焦粉吸附深度處理焦化廢水

焦化廢水是焦化企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的較高污染物濃度的廢水，含有高濃度的酚、氰化物、硫氰化物和氨氮，還含有難以生物降解的油類、吡啶等雜環(huán)化合物和多環(huán)芳香化合物等，成分復(fù)雜，毒性大、色度高，性質(zhì)非常穩(wěn)定。焦化廢水直接排放會(huì)對(duì)人類和環(huán)境造成巨大危害。因此，焦化廢水處理已引起學(xué)者關(guān)注。在以往工藝中，焦化廢水一般按常規(guī)方法先預(yù)處理，然后進(jìn)行活性污泥生化二級(jí)處理，目前國內(nèi)焦化廢水處理大多采用厭氧/好氧工藝法(A/O)、厭氧/缺氧/好氧工藝法(A2/O)。焦化廢水經(jīng)以上處理后，對(duì)外排放的廢水中氰化物、COD及氨氮等指標(biāo)仍不符合排放標(biāo)準(zhǔn)。目前，GB16171―2012《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了企業(yè)水污染物排放濃度限值，其中pH值直接排放限值為6～9、化學(xué)需氧量(CODcr)直接排放限值為80mg/L。因此，須對(duì)上述步驟后的廢水進(jìn)一步深度處理。彭?xiàng)鞯炔捎贸粞酰钚蕴抗に噷?duì)焦化廢水生化出水進(jìn)行深度處理試驗(yàn)，結(jié)果表明：臭氧－活性炭工藝對(duì)焦化廢水生化出水具有良好的深度處理效果。劉純瑋等利用原煤經(jīng)特殊的炭化水蒸氣活化工藝制備了活性炭用于焦化廢水處理，取得了較好的處理效果。雖然活性炭對(duì)生化出水有較好的處理效果，但價(jià)格較貴，再生復(fù)雜。焦化過程所產(chǎn)生的焦粉顆粒小，具有一定的孔隙結(jié)構(gòu)和類似活性炭的理化性質(zhì)，且取料方便，吸附后的焦粉可不再生直接用于燒結(jié)生產(chǎn)。因此，以焦粉代替活性炭吸附焦化廢水，對(duì)焦化企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。陳鵬等、張洪恩等利用焦化廠干熄焦焦粉對(duì)焦化廢水進(jìn)行深度處理，但僅進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，考察了焦粉用量、焦粉粒徑、廢水pH值等因素對(duì)廢水處理效果的影響。本文采用焦粉吸附作為深度處理焦化廢水的后續(xù)處理工藝，通過單因素試驗(yàn)和正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)優(yōu)化，對(duì)焦化廢水中COD和色度去除率進(jìn)行研究，以期實(shí)現(xiàn)排放達(dá)標(biāo)。

1、試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 焦化廢水

試驗(yàn)所用廢水為黑貓焦化廠焦化廢水經(jīng)A2/O工藝處理后的生化出水，水質(zhì)指標(biāo)見表1。

1.1.2 焦粉

焦粉為黑貓焦化廠自產(chǎn)焦粉，未經(jīng)預(yù)處理比表面積為16.70m2/g，工業(yè)分析與元素分析見表2。

黑貓焦化廠生產(chǎn)的焦粉粒徑分布如圖1所示。可知，粒徑0～1、1～2mm焦粉占總焦粉量的16%、17%，粒徑大于6mm焦粉占總焦粉量的24%。

1.2 試驗(yàn)儀器與試劑

JJ－1精密增力電動(dòng)攪拌器；pHS－3CpH計(jì)；MD200微電腦鉑鈷色度測(cè)定儀。試驗(yàn)所用試劑均為分析純。

1.3 試驗(yàn)方法

1)取100mL生化處理后的廢水放置在量度為250mL燒杯中，事先用濃度98%硫酸溶液或NaOH試劑調(diào)節(jié)廢水，使廢水pH值達(dá)到指定值。加入一定量焦粉，在室溫下用電動(dòng)攪拌器攪拌2h，測(cè)定廢水COD和色度。

2)利用單因素試驗(yàn)考察焦粉粒徑、焦粉投加量、廢水pH值和吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響。

3)在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用L18(3⁷)正交表，選擇焦粉投加量、焦粉粒徑、溶液pH值和吸附時(shí)間作為影響因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平；以COD去除率、色度去除率為考察指標(biāo)，通過極差分析和方差分析優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果得到最佳工藝，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.4 分析方法

采用pHS－3CpH計(jì)測(cè)量廢水pH；采用重鉻酸鉀法測(cè)量COD；采用的微電腦鉑鈷色度測(cè)定儀測(cè)量廢水色度。采用日立臺(tái)式掃描電鏡TM3000(內(nèi)置EDX探測(cè)器－Quantax70)對(duì)焦粉吸附前后的形貌與表面元素分布進(jìn)行分析。

2、結(jié)果與討論

2.1 焦粉吸附工藝條件單因素試驗(yàn)

2.1.1 焦粉投加量對(duì)COD和色度去除率的影響

不調(diào)節(jié)廢水pH值，在焦粉粒徑4～5mm、吸附時(shí)間2h的室溫條件下，保持其他試驗(yàn)條件一致，加入不同量焦粉，考察焦粉投加量對(duì)COD和色度去除率的影響，如圖2所示。

由圖2可知，焦粉投加量從40g/L增至120g/L時(shí)，COD去除率從18%提高到48%，色度去除率從26%提高到57%；焦粉投加量大于120g/L時(shí)，兩者去除率增速減緩，投加量超過200g/L后，兩者去除率基本不再增加。分析其原因：隨著焦粉投加量的增加，可供吸附的吸附點(diǎn)位增加，廢水中污染物大量吸附，從而提高COD和色度去除率；繼續(xù)增加焦粉投加量，當(dāng)接近吸附平衡時(shí)，焦粉不再吸附廢水中的污染物，COD和色度去除率不再變化。綜合全面考慮焦粉投加量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，最終選擇120、160、200g/L焦粉投加量作為正交試驗(yàn)的3個(gè)水平條件。

2.1.2 焦粉粒徑對(duì)COD和色度去除率的影響

不調(diào)節(jié)廢水pH值，在焦粉投加量100g/L、吸附時(shí)間2h的室溫條件下，保持其他試驗(yàn)條件一致，加入不同粒徑焦粉，考察焦粉粒徑對(duì)COD和色度去除率的影響，如圖3所示。

由圖3可知，隨著焦粉粒徑增加，COD去除率從48%提高到62%，而色度去除率從47%提高到53%；焦粉粒徑超過5～6mm后，COD和色度去除率基本穩(wěn)定不變。這可能是由于焦粉粒徑過小時(shí)，表面能大容易團(tuán)聚，有效吸附表面減少，造成焦粉的吸附作用減弱。隨著焦粉粒徑增加，團(tuán)聚作用減弱，有效吸附表面逐漸增加，當(dāng)焦粉粒徑增加至一定程度后，有效吸附表面基本穩(wěn)定。綜合全面考慮粒徑對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，最終選取4～5、5～6和＞6mm焦粉粒徑作為正交試驗(yàn)的水平條件。

2.1.3 pH值對(duì)COD和色度去除率的影響

在焦粉投加量100g/L、粒徑4～5mm、吸附時(shí)間2h的室溫條件下，保持其他試驗(yàn)條件一致，考察pH值對(duì)COD和色度去除率的影響，如圖4所示。

由于pH值會(huì)改變廢水中污染物存在形式(分子、離子、絡(luò)合物)，使這些物質(zhì)在廢水中的解離度和溶解度發(fā)生變化，因而pH值是焦粉吸附處理焦化廢水的過程中重要影響因素。由圖4可知，在酸性條件下，隨著pH值的增加，COD和色度去除率降低；pH＞9時(shí)，兩者去除率也隨pH的增加而降低；當(dāng)pH值在8附近時(shí)，兩者去除率達(dá)到最大，COD去除率達(dá)到47%，色度去除率達(dá)到50%。分析pH值對(duì)試驗(yàn)的影響，選取pH值分別7、8、9作為正交試驗(yàn)的水平條件。

2.1.4 吸附時(shí)間對(duì)COD和色度去除率的影響

不調(diào)節(jié)廢水pH值，在焦粉投加量100g/L，粒徑4～5mm的室溫條件下，保持其他試驗(yàn)條件一致，考察吸附時(shí)間對(duì)COD和色度去除率影響(圖5)。

由圖5可知，吸附時(shí)間從0.5h逐漸增加到2.5h時(shí)，廢水中COD去除率顯著提高，從30%提高至46%，色度去除率從41%提高到48%；超過2.5h后，兩者去除率基本保持不變?？赡茉?yàn)椋何絼傞_始時(shí)COD和色度相對(duì)較高，濃度梯度也較大，因而焦粉具備較快的吸附速率；但隨著吸附繼續(xù)進(jìn)行，溶液與吸附劑之間的有機(jī)物濃度梯度開始下降，吸附推動(dòng)力度也隨之減弱，最終導(dǎo)致焦粉吸附速率放緩。綜合全面分析吸附時(shí)間對(duì)試驗(yàn)的影響，選取2.5、3.0、3.5h為正交試驗(yàn)的水平條件。通過對(duì)廢水單因素條件下的綜合分析考察，最終得到焦粉對(duì)廢水處理的最優(yōu)工藝條件為：焦粉投加量為200g/L，焦粉粒徑為5～6mm，pH=8，吸附時(shí)間為3h。

2.2 焦粉吸附工藝條件的正交優(yōu)化

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，最后選擇焦粉投加量、pH值、吸附時(shí)間、焦粉粒徑對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大影響的4種因素，每個(gè)因素選取了3個(gè)水平，隨機(jī)選取第3、5、7列作為空白列，設(shè)計(jì)L18(3⁷)正交試驗(yàn)，以COD和色度去除率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體見表3。

2.2.1 COD去除率試驗(yàn)結(jié)果分析

焦化廢水COD去除率正交試驗(yàn)結(jié)果見表4。

根據(jù)極差Ｒ可判斷各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響主次。由表4可知，焦粉對(duì)焦化廢水處理后，焦化廢水中COD去除率的極差大小為：A＞C＞D＞B，即各因素影響COD去除率的主次順序?yàn)椋?/span>A＞C＞D＞B，即在投焦粉加量、焦粉粒徑、吸附時(shí)間、溶液pH值4個(gè)因素中，對(duì)COD去除率的影響大小為：焦粉投加量＞吸附時(shí)間＞溶液pH值＞焦粉粒徑。

分析各因素各水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，根據(jù)正交試驗(yàn)表中k1、k2、k3關(guān)系可判斷某因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，從而確定因素的最優(yōu)水平。由表4中k1、k2、k3可知A3B2C2D2是4個(gè)因素的最優(yōu)水平組合，即焦粉吸附去除焦化廢水中COD的最優(yōu)工藝條件為焦粉投加量200g/L，焦粉粒徑5～6mm，吸附時(shí)間3h，溶液pH=8。

根據(jù)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)做方差分析，結(jié)果見表5。

由表5可知，大概有95%的概率可認(rèn)為焦粉投加量、焦粉粒徑、吸附時(shí)間、溶液pH值水平改變對(duì)試驗(yàn)有顯著影響；大概有99%的概率可認(rèn)為焦粉投加量、吸附時(shí)間水平改變對(duì)試驗(yàn)有非常顯著影響，即焦粉投加量和吸附時(shí)間對(duì)COD去除率影響最大。

2.2.2 色度去除率試驗(yàn)結(jié)果分析

焦化廢水色度去除率正交試驗(yàn)結(jié)果見表6。由表6可知，焦粉處理焦化廢水后，焦化廢水中色度去除率的極差大小為A＞C＞B＞D，即各因素影響色度去除率的主次順序?yàn)椋?/span>A＞C＞B＞D，即在焦粉投加量、焦粉粒徑、吸附時(shí)間、pH值4個(gè)因素中，對(duì)色度去除率影響大小為：焦粉投加量＞吸附時(shí)間＞焦粉粒徑＞溶液pH值，其中焦粉投加量的影響最大。

由表6中k1、k2、k3大小關(guān)系可知A3B2C3D2是4個(gè)因素的最優(yōu)水平組合，即焦粉吸附去除焦化廢水中色度的最優(yōu)工藝條件為焦粉投加量200g/L，焦粉粒徑為5～6mm，吸附時(shí)間為3.5h，溶液pH=8。

根據(jù)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)做方差分析，結(jié)果見表7。

由表7可知，大概有99%的概率可認(rèn)為焦粉投加量、焦粉粒徑、吸附時(shí)間、溶液pH值水平改變對(duì)試驗(yàn)有非常顯著影響。

2.3 試驗(yàn)方案優(yōu)化

由COD和色度去除率的正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出，COD去除率的最佳方案為A3B2C2D2，而色度去除率的最佳方案為A3B2C3D2，二者在吸附時(shí)間上有所不同。因此，在焦粉投加量200g/L、焦粉粒徑5～6mm、溶液pH=8的最優(yōu)條件下，考察吸附時(shí)間分別為3和3.5h對(duì)色度去除率的影響。結(jié)果表明，吸附時(shí)間為3和3.5h時(shí)，色度去除率分別為71.3%和71.4%，差距不大。而COD去除率最佳理論方案的吸附時(shí)間為3h，充分考慮工廠實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益，將最優(yōu)吸附時(shí)間定為3h。因此，兼顧COD和色度去除率的最優(yōu)試驗(yàn)方案為A3B2C2D2。

優(yōu)化后的工藝方案為：焦粉投加量200g/L、焦粉粒徑5～6mm、吸附時(shí)間3h、溶液pH=8。在此條件下進(jìn)行5次平行試驗(yàn)，結(jié)果見表8。由表8可知，COD去除率和色度去除率穩(wěn)定在較高水平，COD去除率平均值為66.8%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.48%；色度去除率平均值為71.2%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.54%。兩者標(biāo)準(zhǔn)差都較小，說明試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，偏差小，該試驗(yàn)條件下可以得到最佳試驗(yàn)結(jié)果。黑貓焦化廠焦化廢水經(jīng)A2/O工藝處理后的生化出水COD值在120～200mg/L，按照優(yōu)化后工藝估算焦粉處理后COD值降為40～67mg/L，可達(dá)到化學(xué)需氧量(CODcr)直接排放限值80mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 焦粉吸附前后的SEM－EDX表征

5～6mm焦粉吸附前后的SEM照片如圖6所示，兩者同為400倍放大照片。由圖6可知，吸附前，焦粉孔徑大，表面有較大縫隙，吸附后孔徑和縫隙明顯減小，分析原因可能是有較多物質(zhì)附著在焦粉表面及孔道內(nèi)造成。

通過分析焦粉吸附前后的EDX譜圖，得到非金屬元素含量變化情況，見表9?？芍?，吸附后，焦粉表面碳、氧、硫、氮元素相對(duì)含量都大幅增加，其中碳元素和氧元素增加最多，這說明焦粉能吸附廢水中大量的有機(jī)物和部分含硫、含氮物質(zhì)。

3、結(jié)論

1)單因素試驗(yàn)表明：焦粉投加量大于120g/L時(shí)，COD與色度去除率增速減緩，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定值；焦粉粒徑大于4～5mm時(shí)，COD和色度去除率基本穩(wěn)定；溶液pH=8時(shí)，兩者去除率均出現(xiàn)最大值；吸附時(shí)間超過2.5h后，兩者去除率基本穩(wěn)定。

2)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果表明：焦粉投加量是影響最顯著的因素，其次為吸附時(shí)間；優(yōu)化試驗(yàn)條件為焦粉投加量200g/L，吸附時(shí)間3h，焦粉粒徑5～6mm，溶液pH=8，此時(shí)COD和色度去除率分別達(dá)到66.8%和71.2%。

3)吸附前后焦粉的電鏡及能譜對(duì)比分析表明，其表面碳、氧、硫、氮元素的相對(duì)含量大幅增加，說明焦粉對(duì)廢水中的有機(jī)物和含硫、含氮物質(zhì)具有較好的吸附作用。（來源：碳?xì)滟Y源清潔利用國際科技合作基地，陜北能源先進(jìn)化工利用技術(shù)教育部工程研究中心，陜北能源化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西省潔凈煤轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心，西安市能源高效清潔化工利用工程實(shí)驗(yàn)室，西北大學(xué)化工學(xué)院）