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离子交换法处理含镍电镀废水的工程应用

浏览次数: 日期:2015年12月26日 08:42

贵金属镍被广泛应用于机械、汽车和电子等行业的镀件表面处理,并由此产生大量的含镍电镀废水 1。含镍电镀废水污染大,对其进行处理不仅可减少环境污染,同时可实现对金属镍离子和中水资源的回收利用,这对电镀行业发展循环经济具有重要意义。

  目前,电镀废水的处理方法有化学沉淀、蒸发浓缩、电渗析、膜分离和离子交换等〔2, 3, 4, 5〕。其中,离子交换法由于具有资源回收功能及成本上的优势,被广泛应用于含镍电镀废水的处理和回用

  杭州某卫浴公司针对该公司含镍电镀废水的水质和水量特点,采用了多介质预过滤与树脂离子交换相结合的处理工艺对其进行处理。工程运行实践表明,处理出水镍质量浓度≤0.5 mg/L,浊度≤1.0 NTU,电导率≤100 μS/cm,达到《电镀污染物排放标准》(GB 21900—2008)的限值要求。该工程具有处理效果稳定和环境效益明显的优点。

 

  1 废水水量、水质

  杭州某卫浴公司含镍电镀废水主要来源于电镀镍和镀件清洗工序,废水水量为6.5 m3/h。废水水质:镍质量浓度为100~150 mg/L,pH为4.0~6.5,浊度为5.0~10.0 NTU,电导率为350~850 μS/cm。处理出水需满足《电镀污染物排放标准》(GB 21900—2008)限值要求。

 

  2 工艺流程

  含镍电镀废水处理工艺流程如图1所示。

图 1 含镍电镀废水处理工艺流程

 

  该处理工艺中离子交换为核心单元,前端以多介质过滤器和精密过滤器为预处理单元,以保证进入离子交换系统的水质满足离子交换系统要求。含镍电镀废水经调节池、多介质过滤器和精密过滤器后依次进入阳离子树脂床、阴离子树脂床和混合树脂床。树脂饱和后阳床采用质量分数为5%~10%的HCl溶液洗脱再生,阴床采用质量分数为5%~10%的NaOH溶液洗脱再生,混床采用先酸后碱顺序再生。高含量镍离子洗脱液浓缩后可回用,出水可作为系统清洗水和生产工艺漂洗水回用。

 

  3 主要构筑物(设备)

  3.1 调节池

  设调节池1座,分2格,入端布隔油、隔渣池,以实现废水均质均量,减轻系统负荷冲击。调节池尺寸为9.8 m×3.2 m×3.5 m,停留时间14 h,有效容积94 m3,有效水深3 m,采用地下钢砼结构,内壁三布四涂环氧树脂防腐。

  3.2 预过滤系统

  3.2.1 多介质过滤器

  多介质过滤器主要用于去除废水中的悬浮物和胶体等杂质,降低废水浊度。选取无烟煤和石英砂为介质滤料。无烟煤密度为1.4~1.6 g/cm3,粒径0.8~1.8 mm;石英砂密度为2.60~2.65 g/cm3,粒径0.5~ 1.2 mm。罐体采用碳钢衬胶,尺寸为D 1.0 m×3.0 m,滤床高度1.2 m。设有气水反冲洗设备,配有气动阀、压力表和传感器监控运行状态。

  3.2.2 精密过滤器

  精密过滤器主要用于截留多介质过滤器出水中的微小杂质,防止其进入离子交换系统污染树脂。精密过滤器外形尺寸为D 0.3 m×1.0 m,Q=10 m3/h,内装精度5 μm滤芯。精密过滤器出水须严格控制浊度<1.0 NTU,COD<1.0 mg/L,游离氯<0.1 mg/L,铁质量浓度<0.3 mg/L。

  3.3 离子交换系统

  3.3.1 阳离子树脂床

  阳床树脂采用争光D001型大孔强酸性树脂,苯乙烯系骨架,—SO3-功功能团,质量交换容量≥4.25 mmol/g,体积交换容量≥1.8 mmol/mL,湿视密度为0.77~0.85 g/mL,湿真密度为1.25~1.28 g/mL,粒度为0.315~1.25 mm。碳钢衬胶罐体,尺寸为D 1.2 m×3.5 m,床层容积1.5 m3

  3.3.2 阴离子树脂床

  阴床树脂采用争光D201型大孔强碱性树脂,苯乙烯系骨架,—N+(CH33功能团,质量交换容量≥3.8 mmol/g,体积交换容量≥1.2 mmol/mL,湿视密度为0.65~0.73 g/mL,湿真密度为1.05~1.10 g/mL,粒度为0.315~1.25 mm。碳钢衬胶罐体,尺寸为D 1.2 m×3.5 m,床层容积1.5 m3

  3.3.3 混合树脂床

  混床树脂采用D001酸性阳树脂和D201碱性阴树脂,两者质量比约为1∶2。碳钢衬胶罐体,尺寸为D 1.2 m×3.5 m,床层容积1.0 m3

  3.4 再生系统

  再生系统用于对阴床、阳床以及混床树脂的再生,由酸碱储液罐、进液泵、洗脱液收集和清洗单元组成。配备储液罐2个 ,规格3 000 L,材质FRP;进液泵3台(2用1备),Q=7.0 m3/h,H=30 m,P=2.2 kW;清洗泵4台(3用1备),Q=20.0 m3/h,H=30 m,P= 4.0 kW。管阀件包括射流器、流量计和球阀等,保证再生液流量和浓度恒定

 

  4 运行效果

  4.1 预过滤系统

  运行期间,废水pH为4.0~6.5,水温为11.5~15.0 ℃。多介质过滤器滤速为8.3 m/h,运行前经过约7 h冲洗后进行过滤,待过滤出水表观清澈后再流入精密过滤器。运行间隔相同时间对精密过滤器出水连续取样,考察预过滤系统的处理效果。

  结果表明,废水中的悬浮物和颗粒杂质得到了有效去除,精密过滤器出水浊度在1.0 NTU以下,COD<1.0 mg/L,游离氯<0.1 mg/L,能满足后续离子交换系统的进水要求,避免树脂污染。

  多介质过滤器运行30~45 d后需进行气水反冲洗。确定气反洗强度为16.5 L/(s·m2),历时2~3 min,水反洗强度为10.6 L/(s·m2),历时5~6 min,中间为气水同时反冲洗,反冲洗过程中膨胀率控制约50%。

  预处理系统配备有1台Q=30 m3/h、H=32 m、P=7.5 kW的水泵和1台Q=4.0m3/min、H=49.2 kPa、P=5.5 kW的风机。精密过滤器正常工作情况下,可维持较长使用寿命,当进出端压差>0.10 MPa时需更换滤芯。

  4.2 离子交换系统

  离子交换系统由阳床、阴床、混床、加压水箱和管阀件组成。废水经预过滤系统后利用余压进入阳床,阳床产水由泵加压后再依次进入阴床和混床。各级树脂床均装有取样阀,在混床出水处设有pH计、流量计和电导率仪,对出水水质进行实时在线监测。其现场安装情况如图 2所示。

 

图 2 离子交换系统现场安装情况

 

  离子交换系统经调试正常运行以来,运转良好,出水水质、水压和水量稳定。考虑到当含镍废水电导率在100 μS/cm以下时,出水中基本检测不出镍离子,故监测中对各级床层出水pH和电导率作了重点考察,结果如表 1所示。

 

  表 1 离子交换系统运行情况

运行
时间/d
平均流量/
(m3·h-1)
进水电导率/ 
(μScm-1)
进水浊度/ 
NTU
出水pH 出水电导率/(μS·cm-1)
阳床 阴床 混床 阳床 阴床 混床
1 6.2 840.0 0.7 4.40 5.20 6.40 50.0 40.8 3.2
2 6.1 843.0 0.6 4.45 5.10 6.35 105.0 56.0 6.8
3 6.2 820.0 0.4 4.60 5.20 6.30 158.0 72.0 10.5
4 6.3 835.0 0.5 4.30 5.10 6.25 323.0 109.9 15.8
5 6.4 841.0 0.4 4.20 5.30 6.40 583.0 340.6 25.4
6 6.5 847.0 0.6 4.30 5.20 6.35 720.0 556.8 289.4

 

  工程连续运行2个月来,离子交换系统出水pH和电导率的变化如图 3图 4所示。

 

图3 离子交换系统出水pH的变化


图4 离子交换系统出水电导率的变化

 

  出水pH的变化可在一定程度上反映树脂的饱和程度和再生周期。由图 4可知,运行期间离子交换系统出水pH基本维持在5.5~6.5。当pH<6.0时树脂存在需要再生的可能。由图 5可知,正常情况下离子交换系统出水电导率维持在100 μS/cm以下,相应的镍离子质量浓度<0.5 mg/L,镍去除率可达95%以上。当出水电导率超过100 μS/cm时,需考虑对树脂进行再生。

  4.3 再生系统

  树脂再生效果受再生液浓度、温度、流速和再生时间等因素影响。再生系统中再生液进液流速控制为4~7 m/h,阳床可采用接近上限流速,阴床可采用接近下限流速;再生液温度不宜超过30 ℃;再生液采用质量分数为5%~10%的HCl和NaOH;再生周期为5~6 d。

 

  5 经济分析

  工程总投资约150万元,包括建(构)筑物、预过滤系统、离子交换系统和电气自控等附属系统的设备和仪器等。其中建(构)筑物投资约55万元,预过滤系统和离子交换系统投资约70万元,附属系统投资约20万元,其他费用约5万元。

  工程运行费用主要包括电耗、人工费及药剂消耗等。工程总装机功率为46.6 kW,耗电量为102.8 kW·h/d,单位水量耗电0.66 kW·h/m3,电费单价0.83元/(kW·h),则电费为0.55元/m3;人工定员3人,人均工资为2 500元/月,则人工费为1.60元/m3;药剂消耗主要包括HCl和NaOH,HCl单价为1.50元/kg,NaOH单价为3.5元/kg,一个再生周期内(5 d)需用药剂各约31.2 kg,则药剂费为31.2元/d,合0.2元/m3。合计工程运行费用为2.35元/m3

 

  6 结论

  (1)采用多介质预过滤与树脂离子交换相结合的工艺处理含镍电镀废水是可行的。在处理废水量为6.5 m3/h,进水镍质量浓度为100~150 mg/L,多介质过滤器滤速为8.3 m/h,离子交换总停留时间为 37 min条件下,处理出水镍质量浓度≤0.5 mg/L,浊度≤1.0 NTU,电导率≤100 μS/cm,主要出水指标达到设计要求。

  (2)本工程投资150万元,工程占地400 m2,运行费用为2.35元/m3。该工程的投入运行,取得了较好的社会效益,树立了良好的企业形象。

(来源:《工业水处理》2015年第10期,参考文献略,作者单位:煤科集团杭州环保研究院

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