污泥进行真空抽滤比 阻测定实验。过滤材料为定性滤纸，过滤面积为6 3 5 9 c m 2 ，真空度p 为5 0 0 1 0 4 p a ，液温18 。c ，滤液粘度“为1 2 1 0 3 p a s 。比阻测定实 验记录见表2 1 4 。 表2 14 原污泥比阻的实验记录 t a b l e 2 1 4e x p e r i m e n to fs l u d g ef i l t e r i n gb e h a v i o rb e f o r ef l o c c u l a t i o n 根据表2 1 4 数据，绘制t v v 曲线，见图2 12 。 5 0 5 25 45 65 8 v m 1 图2 12 原污泥的t v v 关系曲线图 f i g 2 1 2 t v vr e l a t i o n s h l pc u r v e _ | = j 图2 i2 得到直线斜率b 为o 4 5 6 9 。 东北大学硕士学位论文第二章混凝法对高炉煤气洗涤废水的处理 实验测得的滤饼干重为1 4 7 0 9 ，滤液总体积v 为5 6 ，o o m l ，则过滤 单位体积所得滤饼干重c = 1 4 7 0 5 6 0 0 = 0 2 6 2 5 9 m l 。根据公式计算 r = 5 8 7 1 0 ”m k g 。 一般认为，当污泥比阻r 大于10 10 ”m k g 时为难过滤的污泥，在 ( j 9 ) 1 0 ”m k g 的污泥为中等，小于4 1 0 12 m k g 时，则为易于过 滤的污泥”。由测得的比阻r 值可以看出，原污泥脱水性能较差，直 接进行过滤脱水是不经济的。 2 7 2 混凝处理后的污泥比阻测定 取高炉煤气洗涤废水2 0 0 0 m l ，采用氯化铝钙+ p a m 在最佳条件下 进行混凝处理实验，得到2 0 0 m l 污泥，将此污泥进行真空抽滤比阻测 定实验。实验条件同前，比阻测定实验结果见表2 15 ，绘制t v v 曲 线，如图2 13 所示。 表2 15 混凝处理后污泥比阻实验记录 v m l0 6 26 56 7 6 97 17 2 t v 一0 4 80 9 21 3 41 7 4 2 1 12 5 0 6 26 4 6 66 8 7 07 27 4 v m l 图2 1 3 混凝处理后污泥的t v v 关系曲线图 f ig 2 1 3 t v v r e l a t i o n s h i pc u r v e 由图2 13 得直线斜率b 为0 1 9 7 9 。 实验测得滤饼干重3 1 5 0 9 ，滤液总体积v 为7 2 o o m l ，则过滤单位 体积所得滤饼干重c = 3 1 5 0 7 2 0 0 = 0 4 3 7 5 g m 1 。根据公式计算r ：1 5 2 10 ”m k g 。 东北大学硕士学位论文第二章混凝法对高炉煤气洗涤废水的处理 由测得的污泥比阻r 值可以看出，投加混凝剂可以改善污泥的脱水 性能，使污泥比阻减小。进行混凝处理后的污泥比阻较小，属于易于 过滤污泥，因此可以采用机械脱水设备进行脱水。 2 8 经济成本分析 按氯化铝钙药剂市场价格为10 0 0 元t ，聚丙烯酰胺药剂市场价格 为2 0 0 0 0 元t 计算，处理1 m 3 高炉煤气洗涤废水需用氯化铝钙0 0 0 0 0 5 t 1 0 0 0 元t = o 0 5 元，聚丙烯酰胺0 0 0 0 0 0 1 4 t 2 0 0 0 0 元t = 0 0 2 8 元， 药剂费用总计o 0 7 8 元。可见，采用此法对高炉煤气洗涤废水进行处理， 扣除各种费用后，仍可以获得可观的经济效益。 查i ! 查堂翌主堂堡垒圭 苎三主查芝鉴墨兰堡垒查丝兰竺堕生 第三章高炉煤气洗涤废水 微生物的控制 在循环冷却水系统中，经常可以看到微生物( 菌藻) 大量生长繁 殖的情况。微生物的大量繁殖将使冷却水系统中的金属设备( 主要是 换热器) 发生腐蚀及结垢，影响生产的正常运行。微生物的大量繁殖 还会使冷却水中产生大量的微生物粘泥沉积在换热器管子的表面上， 降低冷却的效果。一旦微生物粘泥大量生成，会导致冷却水水质迅速 恶化，缓蚀阻垢药剂失效，由此直接危害生产。因此，对冷却水系统 中的微生物生长应加以控制。 3 1 冷却水中的微生物 为了便于讨论，可把微生物分为三类，即：可在水中自由游动的 细菌：可附着于冷却塔结构上的藻类；可侵蚀并破坏塔内木材的真菌 1 2 7 1 。 细菌为微小的类植物单细胞有机体，常用二分裂繁殖。细菌大多 数情况下无叶绿素。在冷却水中生长最多的茵群为假单孢菌属和气杆 菌属，前者常占优势。冷却系统的循环水，在正常情况下是低营养的， 然而总是有少量碳水化合物存在，尘埃带入的蛋白质类物质，也足以 维持可在该环境中生长的生物的需要。假单孢菌属是一种杂食荫属， 可代谢许多不同来源的碳、氮和硫，因此常在冷却水中大量生长。许 多细菌能分泌出一种粘液，对污物和化学沉淀物起着接合剂或粘合剂 的作用。有时会形成胶状或胶粘状的粘附物，妨碍水的循环。在大多 数水成沉淀物中，细菌的实际重量远低于1 ，而且常常是偶然发生的， 因此，如果种沉积物中的细菌数不足循环水中的2 0 0 3 0 0 倍，则这 种沉积物不能认为是生物性的。但往往把冷却水中的胶状沉积物或絮 凝物都列为“生物性”的。经化学分析常可发现，悬浮的絮凝物是一 些凝聚在一起的无机盐类和污物。生物物质是丝状或纤维状的，而且 大多数并不是粘附着的。同样，水中的浮渣和泡沫也常由化学物质引 起。所以，冷却水系统中存在大量细菌本身并无太大意义，但是当其 一3 i 东北大学硕士学位论文 第三章高炉煤气洗涤废水微生物的控制 残体聚集在粘液内，并覆盖在传热表面上时，就会引起麻烦。 在大部分土壤的表面和内部有大量藻类群体存在。土壤干燥时， 藻类印被风吹入大气，并如尘埃一样分布得又广又远，经常随姒尘进 入敞开式冷却水系统中。在冷却塔内生长繁殖的两科藻类群体为蓝藻 科( c y a n o p h y c o p h y t a ) 和绿藻科( c h l o r o p h y c o p h y t a ) ：前者近似于细 菌。它们大多数为好氧微生物，以细胞分裂繁殖，然而也有少数形成 孢子。它们的四周包着明胶状的鞘，相当于细菌中的荚膜或粘液层， 里边是一层粘肽所组成的薄膜，包着细胞质。许多藻类在其细胞巾产 生有恶臭的油类和环醇类，生物死亡后，这些物质被释放而引起恶臭。 然而这种生物在冷却塔构件上生长很慢，死亡也很慢；因而没有藻类 群体灾难性脱落的问题。由于藻类会覆盖溅水装置，妨碍水分散成水 滴，因而降低冷却塔的传热效率，这是不希望藻类生| 受的主要原因。 当用合适的杀菌剂杀死后，它们就干缩并完全消失。 真菌为腐生生物，通过向周围环境分泌消化酶，从植物性和动物 性物质中摄取食物。可导致木材严重损坏，特别是在使用氯气的冷却 系统中。常见的侵害有两种类型；软化或表面腐烂，被称为白腐病或 “凹陷性百腐病”的纤维