葉興剛，李小波，羅 薇

(1.湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，湖北 十堰，442000；2.湖北恩施自治州環(huán)境監(jiān)測站 水環(huán)境監(jiān)測室，湖北 恩施，445000)

精密鑄造行業(yè)是機械工業(yè)的耗能大戶,能耗高、能源利用率低、污染嚴(yán)重、經(jīng)濟效益差,制約了精密鑄造行業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)外的許多專家認(rèn)為水玻璃砂是21世紀(jì)鑄造工業(yè)最有可能實現(xiàn)的綠色鑄造的型砂[1]。實現(xiàn)綠色鑄造的關(guān)鍵之一是解決水玻璃舊砂的再生回用問題，目前以濕法再生效果最佳，但濕法再生工藝及設(shè)備相對較復(fù)雜,再生后剩下的污水需經(jīng)處理后才能實現(xiàn)循環(huán)利用或向外排放[2]。合理使用能源、節(jié)約能源、減少三廢排放是精密鑄造企業(yè)面臨的長期且嚴(yán)峻的任務(wù)。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新，蠟?zāi)３尚偷墓袒瘎?、脫模劑等試劑也在發(fā)生著不斷的變化，開展富有針對性的含蠟廢水處理工藝研究成為了必然。

1 含蠟廢水來源及處理工藝

1.1 精鑄含蠟廢水來源

精密鑄造水玻璃工藝的主要工藝環(huán)節(jié)包括：制作蠟?zāi)！茪ぁ撓灐簾鷿沧?。本課題涉及的廢水主要來源于蠟?zāi)Ｇ逑春兔撓瀮蓚€環(huán)節(jié)，其中蠟?zāi)Ｔ谇逑床壑杏们逑匆哼M行清洗，清除分型劑，用壓縮空氣吹除蠟?zāi)１砻嫔系南炐己退炙a(chǎn)生的廢水稱之為洗蠟廢水；在不低于90℃的條件下，采用1.0%的HCl溶液(pH值為1-1.5，適用于結(jié)晶氯化鋁硬化劑、混合硬化劑制造的模組脫蠟)或者1.0%的NH4Cl溶液(適用于氯化銨硬化劑、氯化鎂硬化劑制造的模組脫蠟)作為脫蠟液將型殼內(nèi)的蠟脫凈[3]的同時所產(chǎn)生的酸性廢水稱為脫蠟廢水。

針對此類廢水的處理，國內(nèi)外大量采用混凝沉淀作為核心處理工藝，一些科研、設(shè)計、生產(chǎn)單位已用三氯化鐵、明礬、聚合氯化鋁(PAC)、電石渣(CaC2)、石灰、硫酸亞鐵等混凝劑進行過混凝沉淀試驗,都存在不論選擇哪種混凝劑,其投藥量較正常投藥量都大得多。如將pH值調(diào)到中性附近,則投藥量可降至正常投藥量[4]。本項目擬采用“冷卻氣浮+混凝沉淀+回用/AC吸附”的組合工藝對精鑄蠟?zāi)U水進行處理。

1.2 處理工藝流程

本課題研究的廢水來源于丹江口市某精密鑄造的蠟?zāi)Ｇ逑春椭茪ず蟮拿撓瀮蓚€生產(chǎn)環(huán)節(jié)。將該廢水統(tǒng)一收集至集水池再進行后續(xù)處理，擬定處理流程如圖1：

圖1 污水收集及處理系統(tǒng)

凈化工藝描述：來自生產(chǎn)的含蠟廢水收集于集水池，在經(jīng)過冷卻、氣浮分離等工序?qū)崿F(xiàn)蠟、水分離，分離出來的蠟塊打撈后回用；廢水經(jīng)過泵提后，順次通過pH調(diào)整槽、PAC混合器、PAM混合器，依次完成pH調(diào)整、PAC混合及PAM混合，在沉淀池中完成絮凝反應(yīng)形成較大的絮凝礬花并加以沉淀，從而實現(xiàn)泥水分離；沉淀出水自流進入清水箱，經(jīng)泵提回流至生產(chǎn)線。當(dāng)水質(zhì)變差(混凝沉淀控制不當(dāng))時，沉淀出水可以進入AC罐進一步處理，達到生產(chǎn)要求水質(zhì)指標(biāo)后進行回用。沉淀池污泥定期排放并壓濾，泥餅不含重金屬、油類物質(zhì)，可直接填埋；濾液回流至集水池進行再處理。

該工藝中最核心的處理單元為混凝—沉淀，由于其運行參數(shù)的選擇對廢水處理的效果關(guān)乎本項目的處理成敗，故本研究重點圍繞混凝沉淀進行。

2 試驗過程

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

結(jié)合影響混凝沉淀效果的水體溫度、水體pH值、絮凝劑的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)、絮凝劑投加量、水力條件等五大因素[5]，本項目的任務(wù)確定為考察針對丹江口市某鑄造廢水確定混凝的最佳pH投加點、PAC的最佳加藥量、PAM的最佳加藥量等運行參數(shù)。

2.2 試驗主要設(shè)備及試劑

ZR4-6型混凝攪拌機、PHS-C型pH計、DRB200型COD測定儀、CM-02型COD測定專用加熱器等；試驗所用主要的水處理試劑包括10%的NaOH溶液、10%的Ca(OH)2溶液、5%(m/m)的PAC溶液、0.1%(m/m)的PAM溶液等。

2.3 主要試驗參數(shù)的確定

本項目采用的廢水來自于精鑄車間廢水收集池，原水水質(zhì) COD為1 084mg/L、氨氮為129.4 mg/L、 pH為2.46；廢水處理效果評價指標(biāo)擬定為COD去除率、絮凝體的沉降性能指標(biāo)SV30(10)及泥水分離效果定性描述。

2.3.1 pH值對廢水處理效果的影響

考慮該廢水中本身含有具有水質(zhì)軟化劑、助沉劑特性的硅酸鹽成分[6]，擬定考察不同的pH值對廢水中COD去除率的影響。試驗中用5個量杯取廢水水樣500 mL，分別采用10%Ca(OH)2溶液、10%NaOH溶液調(diào)整pH至4、6、8、10、12觀察其COD及其泥水分離情況。記錄結(jié)果見表1：

表1 pH值對COD去除率及SV10的影響

注：“-”代表長期沒有泥水分離現(xiàn)象，其COD是用0.45μm的濾紙濾后測得的濾液COD值；表中COD1是以10%Ca(OH)2溶液調(diào)節(jié)pH所得水樣的COD值，COD2是以10%NaOH溶液調(diào)節(jié)pH所得水樣的COD值。

由圖2可知，單獨采用10%Ca(OH)2溶液、10%NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值就可以形成絮凝體，可能是水玻璃在反應(yīng)過程中形成的膠體物質(zhì)被脫穩(wěn)而形成的；10%NaOH溶液雖然可以形成細碎的礬花，但是泥水分離困難，而采用10%Ca(OH)2溶液處理廢水在泥水分離方面體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，且在pH>6時隨著pH的上升，沉降性能越好，如在pH=10時，SV10就降至了30%，這主要是Ca2+以羥基鈣絡(luò)合物和氫氧化物沉淀的形式吸附在以水玻璃為主的礦物表面，通過壓縮表面雙電層而破壞了礦物顆粒分散的穩(wěn)定性,導(dǎo)致礦物顆粒間的聚沉[7]。圖2中兩種投藥方式對COD的去除率受pH值的影響過程非常相似，且均處在25%～40%之間，COD的去除率隨著pH值的增大而增大且在pH>8后增加不再明顯。

圖2 pH對處理效果的影響

由此可以看出，選擇生石灰作為pH調(diào)整試劑不僅來源廣泛、價格便宜，更是有利于快速實現(xiàn)泥水分離；結(jié)合PAC的適用pH一般范圍為5.0～9.0、排水達標(biāo)規(guī)定pH范圍為6.0～9.0及上述試驗結(jié)果，擬選定pH為8左右作為后續(xù)試驗的條件。為了達到pH調(diào)整的同時，提高泥水分離的性能，同時降低污泥的產(chǎn)生量，pH調(diào)整試劑采用(1+1)的10%的NaOH和10%的Ca(OH)2的混合溶液。

2.3.2 PAC用量對廢水處理效果的影響

用8個量杯取廢水水樣500 mL，采用10%Ca(OH)2、10%NaOH的(1+1)混合溶液調(diào)整pH至8左右，依次加入5%的PAC溶液0.00mL、0.10mL、0.20mL、0.50mL、0.80mL、1.00mL、5.00mL、10.0mL，即PAC對應(yīng)的折算濃度依次為0mg/L、5mg/L、10mg/L、25mg/L、40mg/L、50mg/L、250mg/L、500mg/L，觀察形成礬花的沉降速情況、測定COD并計算其去除效率，結(jié)果如下。

表2 PAC用量對COD去除率及SV10的影響

圖3 PAC用量對處理效果的影響

由圖3可知：在pH=8的情況下，PAC加入COD的去除有較為明顯的改善，PAC水溶液濃度從5 mg/L增加至25 mg/L時,COD去除效率η3上升迅速,之后隨著PAC水溶液加入量的增加,η3變化比較平緩,且處在60%-70%之間；但隨著投加量的進一步加大，COD去除率反而有所下降。與此同時，絮凝體的沉降性能SV10一直在隨著PAC用量的增加而上升，意味著泥水分離變得越來越困難，主要原因是過量聚合氯化鋁(PAC)的使用導(dǎo)致溶液進入新的穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合COD的去除效果及經(jīng)濟因素可以判定將PAC水溶液的最佳加入量控制在25-50 mg/L為宜，現(xiàn)選定PAC的折算濃度為40m g/L作為后續(xù)試驗條件。

2.3.3 PAM用量對廢水處理效果的影響

根據(jù)經(jīng)驗值可知，PAM的用量大約等于(1/20-1/60)的PAC，所以PAM用量預(yù)估在0.6-2mg/L?，F(xiàn)用8個量杯取廢水水樣500mL，采用10%Ca(OH)2、10%NaOH的(1+1)混合溶液調(diào)整pH至8左右，混勻后再加入5%的PAC溶液0.80mL(對應(yīng)的折算濃度為40mg/L)，待混勻反應(yīng)1-2min后，再依次加入0.1%的PAM溶液0.10mL、0.20mL、0.30mL、0.40mL、0.50mL、0.60mL、0.80mL、1.00mL，即PAM對應(yīng)的折算濃度依次為0.2mg/L、0.4mg/L、0.6mg/L、0.8mg/L、1.0mg/L、1.2mg/L、1.6mg/L、2.0mg/L，攪拌3 min(攪拌器轉(zhuǎn)速為400r/min),待其絮凝沉淀10 min，觀察礬花形成情況及沉降速率、測定上清液的COD并計算其去除效率，記錄結(jié)果見表3：

表3 PAM用量對COD去除率及SV10的影響

由表3可以看出，PAM的加入對COD去除率η4影響微弱，與單獨加入PAC時的結(jié)果幾乎相同，但是PAM的加入?yún)s大大地改善了泥水分離的效果，SV10值從2-5#水樣的75%很快降至3-3#水樣的29%，且礬花的粒徑也發(fā)生了明顯的增大，在PAM濃度達到0.6 mg/L之后，污泥的SV10變化變得平緩，若隨著PAM濃度的進一步提高，其上清液也不再清澈透亮。可見聚丙烯酰胺水溶液的相對最佳加入量在0.8-1.2 mg/L之間為宜。

3 結(jié)論

從實驗數(shù)據(jù)可以看出：

(1)對該類廢水處理效果影響最大的是PH值，其次為PAC、PAM的加入量，且選擇含鈣離子的物質(zhì)進行pH值調(diào)節(jié)，更加有利于實現(xiàn)泥水分離。

(2)單純的PAC混凝對廢水的處理效果欠佳，要達到較好處理效果應(yīng)該在適宜的PH值條件下采用多種實際協(xié)同可以取得良好的凈化效果，且沉降快速，容易實現(xiàn)泥水分離。

(3)就本次試驗廢水的處理而言，其最佳的處理工藝參數(shù)組合條件為：在pH值為6.5-8.5的條件下，投加PAC使其濃度處于25-50 mg/L之間，待反應(yīng)1-2 min后加入0.8—1.2 mg/L的PAM可以大幅提升其泥水分離效果。