含重金属离子废水大多来自矿石采选、有色冶炼、电镀、机械制造等行业,该类废水对环境的危害已经不需赘述, 处理此类废水目前常用方法主要有化学法(化学沉淀法、电解法等)、物理法(离子交换树脂吸附法、膜分离法等)、生物法。这几种方法在处理重金属废水方面均各有优缺。目前大多企业在治理重金属废水时仅仅满足于达标排放这一基本要求, 忽视了变废为宝向环境要效益方面的研究,在此仅就X型阳离子交换树脂在含重金属废水处理方面的应用与传统化学沉淀法做一个分析比较。
1 污染源基本情况
以南方某一有色冶炼中型企业为例,其生产原料为硫化金属矿,主要生产工艺为火法焙烧+湿法冶炼+尾气制酸。含重金属的废水主要来自湿法冶炼工艺过程。废水日产生量为800m3/d,废水主要成分分析见表1。
2 治理目标
废水处理后必须符合《污水 综合排放标准—GB8978-1996》的排放标准,见表2。
3 化学沉淀法工艺
3.1 对上述的废水处理原用的化学沉淀法处理工艺流程如图1
废水进入调节池后泵入搅拌池与加入的碱液(氢氧化钠)在搅拌器的充分搅拌下,混合均匀发生絮凝反应,形成絮体的废水自流进入一级沉降池,一级沉降池上清液自流进入二级沉降池再次沉降,在二级沉降前加入铁盐絮凝剂(硫酸亚铁) ,二级沉降池上清液进入PH调节池回调至中性、达标排放。一级、二级沉降池底泥进入底泥浓缩池进行浓缩,有效减少压滤机负荷,浓缩后上清液返回搅拌池,底泥进入压渣机制渣,滤液返回搅拌池,废渣运至渣场堆放。
3.2 存在问题
通过上述工艺处理后重金属废水基本能实现达标排放,但是由于工艺流程较长,员工劳动强度较大,处理废水的单位成本高(约2.0元/m3) ,生产现场较为肮脏、凌乱,每天产生约5t含重金属废渣,带来了二次污染,废渣中的有价金属无法得到有效回收,每年废水处理成本4 8 万元。
4 离子交换树脂吸附工艺
针对化学沉淀法的缺点,通过比较研究,采用离子交换树脂吸附法替代原有化学沉淀工艺。通过大量实验筛选出x型阳离子交换树脂作为离子交换树脂吸附法的首选树脂。
4.1 x 型阳离子树脂特性:
①对二价金属离子具有较强的选择性,实验得出其选择性由强到弱顺序为:Hg2+>Cd2+>Pb 2+>Co2+>Cu2+>Ni 2+>Zn 2+>Fe2+>Ca 2+>Mg2+,对一价金属离子则几乎没有吸附性。
②吸附能力强(50kg/m3) 。
③不易中毒,易再生,强度高、不易破损。
4.2 离子交换树脂吸附工艺
根据x型阳离子树脂的特性设计工艺流程如图2。
废水进入原水池后调节水质水量,PH值5～ 6,然后通过泵打入过滤器中,截留废水中的少量悬浮物质,以免进入后续金属回收床堵塞,影响树脂吸附和交换。
过滤器的出水进入清液槽,然后用泵打入金属回收床,金属回收床采用两级串联,尽可能吸附回收其中的铜、镍、钴等离子,使出水达标。金属回收床内装有x型树脂。在一定的PH(5 ～ 6 )条件下对铜、钴、镍有很好的吸附交换能力。废水从Ⅰ级金属回收床上部进入,铜、钴、镍等重金属离子都被树脂吸附交换,被树脂吸附交换后的废水从金属回收床底部排出进入中间槽。为了进一步降低铜、钴、镍的出水浓度,中间槽出水用泵打入Ⅱ级金属回收床,继续吸附铜钴、镍离子,当回收床内树脂吸附饱和后,则进行再生。
再生液采用10%的稀硫酸,将树脂中吸附的钴、镍、铜以硫酸钴、硫酸镍、硫酸铜的形式解吸出来。相对于废水原液,解吸下来的硫酸钴、硫酸镍、硫酸铜浓度大大提高, 达到5 ～ 1 0 g/L, 回用于生产工段。然后用5%的NaOH进行再生,恢复树脂的交换能力后进入第二周期的运行。再生过程产生的废水返回原水池。
经过二级金属回收床出水铜、镍、钴等金属离子达标,调节PH至6～ 9后外排。
4.3 离子交换树脂吸附法优点:
①处理后出水水质稳定达标,可控性强。
②有价金属得到有效回收,具有显著的经济效益和环境效益。
③无含重金属废渣产生,不形成二次污染。
④员工劳动强度大大降低,生产作业现场环境大为改观。
⑤废水单位处理成本较化学沉淀法更为经济(1.2 元/m3) 。
4.4 树脂吸附工艺经济效益分析:
①固定投资:离子交换树脂吸附系统一套,处理能力:8 0 0m3/d ,总造价:2 8 0 万元
②年运行费用: 2 8.8万元/年
③年金属回收量为:
钴: 5 0 g /m3×8 0 0m3/d×3 0 0 d/年×1 0-6g/t = 1 2 t/年
镍: 5 g /m3×8 0 0m3/d×3 0 0 d/年×1 0-6 g/t = 1.2 t/年
④按目前市场价格计算价值为:
钴: 1 2 t /年×2 5万元/t =3 0 0万元/年
镍: 1.2 t/年×1 5 万元/t = 1 8 万元/年
共计:318万元/年,去除生产成本200万/年,每年新增效益118万元
⑤与原有水处理系统相比,每年节约运行成本为: 1 9.2万元/年
⑥年收益为: 1 1 8 万元/年+ 1 9.2万元/年- 2 8.8万元/年= 1 0 8.4万元/年
⑦回收期限:28 0万元÷1 0 8.4万元/年= 2.5 8 年。
5 化学法与离子交换树脂吸附法比较
5.1 处理后出水水质对比见表3
5.2 投资及经济效益等综合比较见表4
6 结语
通过两种不同工艺处理重金属废水效果来看,虽然出水水质均可达标,但是产生的经济效益和社会效益却是相去甚远,化学沉淀法具有简单易掌握,投资额度相对较低的特点,但是却不可避免产生沉淀废渣,有价重金属进入废渣带来了二次污染,资源得不到充分回收利用,且废水处理单位成本较高,人员劳动强度大;离子交换树脂吸附法虽然一次性投资稍大,但是几乎不产生废渣,有价金属可以充分得以回收利用,尤其是在对具有较高经济回收价值的重金属废水处理方面具有广阔的应用前景,其带来的社会效应与经济效益都值得我们加以深入研究。
