（环境工程专业论文）结团絮凝工艺处理染料模拟废水的实验研究.pdf

摘要 结团絮凝( p e l l e tc o a g u l a t i o n ) 工艺是一种通过改善投药方式和水力条件来控制絮凝体生 长的随机性以降低其含水率的一种新型强化絮凝工艺。本文通过国内外结圃絮凝工艺研究的 比较，阐述结团絮凝工艺的特点。以直接耐酸大，幺 z 4 b s 、活性嫩黄k - 4 g 和分散蓝孙j b l 三种不 同性质的染料为研究对象，设计相应实验装置，对结团絮凝工艺处理染料废水进行全面而深 入地研究，结果显示：( 1 ) 对结团絮凝工艺处理直接染料耐酸大红4 b s 模拟废水，能实现较低 的投药量和较高的上升流速。脱色率达到9 8 ，当上升流速达至 j 6 4 1 c n 衄i n 对，脱色率仍然较 高。但) 对结团絮凝工艺处理活性染料嫩黄k 4 g 模拟废水，投药量和脱色率均不如传统絮凝 法好。脱色率仅为8 7 5 ，最大上升流速仅4 7 7 7 e r a r a i n 。( 3 ) 对结团絮凝工艺处理分散染料蓝 2 n b l 模拟废水，投药量与传统絮凝法较接近，但是，不能承受较高的上升流速。脱色率相对 传统絮凝法较低。传统絮凝法的脱色率为9 5 ，而结团絮凝法只有9 0 。上升流速不能高于 2 6 ，5 c m m i n 。( 4 ) 对混合染料模拟废水，投药量比单一染料废水小，上升流速大，最大上升流 速为6 0 c m m i n ，但是脱色率较低，为8 0 。( 5 ) 采用石英砂微絮凝法处理e 述三种染料废水， 结果表明：三种染料废水的脱色率均为5 0 左右，同时药剂投加量较大，水力上升流速较低。 该工艺处理染料废水具有较好的应用和开发前景，尤其直接染料废水处理效果较传统絮凝法 要好。 关键词：结团絮凝；模拟染料废水；直接耐酸大红4 b s ：活性嫩黄k - 4 g ；分散蓝2 n b l t r e a t m e n to f d y es i m u l a t e dw a s t ew a t e rb y p e l l e t c o a g u l a t i o n a b s t r a c t p e l l e tc o a g u l a t i o ni san e wf l o c c u l a t e dt e c h n i q u e ，w h i c hc a l lc o n t r o lt h er a n d o mg r o w t ho f f l o c c u l a t i o nb yi m p r o v i n gi t sd o s i n gw a ya n d h y d r a u l i cc o n d i t i o n st or e d u c et h em o i s t u r ec o n t e n to f f l o c c u l a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep e l l e tc o a g u l a t i o np r o c e s sw e r ee x p a t i a t e d , a n d t h ev a r i o u st e c h n i c s c so fp e l l e tc o a g u l a t i o nw e r ec o m p a r e d t h r e ed i f f e r e n tk i n dd y e s ，d i r e c t a c i d - r e s i s t a n tr e d4 b s a c t i v ey e l l o wk - 4 ga n dd i s p e r s eb l u e2 n b lw e r es e l e c t e da sr e f e r e n c e s , t h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a ls e tw a sd e s i g n e d , t h ec o m p r e h e n s i v es t u d yo nt h et r e a t m e n to fd y e w a s t e w a t e rb yp e l l e tc o a g u l a t i o np r o c e s sw a sc o n d u c t e d mr e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) f o rt h e t r e a t m e n to fs i m u l a t e dd y ew a s t e w a t c ro fd i r e c ta c i d - r e s i s t a n tr e d4 b sb yp e l l e tc o a g u l a t i o n p r o c e s s i o n , l o w e rd o s a g ea n dh i g h e rf l o wr a t ew e r er e a l i z e d w h e nt h cf l o wr a t ew a s6 4 1m m i n , d e c o l o r i z a t i o nr a t i ow 必s t i l lh i 曲t 09 6 ( 2 ) f o rt h es i m u l a t e dd y ew a s t e w a t e ro fa c t i v ey e u o w k - 4 gd r u gd o s a g ea n dd e c o l o r i z a t i o nr a t i ow e r en o tb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lf l o c c u l a t i o n d e c o l o r i z a t i o nr a t i ow a so n l y8 7 5 ，t h eh i g h e s tf l o wr a t ew a so n l y4 7 7 7 c m m i r l ( 3 ) f o rt h e s i m u l a t e dd y ew a s t e w a t e ro fd i s p e r s eb l u e2 b l n , 咖d o s a g ew a sc l o s et ot h et r a d i t i o n a l f l o c e u l a t i o n , b u tt h eh i g h e rf l o wr a t ew a sn o ta f f o r d e db yt h i st e c h n i c s d e c o l o r i z a t i o nr a t i ow a so n l y 9 0 w h i c hw a sr e l a t i v e l yl o w e l t h a n9 5 o fa a d i t i o n a lf l o c c u l a f i o r ln l ef l o wr a t ew a sn o th i g h e r t h a n2 6 。5 c m m i n f o rt h es i m u l a t i o nw a s t ew a t e ro fm i x e dd y e ，d r u gd o s a g ew a ss m a l l e rt h a n t h a tf o rt h es i n g l ed y e 。f l o wr a t ew a sh i g h e r , a n dt h eh i g h e s tf l o wr a t ew a s6 0 c m m i n b u t d e c o l o r i z a t i o nr a t i ow a sl o w e r , w h i c hw a s8 0 ( 5 ) 啊1 et h r e ed y ew a s t e w a t e r s c r et r e a t e db yt h e q u a r t zs a n dm i c r o f l o c c u h t i o n , t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ed e c o l o r i z a t i o nr a t i o s f o rt h r e ed y e w a s t e w a t e r sw e r ea b o u t5 0 ，w h i l el a r g e rd r u gd o s a g e ，l o w e rw a t e rf l o wm t ew e r eo b s e r v e d 1 1 1 i s t e c h n i c sh a sg o o dp r o s p e c t s ，i np a r t i c u l a rf o rt h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fd y ew a s t e w a t e r t r e a t m e n t , w h i c hi sb e t t e rt h et h ec o n v e n t i o n a lf l o c c u l a t i o nf o rt h ed i r e c td y ew a s t e w a t e r k e y w o r d ：p e l l e tc o a g u l a t i o n ；s i m u l a t e dd y ew a s t e w a t e e , d i r e c ta c i d - r e s i s t a n tr e d4 b s ；a c t i v ey e u o w k - 4 g ；d i s p e r s eb l u e2 b l n 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是苓人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在丈申以明确方式注明并表示感谢本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者( 本人签名) ：多名沙2 口6 产 占a 气日 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) 。允许论文被查阏牵借阅零人授权南京椿亚大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密4 ( 请在以上方框内打“ ”) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： 石月厂9 日 ， 多月，罗日 哆罗 ? 莎 汐 雾 ，、多 ， 多呵 致谢 首先要感谢我的导师王平教授。从论文课题的选择、框架的确定、论文的撰 写及修改，王老师倾注了大量心血。王老师为人朴实亲切，为学严谨认真，近三 年来，我从王老师那里学到了许多治学的道理，更学到了为人的真谛，这些都会 是我受用一生的宝贵财富，在此向王老师表示崇高的敬意和诚挚的谢意，我将在 今后的工作和学习中继续努力，用优异的成绩来报答导师。 在论文完成过程中，还得到了南京林业大学各位老师和同学的大力支持和帮 助，他们是叶菊娣老师、江君、方舟、侯云建、杨超、罗涛、王锦涛和张小仙等， 在此向他们表示深深的谢意，谢谢他们的关心和帮助! 最后要感谢我的家人，他们在生活上给予我关心，在学业上给予我信心，我 人生的每一步都离不开他们，我将用自己的一生来报答他们。 王宏飞 2 0 0 9 年6 月 染料废水处理方法综述 1 1 概述 染料生产废水的主要特点是： ( 1 ) 废水排放量大，一般为2 肛1 0 0 t 【助j 【以( 产品) 。 ( 2 ) 废水中有机物成分复杂、浓度高、色度大。染料生产基本有机原料为苯酚、萘、 蒽醌、硝基苯及苯胺等，主要无机原料为氯磺酸、硫酸、盐酸及硫化钠等，生产过程中染料 的损失率约为2 0 , - 5 ，因此，废水中含有大量的原料、产品及中间体，同时还含有大量的 无机酸、碱、盐，可生化性差。 目前染料废水治理的难点： ( 1 ) c o d e r 高、b o d s c o d e r 低，表明该废水的可生化性差，废水中的部分组分对微 生物的活性有抑制，常规的生化处理难以奏效。 ( 2 ) 色度高、成分复杂。染料生产的规模偏小，但类别较多，疏水性、亲水性、氧化 性、还原性等化合物混合于生产废水中，处理方法难以兼顾。 ( 3 ) 设备投资大、运行成本高。据江苏、浙江地区染料、印染厂家的调查，要达到国 家废水二级排放标准，常规染料废水处理成本约为2 0 - - 5 0f t ：t 。 1 2 染料废水处理现状及国内外研究进屣 目前在染料废水处理工艺中，常用的方法有物理法、化学法、物理化学法、生化法及几 种方法的联用，下面将对上述处理方法及其研究进展作简要的概述。 1 2 1 物理方法 ( 1 ) 吸附法 在染料废水的物理处理方法中应用最广泛的是吸附法。吸附法是利用吸附剂的表面具有 多孔的特性，将废水中污染物转移到吸附剂的表面，从而达到废水净化的目的。常用的吸附 剂有：活性炭、活性炭纤维、活性白土、硅藻土、磺化煤、海泡石、珍珠岩、大孔树脂、炉 渣、矿渣、蔗渣等。吸附处理受染料的种类、水溶性、分子量及结构、废水p l 和吸附裁比 表面积、表面极性、孔径分布、处理时间等因素的影响【l 卅。 ( 2 ) 膜滤法 膜滤法因可以回收染料，废水回用，不产生污泥而倍受关注，膜滤法直接受废水中染料 种类、浓度、盐浓度、温度及p h 等因素影响。我国，膜滤法用于印染废水处理始于上世纪 7 0 年代，1 9 8 2 年中国科学院环境化学研究所与北京光华染织厂合作进行了超滤法处理还原 染料废水的研究试验，脱色率9 5 0 旷9 8 ，c o d 去除率6 0 - - 9 0 ，染料回收率大于9 5 。 a k b a r i ，a 等同的研究表明聚酰胺微滤膜0 虾) 对直接红8 0 、直接黄8 的脱色率接近1 0 0 ，但 是，滤膜表面易结垢，盐浓度增加可导致通量下降。聚砜微滤膜也成功地处理染料废水，对 l 浓度为0 1 9 l 的酸性红4 的染料废水，脱色率可达9 7 6 。另外，膜滤法运行费用高、易堵 塞、外界条件影响大，因此，膜滤法的应用受到限制。 ( 3 ) 萃取法 萃取法是利用不溶或难溶于水的溶剂将染料分子从废水中提取出来的方法。近年来液膜 技术发展较快，利用液膜技术萃取废水中的染料，取得显著的社会效益及环境效益。萃取法 处理染料废水，有利于染料的回收，但必须考虑萃取效果、处理成本及萃取溶剂的后续处理 等问题。 1 2 2 化学方法 染料废水的化学处理方法主要有混凝法、化学氧化法、电化学法及离子交换法等。 ( 1 ) 混凝法 混凝法主要有混凝沉淀法、混凝气浮法。聚磷硫酸铁( p f p s ) 是新型的无机高分子混凝 剂，混凝效果超过各种单一的铁盐混凝剂。朱虹等利用p f p s 处理2 0 0 m g l 的滑l 生嫩黄k - 4 g 染料废水，c o d e r 及色度测试结果表明，p f p s 最佳投加量为9 0 0 m g l ，c o d e r 去除率可达 7 4 ，色度去除率可达9 2 1 8 。朱虹等利用p f p s 处理由活性嫩黄k - 4 g 、活性艳红m - s g 、 活性翠蓝k n - g ( 各2 0 0 m g l ) 组成的染料废水，p f p s 最佳投加量为5 0 0 m g l t g 。张雪馨等 l l 州针对活性染料含有磷酸基的特点，对双氰胺一甲醛结合物进行改性，获得一种性能稳定的 阳离子聚合物m g ，对亲水性染料的色度去除率大于8 5 。汤顺林等【l l 】以工业盐酸、铁屑或 硫铁矿废渣、工业水玻璃聚合成聚硅氧化铝铁( p s a f c ) 药剂，经工业试用表明，对工业印 染废水的色度、浊度、c o d e r 及重金属均有较好的去除效果。 壳聚糖( c h i t o s a n ) 作为一种天然的高分子混凝剂在水处理领域应用非常广泛，它对废 水中的c o d 、染料、重金属离子等均具有较好的去除效果 1 2 , 1 3 】。王伟祖掣1 4 1 利用交联壳聚糖 与聚合氯化铝复合剂处理含酸性嫩黄6 g 的染料废水，脱色率可达9 7 ，并且药剂用量少， 再现性好。 ( 2 ) 化学氧化法 化学氧化法是目前广泛采用并具有发展潜力的生产废水预处理方法之一。化学氧化一般 是指使用氧化剂，在没有微生物参与的条件下进行的反应，常常需要一种或多种的催化剂来 加快反应，使其达到可接受的反应速度。化学氧化法一般用于当有机物是难于生物降解( 如 染料等) 、对生物生长有抑制或毒害作用时【1 5 1 。邓丽等【1 6 1 研究了c 1 0 2 对有机染料废水的脱色 效果，通过对直接耐晒黑g 、直接耐晒翠蓝g l 、活性艳红k - 2 b p 染料废水处理，结果表明， 脱色与与染料的结构密切相关。沈阳化工研究所利用催化氧化技术对染料中间体3 ，3 一二氯 联苯胺生产废水进行处理，迸水c o d c r 浓度为9 9 t _ , ，出水降至0 6 9 l ，色度去除率大于9 3 ， b o d c o d e r 大于0 4 。w u 等【l 副在用0 3 氧化偶氮染料活性艳红k - z g 的试验中，发现偏碱性 染料废水的脱色率在9 0 左右。 光催化氧化、湿式空气氧化、湿式催化氧化等技术由于能耗高、催化剂选用与回收等问 题的存在，目前在染料废水处理工艺中应用不多。 2 ( 3 ) 生物法 普通的生物法虽然在染料废水中的应用较为广泛，但是，对废水中的染料去除效率较低， 不能满足实际需求，通常采用微生物的强化技术来提高处理效率。目前发现能降解染料的微 生物主要有真菌、细菌和藻类，白腐菌是近年来研究较多的用于染料废水处理的微生物之一。 白腐菌是一类腐朽木材能力很强的真菌，其代谢过程中产生的木质素过氧化酶、锰过氧化酶 和漆酶在好氧条件下，可降解多种染料，无论是偶氮染料、杂环染料，还是葸醌染料均具有 较好的降解与脱色能力【1 9 j 。 1 3 混凝沉淀技术在染料废水处理领域的应用 1 3 1 混凝沉淀技术 混凝过程既是最古老的水质净化处理方法，又是当今众多水处理工艺技术中应用最广 泛、最普遍的单元操作工艺技术。絮凝过程作为众多处理工艺流程中不可缺少的前置单元工 序，其效果的好坏往往决定后续工艺流程的运行工况、最终出水水质和成本费用，因此它始 终是水处理工程中重要的研究领域冽。 近一个世纪以来，人们对化学混凝沉淀作用机理及工艺过程进行了大量的、系统的和深 入的研究与论述。混凝沉淀技术与理论研究已从定性阐述发展到半定量或定量模型，且已建 立了各种化学条件下颗粒的脱稳与传输模式的数学方程式【2 l j 。 1 3 2 混凝沉淀技术在染料废水处理领域的应用 纵观国内外染料废水处理工艺，混凝沉淀技术在其净化过程中直占据主导地位。染料 废水中各类污染物，通过混凝沉淀净化工艺处理后，最终以沉淀污泥的形式去除。杨星宇， 彭润芝圈利用絮凝床迷宫沉淀技术处理含靛蓝染料、淀粉和p v c 浆料的牛仔布印染废水。 经半年工程运转，结果表明，进水色度、s s 、c o d 、b o d 、n h 3 - n 平均浓度分别为4 0 0 ( 稀 释倍数) 、9 7 m f f l 、8 2 1 m g l 、1 8 9 5 1 m g l 、1 8 m g l 时，处理效果良好，去除率分别为9 7 5 、 9 7 4 、9 4 0 、9 0 o 、5 8 3 ，出水达纺织染整工业水污染物排放标准( g b - 4 2 8 7 - 9 3 ) - - 级排放标准。a y s e g u lp a l a a ，e n i st o k a t b z 3 采用有机絮凝剂d e c 、活性炭粉末、美国粘土、 活性污泥以及商业无机粘土直接投加到棉染厂废水中进行处理，污泥停留时间为3 0 天，水 力停留时间为1 6 天。实验发现d e c 和活性炭粉末具有较好的处理效果和较少的污泥产生量， 并且多元线性回归统计结果表明，两种絮凝剂不受处理前后废水的总悬浮固体物( t s s ) 和 色度的影响。 1 4 结团絮凝高效固液分离理论与结团絮凝工艺构思 1 4 1 结团絮凝理论概述 在传统的絮凝工艺中，脱稳颗粒的碰撞结合完全是一种随机的过程。因此，絮凝体形成 过程也是随机的，随着其粒径的增大，初始粒子之间的空隙所占的比例也增大，导致絮凝体 密度减小，絮凝体的密度主要取决于构成絮凝体的初始粒子之间的空隙率，而空隙率的大小 由絮凝体的形态构造决定。可见，要大幅度提高絮凝体的密度，必须限制和降低絮凝体内部 空隙率，这就要求改变絮凝体的构造形态。 1 ) 随机型絮凝体的形成过程 i 9 6 3 年，v o l d 提出了著名的弹射凝聚模型( b a l l i s l j ea g g 忧g a f i o n ) 刚，v o i d 假设初始粒 子和既成絮体始终为球形颗粒，水中絮体是由初始粒子逐一齄机附着在既成絮体上形成的， 通过计算机模拟絮体的形成过程，得到由7 6 个初始粒子组成的絮体模型，它是以中心核为 基础，周围由初始粒子组成的絮体模型，见图l1 ，即v o i d 模型。该模型揭开了絮体构造与 密度关系研究的序幕。 圉i 1 v “d 横坦絮体 目i2s u t h e r l a n d 幔型g 凝体 1 9 6 6 年，s u t h e r l a n d 对v o i d 模型进行了扩展，提出了集团凝聚模型( c l u s t e r a g g r e g a t i o n ) 捌，他认为v o i d 模型未能体现絮体的真实形成过程，认为在絮凝过程中存在三种碰撞： 初始粒子与初始粒子的碰撞：初始粒子与高倍既成絮体的碰撞： 高倍既成絮体之间的碰 撞。在这三种碰撞的假设前提下，通过计算机模拟得到另一种模型，见圈1 2 ，即s 删a n d 模型。v o i d 和s u t h e r l 皿d 还分别用计算机定量模拟絮体成长过程，得出各自模型的数学表达 式跚。v o l d 模型和s u l h e r l a n d 模型的表达式见( i ) 和( 2 ) 两式： 见= 18 1 3 i 0 。d ? ”6 ( i ) 以= 1 3 x l o d f 1 ( 2 ) 式中：m 絮凝体有效密度( g 七m 3 ) ； d 广靠凝体粒径( 锄) 。 从式( i ) 和( 2 ) 可以得出相似结论即随着絮凝体粒径的增大，其有效密度呈负指数 关系急剧下降。在两种模型中v o i d 模型是建立在水中脱稳颗粒( 初始粒子) 随机逐一附着 在既成絮体这一假设基础上，忽略了实际絮凝过程中不同成长倍数的既成絮体间的絮凝过 程，因而依据该模型所形成的絮体结构就比s u t h e d a n d 模型结构或实际絮体结构更为密实， 密度也就更大幽】。而s u t h e r l a n d 模型由于考虑了商倍粒子阆的结合，反映了颗粒结合时的随 机排列导致絮体内部空隙率随粒径增大而提高的传统絮凝过程的特点，更符合实际絮凝体的 成长过程口丌。无论是v o l d 模型还是s u t h e r l a n d 模型都是在粒子与絮体或粒子与粒子随机碰撞 的假设下建立的，这种随机碰撞也是导致絮体松散结构的原因【2 9 】。由此，可以得出这样一个 结论：絮体的密度决定于既成絮体的结构，即初始粒子与既成絮体闻相互凝聚的方式和随机程 度网。随后，丹保、l a n v a n k e r 、f r n a o c i s 等研究者们在此基础上进行了大量的研究工作，通 过测定絮凝体密度与粒径的关系，得出了絮凝体有效密度( 水中的密度) 与粒径成k p 次方反比 的关系刚。这一现象的解释是由于絮凝体成长过程是随机碰撞结合过程，随着其粒径的增大， 初始粒子之间空隙比例也增大，导致絮凝体密度减，j 舻。 致密型絮凝体的形成过程 就普通絮凝的研究，丹保等提出了絮凝体的构造模型【3 2 1 。在丹保模型中，由水中不同粒 径的较小絮凝体合并成既成絮凝体的密度与空隙率的关系比较复杂。可以对其作一简化：初 始粒子首先碰撞合并成某一粒径的较小絮凝体，再以这些较小絮凝体作为基本颗粒合并成大 絮凝体。如果说初始粒子成长为既成絮体的过程分成a 个阶段，假定每个阶段的基本颗粒阃 的空隙率为f ，得出了既成絮体有效密度的近似表达式【3 2 】： 见。= ，一户。) ( 1 一占o x l - - e 1 ) ( 1 一占。) ( 3 ) 式中：破。既成絮体( 第1 1 阶段絮体) 有效密度，g c m 3 ： 风固体物密度，g c m 3 ： 成水的密度，g e m 3 ； 由式( 3 ) 分析可知，提高絮凝体密度的途径有两条f 蚓：第一，控制初始粒子形成既成 絮体的阶段性，限制高倍粒子的形成，也即控制初始粒子粒径，使初始粒子粒径足够小，有 效密度足够大，尽可能使初始粒子依次逐个附着到成长颗粒上；第二，改变絮凝体的构造形 态，降低颗粒结合过程中的空隙率。结团凝聚的机理就是让初始粒子逐个附着在既成絮凝体 的表面上，并进行有规则的排列，从而降低了絮凝体内部空隙率，提高了絮凝体的密度。 1 4 2 结团絮凝工艺的形式 按照加载剂和絮凝产生位置的不同，结团絮凝在水处理领域的应用主要有以下四种形 式： ( 1 ) 微砂加载絮凝高速澄清工艺0 3 - 3 s 加载絮凝利用图1 - 3 的专利方法，采用一种絮凝助剂和一种加载荆( 典型的是一种二氧化 硅微砂) ，形成密实的微絮体颗粒，这种絮体颗粒“被加载”从而快速沉淀。处理系统一般由 三个间隔区构成：混合区、熟化区和沉淀区。随工艺要求的不两，可采用分开的，串联的间 隔完成过程的功能，或者将几种功能结合在单个容器中完成，采用叠层斜板沉淀或常规的重 力澄清。 通常，筛后废水进入加载絮凝反应器，并投加混凝剂硫酸铁使颗粒失稳。然后进入混合 区，那里有加入的微砂和聚合物，使絮凝效率达到最大，并使悬浮颗粒物沉淀加速。在混合 区内，聚合物起黏合剂的作用，使失稳的固体附着在微砂上。废水流经熟化区，在保持固体 的悬浮状态同时使絮凝颗粒继续发育和壮大，一旦发育，加载絮体颗粒很快沉降到澄清池底 部，从澄清水中去除的砂和絮体颗粒用泵送到漩流分离器( 水力漩流器) 分离砂。分离出的砂 返回投入池，而固体颗粒则被水力漩流器送到固体处理设施。 ( 2 ) 叠层斜板澄清器 图1 3 微砂加载絮凝 叠层斜板澄清是在利用化学药剂后，经三级絮凝和叠层斜板澄清器( 见图1 4 ) 。水流进入 澄清区之前投加混凝剂和聚合物，将其带入絮凝区。当加入化学药剂的废水流经三级混凝区 的每一级时，混合浓度梯度随废水从一级到下级而降低，然后经化学药剂调理僳凝的废水 流过叠层澄清器分离固体。 6 聚食嘞三段絮凝 图1 4 多级絮凝叠层斜板高速澄清工艺 ( 3 ) 稠密污泥方法 稠密污泥系统也是一种专利方法。它与微砂加载絮凝的不同点在于，循环的化学药剂调 理的固体代替微砂与流入的废水形成微絮凝颗粒。如图1 5 所示，流入的废水进入空气混合 区，其中加入混凝剂( 一般是硫酸铁) ，使砂分离。混合之后废水流入两级絮凝的第一级， 聚合物与化学药剂调理的循环固体一道流入其中。循环固体加速絮凝过程并促进稠密的均匀 絮体颗粒的生成。在第二级絮凝中，油脂和浮渣开始分离并被去除。水流从絮凝池进入预沉 降区并通过叠层沉降器中去除。部分沉淀固体进行循环，剩余的固体送到固体处理和处置系 统。 底流彘废雠 图1 5 稠密污泥加载絮凝高速澄清工艺 ( 4 ) 造粒流化床高效固液分离法 该方法是近年提出的一种新技术( 如图1 _ 6 所示) ，即通过合理控制无机盐和有机高分子 两种混凝剂的投加顺序、投量和混合、流化条件，该方法成功地高浓度悬浊液、高色度悬浊 液和污水生物处理的固液分离。 与传统混凝沉淀工艺相比，结团絮凝处理工艺的理论基础在于造成初始颗粒微脱稳的条 7 件，并实现逐一附着型絮凝操作，从而改变絮凝体的分形结构，生成团粒型絮凝体，大幅度 提高固液分离效率。 筏氅簟嗍 藏承5 掣 i 叫堕蔓富l 区蕉塑睦弘 高姣网液分离主体设备 图1 6 造粒流化床高速澄清工艺 1 4 3 结团絮凝工艺的应用 ( 1 ) 结团絮凝工艺处理高浊度高色度水瞰】 应用造粒流化床工艺处理高浊度色度废水，实验发现当色度在1 0 0 1 0 0 0 c u ( c o l o ru n i t ) 范围内，色度浊度比不大于1 的情况下，上向流造粒流化床工艺可以很好的去除原水中色度 和浊度物质，能够形成有效密度为0 0 2 - 0 2 9 e r a 3 的颗粒污泥，剩余污泥通过滤网后的含水率 低于9 0 因此污泥可以不经过浓缩面直接脱水。所以对于自然界中高浊度水( 一般为1 0 0 c u 左右) 都可以用此种工艺进行有效的处理。 ( 2 ) 结团絮凝工艺处理高炉煤气洗涤废水即j 应用造粒流化床工艺处理高炉煤气洗涤废水和选矿废水，研究结果表明，该工艺的表面 负荷比传统处理工艺提高了十倍左右，不仅可有效去除废水中的悬浮污染物和重金属、酚、 氰等其它污染物，还可实现废水的重复使用，节约和充分利用水资源。 ( 3 ) 结团絮凝工艺处理热电厂冲灰废水 3 8 1 应用造粒流化床工艺处理热电厂冲灰废水，试验表明该工艺处理效率高，效果好；停留 时间短0 0 m i n 以内) ，投药量少：分离污泥含水率低，在存泥区停留m 以上，污泥的含水率 就降到8 5 以下；设备操作灵活性强，能满足不同处理的需要，抗冲击负荷能力强。 ( 4 ) 结团絮凝工艺用于分离活性污泥【3 9 】 造粒流化床工艺应用于活性污泥的固液分离。研究表明，造粒流化床中活性污泥形成密 实的团粒，污泥的含水率低于经普通浓缩池浓缩后的污泥含水率。污泥团粒具有类似球形颗 粒形态的外形，粒径在1 3 m m 之间，其密度一粒径关系满足t a m b o 絮体密度粒径公式。该 装置的出水水质( s s 浓度) 优于二沉池出水，药剂总体使用量低于常规处理工艺。 8 ( 5 ) 结团絮凝工艺处理洗煤废z k t 4 0 l 应用造粒流化床工艺处理洗煤废水，试验结果表明，该工艺与传统工艺相比，水处理表 面负荷提高5 1 0 倍，悬浮物去除率高达9 9 * , 4 ，对实现废水的再生回用、充分利用水资源具有 重要的意义。 ( 6 ) 结团絮凝工艺处理水厂生产废水【4 1 1 应用造粒流化床工艺以水厂生产废水为处理对象进行中试研究。研究结果表明，用该工 艺处理水厂生产废水是完全可行的，具有处理效率高、出水水质好、排泥浓度高等特点，处 理设备抗水质水量冲击负荷能力强。 1 5 本文研究的意义与内容 随着人们生活水平的提高，染料工业也在不断地发展，因此高色度工业废水治理也成为 了人们所关注的焦点，国内外学者也在染料废水处理领域做了大量的研究，絮凝沉淀是非常 重要的方法之一。可是，传统的絮凝沉淀技术产生大量的松散絮凝沉淀物，给后续水处理增 加了的成本。结团絮凝工艺主要是针对高浊度黄河水泥浆量大和脱水成本高而研发的一种新 型絮凝沉淀工艺，该工艺运行效率高，絮凝沉淀速度快。采用结团絮凝工艺对不同性质的染 料废水脱色研究，对于降低后续水处理成本具有十分重要的意义。 本项目研究内容： ( 1 ) 选用高岭土高浊度水制各结团絮凝体，通过调整絮凝剂投加量、水流上升流速以 及结团絮凝体的量，对直接染料、活性染料以及分散染料模拟废水进行脱色性能以及出水浊 度的调控。在最优化的运行条件下，研究运行时间对整体处理工艺的影响。 ( 2 ) 通过传统混凝实验与结团絮凝工艺优缺点的比较，认证结团絮凝技术处理染料废 水的应用与开发前景。 ( 3 ) 通过石英砂微絮凝过滤床实验与普通微絮凝和结团絮凝工艺之间优缺点的比较， 揭示结团絮凝工艺的可行性。 9 2 1 试验药剂和仪器 2 1 1 试验药剂 絮凝剂：聚合氯化铝 a 1 2 ( o h ) n c k d m ( 河南红津化工有限公司) ，简称p a c ，其中n = 1 - 5 ，m - - 1 0 0 p m ) ，需要依靠分散剂分散于水中，稳定性较差蚴。研究表明，对于分散染料染色废水 的脱色，一般采用混凝法。混凝剂加入后易发生凝聚而被除去，且所需混凝剂的量较少。 本实验选用分散蓝2 b l n 作为研究对象进行结团絮凝脱色研究。，结构式见下图： b r h , n 0o i l 在室温为2 5 ( 2 的条件下，取建分散蓝2 b l n 投入7 5 l 的水中，测定色度为4 0 0 ，浊度 为8 7 n t u 。 5 1 结团絮凝体对分散蓝2 b i _ n 的影晌 结团絮凝体对未投加药剂的分散蓝2 b l n 模拟染料废水主要是吸附作用。分散染料具有 难水溶性性质，在上升流速为2 0 e r a r a i n 条件下，吸附实验如图5 1 所示。 赧 邂 、一 蜊 固 妥 蔼 运行对阔审in 图5 1 结团絮凝体对分散蓝2 b l n 的影响 a 出水色度；b 脱色率；c 出水浊度；d 悬浮层高度 o o 0 o o s o 5 ， l lfl工z避蘑妥墨 从图5 1 中可以看出结团絮凝体对分散染料几乎没有脱色性能，而出水浊度值却比较高， 在1 0 0 n t u 左右波动。结团絮凝体一直保持在6 0 e m 的悬浮层高度。分析原因在于分散染料 在水中属于不溶性染料，在水中易形成憎水性胶体，由于胶体双电子层的稳定性，因此不易 被结团絮凝体吸附。出水浊度比原水高是因为一部分结团絮凝体被水力所冲散所致。 5 2 投药条件对分散蓝2 b l n 的影响 5 2 1p a c 投加量对分散蓝2 e l _ n 的影响 由于p a c 对于分散蓝2 b l n 的絮凝脱色效果最好，因此，通过投加p a c 在微管混凝器 内先行反应，脱色达到一定的效果后，再进入结团絮凝反应器中。在微管混凝器末端注入 0 4 m g l 的p a m ，保持结团絮凝体的结合力。 l l 簌 逛 越 回 繁 丑 o - z 型 爱 丑 p a c 投加量m g l p a c 投加量m g l 图5 2p a c 投加量对分散蓝2 b l n 的影响 a 出水色度；b 脱色率；c 出水浊度；d 悬浮层高度 图5 2 是p a c 投加量和整个系统工艺参数的关系图，由上图可以看出： ( 1 ) 由于结团体吸附分散染料效果不是很好，p a c 浓度0 m g l 时，出水色度比较接近原水； p a c 浓度从1 0 m g l 持续加到5 0 m g l 时，出水色度逐步变小，在p a c 浓度为3 0 m g l 时，色度为5 0 倍，脱色率达8 7 5 。 ( 2 ) 分散染料的出水浊度较高，且随着p a c 投加量的增加，出水浊度在不断降低。在p a c 投 加量达到最佳点时，浊度小于1 0 0 n t u 。分析原因是，p a c 投加量较低时，部分染料被 脱稳絮凝，但是难以沉降。当p a c 投加量达到最佳值时，分散染料被完全脱稳，被脱稳 的微粒在结团体的作用下与p a m 充分混合形成较大颗粒，相对容易沉降，因此，出水 浊度不断降低。 ( 3 ) 结团絮凝柱高度在整个工艺中维持在7 5 c m 左右，表明悬浮层浓度不随p a c 投加量的变 化而变化。 5 2 2p 朋投加量对分散蓝2 b i _ n 的影响 在结团絮凝工艺中助凝剂p a m 投加点和投加量的选择非常重要。它的作用是增强颗粒 闯结合强度，实现架桥凝聚。因此，根据黄廷林等p 习的研究，p a m 投加于微管混凝器末端有 助于整个结团体致密性能的提高。取p a c 浓度3 0 m g l ，改变p a m 投加量进行实验，整个系 统的参数如图5 3 所示。 1 2 0 粲1 0 0 趟望8 0 醚6 0 霎4 0 刮2 0 图5 3p 矗m 投加量对分散蓝2 b l n 的影响 a 出水色度；b 脱色率：c 出水浊度；d 悬浮层高度 图5 3 是p a m 的投加量和整个系统工艺参数的关系图，由图可以看出： ( 1 ) 在p a m 投加量为0 时，出水色度是1 0 0 倍，脱色率仅为7 5 ，主要是由于运行初期投加 p a c 后，分散染料形成的颗粒相对较大，在没有p a m 投药的条件下，初始粒子不易被 悬浮固体截留。当p a m 投加量为0 1 - 4 ) 2 m g l 时，出水色度在5 0 倍左右，脱色效果明 显好于未加p a m 时。当p a m 投药量大于0 3 m g l 时，出水色度为4 0 倍，达到印染废 3 2 o 蛐 印 如 加 o j工n谜爱*丑 水国家一级排放标准，脱色率达到9 0 。 ( 2 ) 在p a m 投加量为0 时，出水浊度值较高，接近1 0 0 n t u ，随着p a m 投加量的稳定提高， 出水浊度值不断降低。在p a m 为0 4 m g l 时，出水浊度为1 5 0 5 n t u ，整个系统运行较 稳定。 ( 3 ) 对于分散染料，当p a m 投加量较低，为0 3 m g l 时，出水水质很好。但是，这时结l 虱絮 凝体容易被水力所冲散，悬浮层高度在6 5 c m 左右波动。因此，对于分散染料，p a m 投 加量选择大于0 4 m g l 为宜。 5 3 上升流速对分散蓝2 b l n 的影响 一般f 青况水力负荷越小，处理效果越好，但是需要较高的投资成本。结团絮凝工艺的优 势在于能够承受较高的水力负荷，图5 4 是对系统的上升流速进行试验。 籁 逍里 瑙 固 * 习 j _ z 瑙 舞 饕 丑 图5 4 上升流速对分散蓝2 b l n 的影响 a 出水色度；b 脱色率：c 出水浊度；d 悬浮层高度 从图5 4 可知，上升流速从2 1 2 3 c m m i n 升至2 6 5 c m m i n 时，整个系统运行比较稳定， 出水色度稳定在4 0 倍，脱色率达9 0 。结团絮凝体在反应器中一直处于悬浮状态，且保持 悬浮层高度在7 0 c m 左右。出水浊度值比较低，约为1 0 n t u ，但是，当上升流速增至3 0 3 c m m i n 后，整体工艺参数变化较大。脱色率随着上升流速的增加而减小，出水浊度值上升到ll0 n t u 。 当上升流速达4 2 5 c m m i n 时，脱色率降至6 2 5 ，出水浊度为1 3 8 n t u 。因此，结团絮凝工 艺对于分散染料废水仅适应较低的水力负荷。 3 3 5 4 结团絮凝体的量对分散蓝2 b l n 的影响 本实验在上升流速为2 0 c m m i n ，p a c 浓度为3 0 m g m ，p a m 浓度为0 4 m g l 条件下运行 3 0 m i n ，悬浮层浓度对分散染料的影响，见图5 5 。 ，_ 、 籁 趔望 、- ， 毯 脚 * 丑 h z 越 爱 * 丑 40 0 0 结团体高度cm 结团体高度c 皿 图5 5 结团絮凝体的量对分散蓝2 b l n 的影响 a 出水色度；b 脱色率；c 出水浊度；d 悬浮层高度 由图5 5 所不： ( 1 ) 在不投加结团絮凝体的条件下，出水色度比较差，脱色率只有7 5 。主要是在微管混凝 器作用下的脱色，由于在反应器中的停留时间相对常规较短，p a m 对其脱色效果较差。 此时的出水浊度值较高，为6 2 n t u 。 ( 2 ) 当投加结团絮凝体的量从1 0 , - - 5 0 c m 时，出水色度稳定在4 0 倍，脱色率达9 0 0 , 4 ，出水水 质能够达到印染废水的色度的一级排放标准。分析原因是分散染料属于疏水性染料，容 易被絮凝，从而形成大的颗粒不易被截留。结团絮凝体在反应器中的主要作用是形成微 涡流，增强搅拌作用，使p a m 与初始颗粒充分混合。 ( 3 ) 随着絮凝体的量的不断增加，出水浊度值在降低，当絮凝体的量在3 0 e m 后，出水浊度稳 定在2 0 n t u 。主要是因为结团絮凝体的量将大多数微粒吸附，出水的颗粒粒径相对较大 和密集，易沉降。 ( 1 4 ) 随着絮凝体的量的不断增加，悬浮层的高度也在不断的变化。在投加量在1 0 c m 时，悬浮 层高度也仅为2 0 c m ，当投加量达4 0 c m 时，悬浮层高度稳定在7 5 c m 左右。 5 5 运行时间对分散蓝2 b l n 的影响 在最佳投加量的条件下，对结团絮凝工艺所能承受的时间进行研究。 一00 籁 埋80 魁60 如 繁4 0 丑 。 宝 恻 爱 * 丑 运行时闯min 运行时间m i1 1 图5 6 运行时间对分散蓝2 b l n 的影响 a 出水色度；b 脱色率；c 出水浊度；d 悬浮层高度 图5 6 是运行时间和整个系统工艺参数的关系图，由图可以看出： ( 1 ) 在实验运行初期，色度变化不大，为2 0 倍。相对脱色率比较高，在9 5 。运行2 0 m i n 后， 脱色效果变得稳定，维持在4 0 倍，脱色率达9 0 。 ( 2 ) 在实验运行初期，浊度值波动也很明显，浊度值最高达4 7 。1 3 n t u 。运行2 0 m i n 后，出水 水质变得稳定，出水浊度值保持在2 0 n t u 左右波动。 结团絮凝工艺对于分散蓝2 b l n 具有很好的处理效果，在实验室条件下，能够稳定运行 较长时间。 5 6 絮凝工艺对照试验 本文选用普通絮凝工艺和石英砂微絮凝工艺作对照实验，与结团絮凝工艺同步比较试验， 认证结团絮凝工艺治理分散染料模拟废水的可行性。