电镀废水有机污染物去除技术初探

学术论文孙威 张莉等 2018-09-13 08:45:16
    电镀加工产品由于其装饰性与功能性等特点,使电镀行业已成为我国社会和经济发展中不可缺少的热点工业。据2007年不完全统计,仅广东珠江三角洲地区和浙江温州地区的电镀企业就多达8300余家,年产值逾百亿人民币。我国传统工业中电镀行业扮演着重要角色,而且它在高新技术产业,如微电子技术、现代电子技术、产品制造业和通讯技术中也发挥着越来越重要的作用。电镀工业不仅仅是耗水大户,也是污废水产生的主要源头之一,电镀废水难达标排放的特点极大限制了电镀工业在我国的发展[1-3]。有关资料表明,目前我国电镀企业每年产生的重金属离子废水就高达4亿m3,加之其他污染物的排放,给环境造成了极大的压力。实现电镀废水的综合治理及循环利用,在减少污废水排放量、降低水体流域污染程度的同时,有效节约水资源,对缓解日趋突出的水资源危机具有重要的应用价值和意义[4]。
    有机污染和重金属污染是电镀废水两个最重要的特征,其中有机污染是电镀废水处理和循环利用的瓶颈[5]。电镀废水的有机污染问题之前并未引起电镀界及环保界的重视,随着电镀废水回用率的提高,废水有机污染物浓度由于没有针对性处理单元而不断升高,进而影响重金属处理单元的正常运转和有机污染物排放浓度超标,严重制约了电镀废水回用率[6]。因此,电镀废水有机污染的治理势在必行。
    1 电镀废水有机污染物的来源
    电镀废水的有机污染物主要电镀前处理工艺、电镀工艺和电镀后处理工艺3个来源,具体有机物含量及份额见表1,电镀废水前处理工艺和镀后处理工艺是产生有机污染的主要来源,而电镀工艺本身占有的比例较低。前两种工艺污染物的主要成分是矿物油、表面活性剂、蜡以及电镀工艺废水中添加的各种光亮剂,多为混合高分子有机化合物组成,而电镀后处理废水的有机污染物一般在脱水处理、退镀处理和化学防腐处理过程中产生的,通常包括苯并三氮唑、表面活性剂、间硝基苯磺酸钠等[7]。电镀加工产品趋于多功能化且趋势越发明显,电镀废水中有机污染物组分也将随之越发复杂。
    2 电镀废水有机污染物去除技术初探
    由于近几年电镀界和环保界才开始对电镀废水有机污染问题做出关注,所以相关的研究较少。大量的文献调研结果表明,我国电镀企业已有的废水处理工艺近乎都没有针对有机污染物去除的处理单元。最近几年,由于社会和企业环保意识的逐渐加强,部分电镀企业在处理电镀废水重金属离子污染后,又对废水后续跟进了常规深度处理,大多采用活性炭吸附法去除大部分有机污染物,以部分实现电镀废水的循环利用。与国内相比,国外环保要求较为严格,电镀废水的有机污染问题较早地受到了企业重视,很多新型的工艺和技术得到了尝试和运用,相关经验对我国电镀废水的有机污染治理有一定的借鉴意义。
    2.1 活性炭吸附法
    活性炭吸附法由于其操作简单易行、可同时吸附多种物质的特点,普遍应用于污染物种类复杂的电镀废水处理。其中炭成本较高是活性炭吸附法推广的制约因素,根本原因是颗粒活性炭吸附处理COD的动态吸附容量在10%左右(重量百分比),即吸附处理废水100kg左右的COD需要消耗1t的活性炭[8]。而颗粒活性炭再生困难,因此此法处理成本极高,导致颗粒活性炭处理电镀废水有机污染物技术的应用推广受限。
    国内外很多学者也对活性炭吸附法进行了广泛深入的研究,主要有以下两个方面。
    2.1.1 活性炭材料的改性及其吸附性能研究
    通过掌握的一些吸附机理,利用各种手段对活性炭材料的表面物化性质进行改性,增加吸附有机污染物容量和效率,对相关的吸附机理进行探究,建立科学的模型并用于指导实际应用[9-10]。
    2.1.2 吸附饱和活性炭的再生技术研究
    对于一些废水处理量较大的电镀企业,活性炭再生不仅可以降低成本,还可以避免二次污染[11]。很多研究者研究了吸附饱和活性炭的再生技术,包括热再生法、湿式氧化再生法、微波再生法等[12]。雖然新的再生技术在工艺路线上还不太成熟,但它们的提出为活性炭的再生提供了新探讨与新思路。
    2.2 混凝沉淀法
    混凝沉淀法作为处理工业废水中有机污染物的传统工艺,其基本原理是:废水中的胶体、悬浮物和可絮凝的其他物质在混凝剂的作用下,通过降低界面的电位、压缩微颗粒表面双电层和电中和等电化学过程,经过物理化学过程形成“絮团”,沉降后实行固液分离,设备顶部流出的是色度和浊度较低的出水。混凝沉淀法处理电镀废水时,混凝阶段的运行状态决定了出水效果。混凝剂的选择直接影响了混凝沉淀法的运行效果。我国目前采用的混凝剂主要包括聚合氯化铝、聚合硫酸铁、二元或三元金属盐的复合物、聚丙烯酰胺及其衍生物等[13]。一般根据废水的实际情况选择一种或两种混凝剂搭配使用。研究表明,无机和有机高分子混凝剂合理搭配使用能明显提高电镀废水的絮凝效果,在优化运行参数的同时,可使电镀废水有机污染物去除率升至70%~80%[14]。这是混凝沉淀法在实际应用中难以得到全面推广的原因。
    2.3 生物法
    电镀废水可生化性差、水质不稳定及高金属离子的特点是传统生化工艺处理电镀类废水效果差的主要原因,这些特点都大大限制了传统生物工艺对电镀废水的应用。而国内已有的科研单位对电镀前处理工艺废水进行的生物法研究都是在小试基础上进行的,投加的微生物也是经过培养驯化的特殊菌种。一般通过在生物处理工艺前添加物化工艺削弱此现象。
    2.4 高级氧化技术
    高级氧化技术应用于工业废水治理领域较广泛,国内外学者也对此技术在电镀废水处理应用进行了研究探索[15]。虽然这些高级氧化技术可以在一定程度上降解有机污染物,但要较完全地去除它们也存在诸多问题,如二次污染问题和成本较高等。
    近年来,电化学氧化技术因其处理效率高、环境友好、操作简便等优点,在电镀废水处理领域引起很大关注。大量研究结果表明,电化学氧化技术能有效地氧化苯酚、氯酚、苯磺酸、硝基苯、EDTA等多种有机污染物,是一种值得推广的废水处理新技术[16]。
    阳极是电化学氧化的核心,理想的阳极既要有很强的氧化选择性,又要有很高的电流效率,同时阳极的使用寿命和制作成本也是限制其工程化的关键因素。在已开发出的各种电极材料中,掺硼金刚石(Boron doped diamond, BDD)电极在释氧过电位与电化学稳定性方面,已能满足工业化应用要求,但这种电极制作成本很高。其他电极材料,如SnO2、PbO2,尽管制作成本相对较低,但性能方面明显不如BDD。开发新型电极材料或对上述电极材料进行改性一直是该领域的研究热点。
    3 电镀废水有机污染物去除技术的发展方向
    3.1 废水循环利用是电镀行业发展的主题
    电镀废水回用是实现减少电镀废水排放量、降低工艺用水量以减轻环境污染、节约水资源的重要举措。实现高效全面的电镀废水回用,对整个电镀行业的可持续发展具有巨大的实际意义。
    3.2 提高废水回用率,必须治理有机污染物
    目前,我国电镀废水处理工艺还没有针对有机污染物的处理单元,随着电镀废水回用趋势的上升,废水回用率逐渐提高,水中有机污染物浓度逐渐积累,这严重影响了电镀废水重金属处理单元的正常运转,而且有机物浓度到达上限时,废水必须排放,因此,高级氧化技术将在有机污染治理中扮演重要角色,传统废水生物处理工艺对电镀废水处理效果较差,高浓度金属离子对作用微生物具有毒杀作用,都大大限制了传统生物工艺对电镀废水的应用。
    3.3 电化学氧化技术将是该领域的研究热点
    近年来,美国、德国、日本、香港等许多国家和地区均投入了大量人力与资金,开展了电化学氧化技术处理有毒、有害、难降解有机废水的研究。由于此技术对有机污染物具有去除效率高、操作简便、环境友好等优点,对重金属离子也有较好的去除效果,加之工艺设备占地面积小,在电镀废水治理领域有较好的应用前景。
    4 结语
    目前我省乃至全国众多电镀企业都存在着有机污染物普遍超标的问题,必须加快电镀废水有机污染物去除技术研究开发,建立一套行之有效的电镀废水有机污染物去除的技术体系,突破电镀废水处理和循环利用的瓶颈,避免电镀废水难处理、难达标的状况制约电镀行业的发展。充分利用电化学氧化技术的优势,为电镀行业可持续发展奠定基础。
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