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氧化铝磨料废水处理及资源回收工艺研究

2024-10-30 59 上传者：管理员

摘要：氧化铝磨料在生产过程中产生的总悬浮颗粒物浓度达到5,000 mg/L～10,000 mg/L的废水。悬浮物体颗粒物的来源主要来自生产原料。本项目对氧化铝磨料生产废水的水质进行了分析，根据水质确定了混凝沉淀作为主要水处理工艺。通过三种常见混凝剂单独使用或联合使用，确定了处理该氧化铝磨料废水的混凝沉淀工艺，筛选了多种药剂配方，并对药剂成本进行了确定。本研究建议氧化铝磨料生产企业在选择混凝沉淀药剂配方时，除根据药剂成本进行比选，还应考虑将混凝沉淀产生的污泥用于生产回用，并确定混凝剂的配方是否引入杂质，是否对企业生产产品的品质产生负面影响，以达到绿色生产、资源回收、降低生产成本的目的。

关键词：
废水处理
氧化铝磨料
混凝沉淀
生产废水
资源回收
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工业上广泛使用的磨料有多种，其中，比较常见的磨料是氧化铝磨料。氧化铝磨料有几个主要特点。一是硬度高，氧化铝磨料的硬度仅次于天然钻石，因此，它能够有效地磨削大多数材料，包括金属、塑料和其他硬质材料。并且氧化铝在高温下仍保持稳定，因此它不容易因为摩擦产生的高温而降解或者失去磨削效果。根据其纯度和生产方法，氧化铝磨料可以分为棕刚玉、白刚玉等不同种类，其中白刚玉因其高纯度和硬度特别适用于要求高精度的磨削。由于其硬度、耐磨、稳定性及耐高温的特点，氧化铝磨料在许多工业中都有着广泛的应用，比如可用于砂轮制造、精密光学、金相抛光、硅片、光学晶体、丙烯酸有机玻璃透镜制造等。氧化铝磨料通常通过高温焙烧氧化铝粉末或通过电解炉从铝中提取而成[1-3]。

某企业的氧化铝磨料在生产过程中，需经过高温烧结，再经过清水冲洗，得到相关产品。冲洗后的磨料生产废水总悬浮物高，达到5,000 mg/L～10,000 mg/L的浓度，悬浮物沉淀慢，需经过处理才能达标排放。目前，该企业磨料生产废水外运处理，处理成本高。需研发低成本的处理方案，甚至能与生产工艺相结合，以降低生产成本，并达到绿色生产、资源回收的目的。

磨料生产废水的水处理技术较少报道，其中氧化铝磨料的生产废水技术报道更少。靳长青等对人造金刚石磨料生产废水进行处理，采用常规的氢氧化物化学沉淀方法无法满足达标排放要求，且金属镍的氢氧化物沉淀形成胶体物质，难以从处理后的水中分离，而采用离子交换浓缩、扩展阴极电解回收工艺可以将废水中99%的镍回收[4]。北京科技大学的林海等与珠海欧美科公司合作，研究绿碳化硅磨料生产废水的处理技术，采用混凝沉淀技术，原水TSS为5000 mg/L左右，出水SS可以达到54 mg/L，满足当年广东省排放一级标准[5]。

磨料的生产过程中可使用混凝沉淀技术。磨料在生产过程中需要经过水洗，以除去黏附其上的粉尘。清洗后的磨料在回收过程中，由于磨料含有大量的小颗粒，通过静置沉淀需要较长时间才能沉淀，部分小颗粒未完全沉降便被雨水冲走并造成污染，因此而损失的磨料可高达25%。王春华等通过絮凝沉降技术可以提高沉降速度10多倍，提高生产效率1倍以上，磨料损失减少80%[6]。

本文针对某企业的氧化铝磨料生产废水，采用混凝沉淀技术进行处理，以确定该工艺是否可以处理该氧化铝磨料废水，满足下水道排放要求，并确定混凝沉淀的污泥是否可进行污泥回用与上清液是否可作为再生水回用。

1、实验内容与方法

1.1 实验水质

实验所用的企业提供的磨料生产废水水质如表1所示。

表1 原水废水水质分析

如上表所示，该污水呈酸性的，主要污染物为TSS，而COD、氨氮、总氮、磷酸盐等污染物浓度不高。该原水水质分析数据与生产工艺相符合。由于磨料的原料基本为无机物，氧化铝等无机物占比达到99%以上，剩余为有机助剂。因此，磨料在经过烧结后，大部分有机物已焚烧完全，因此冲洗水中几乎不含COD、氨氮、总氮、磷酸等物质。

1.2 检测方法与手段

实验使用表2中的检测方法和手段。

表2 实验检测方法及手段

1.3 实验方法

经过水质分析，确定污水的主要污染物为TSS。因此，采用混凝沉淀工艺对污水进行处理。

1.3.1 混凝沉淀试验方法

首先取200 mL污水至烧杯，使用电动搅拌机对污水进行快速搅拌，搅拌速率为220 rpm，并加入混凝剂，搅拌30秒后，加入絮凝剂，改为慢速搅拌，将搅拌速率降低至200 rpm，搅拌1分钟后，停止搅拌。如需要调整样品pH，则在加入混凝剂前，加入浓度为0.1%的氢氧化钠溶液或浓度为0.1%的稀硫酸，将样品pH调整至合适值，再加入混凝剂和絮凝剂。在絮凝完成后，再次测量pH，以确定混凝沉淀终点pH满足设计范围。混凝沉淀处理效果首先通过目测做出初步判断，再取混凝沉淀上清液测定浊度，对混凝沉淀效果进行定量分析。

1.3.2 混凝沉淀药剂投加量设计

实验准备了三种混凝剂，分别为氧化钙、聚合氯化铝及六水合三氯化铁。三种混凝剂都溶解为0.1%浓度的溶液后，用于混凝沉淀试验。絮凝剂选用阴离子聚丙烯酰胺，溶解为100 mg/L溶液后，用于混凝沉淀试验。

由于污水为酸性水质，且磨料主要成分为氧化铝，实验首先对比氧化钙与聚合氯化铝(PAC)的混凝沉淀效果。而由于六水合三氯化铁混凝剂消耗大量的碱度，对于酸性的原水需加入大量的氢氧化钠溶液，成本较高，因此不考虑单独使用。

根据采用单个混凝剂的混凝沉淀效果，进行两种混凝剂和三种混凝剂的联用，并对比出水澄清度。

最后，实验选出多个配方，从水处理药剂成本、杂质引入、资源回收等方面进行比选。

2、结果与讨论

2.1 氧化钙与PAC的单配方混凝沉淀效果

表3 单混凝剂(氧化钙与PAC)混凝沉淀效果对比

如表3所示，投加300 mg/L和200 mg/L的氧化钙作为混凝剂时，出水浊度较低，可以满足排放要求。但是，出水pH较高，高于9～10，需投加酸调整pH后才可达标排放，增加了生产成本。投加500 mg/L PAC的出水水质好，但是PAC投加量降低至300 mg/L后，出水即浑浊，无法满足排放要求。500 mg/L PAC的投加量虽然可以满足处理要求，但是PAC投加量较高，成本较高，因此，对两种、三种混凝剂联合投加配方的处理效果进行探索。

2.2 含两种混凝剂配方的沉淀效果对比

表4 含两种混凝剂的配方的混凝沉淀效果对比

如表4所示，将三种混凝剂进行两两配对，得到三种配方。本实验主要是对处理效果进行定性，因此，每种配对只选择一种浓度较高的配方，测试出水水质。由于PAC单独投加时，500 mg/L的出水水质良好，但300 mg/L的出水水质不佳。因此，本次配方5选用PAC投加量为400 mg/L，氧化钙投加量为50 mg/L的双组分配方，但实际出水浑浊，无法达标。

当PAC投加量为300 mg/L时，六水合三氯化铁为100 mg/L时，即配方6，出水水质良好。

在配方7中，当不使用PAC，采用六水合三氯化铁和氧化钙搭配时，氧化钙可为六水合三氯化铁提供合适的碱度，因此，该配方将出水pH控制在7以上。虽然出水水质较好，但比使用PAC作为混凝剂更为浑浊。考虑到氧化铝磨料的主要成分为氧化铝，而PAC的主要成分为氯化铝，经过烧结后，氯化铝可转变为氧化铝，增加了产品的有效成分，不增加杂质，因此，使用铝基混凝剂对生产更有利。因此，比较以上三种配方，配方6的PAC+六水合三氯化铁的配方最佳。

2.3 含三种混凝剂配方的沉淀效果对比

表5 含三种混凝剂的配方的混凝沉淀效果对比

如表5所示，采用含三种混凝剂的配方进行混凝沉淀试验，并对比出水水质。两种配方的氧化钙投加量相同，都是50 mg/L。PAC+六水合三氯化铁分别为400 mg/L+100 mg/L，和200 mg/L+200 mg/L。两种配方的出水水质良好，PAC+六水合三氯化铁为200 mg/L+200 mg/L的配方出水水质略差，但基本相同。但考虑到混凝沉淀的污泥可回收再利用，为避免引入杂质，PAC+六水合三氯化铁为400 mg/L+100 mg/L的配方8更优。

2.4 絮凝剂的使用

在本实验中，采用PAM作为絮凝剂。絮凝剂有降低电势以及聚合的功能。在本次实验的过程中，絮凝剂的作用主要是加快固体在水中的沉淀速度，投加同一种配方的废水样品在投加1 mg/L絮凝剂至投加10 mg/L絮凝剂之间，出水水质并没有明显差别。因此，在实际生产过程中，絮凝剂的投加以及投加量，应根据所需沉淀速率确定。如果沉淀池停留时间较短，则需增加絮凝剂的使用量，使污泥尽快沉淀。如果沉淀时间较长，固体有足够的时间沉淀，则可以减少絮凝剂的使用量，甚至不使用絮凝剂。

2.5 混凝剂配方比选及资源回用方案

表6 三种配方的处理成本对比

经过表3、表4、表5共九项混凝剂配方的比选，挑选出每个项目最优的配方进行成本分析。其中，PAC的成本基于工业纯27%的固体PAC药剂价格，六水合氯化铁基于工业纯30%的液体六水合氯化铁价格，氧化钙基于工业纯90%的固体氧化钙价格。计算后，配方3、6、8的药剂成本分别为3.77元/吨、2.72元/吨、3.55元/吨。从药剂成本分析，配方6的成本最低，但是同时引入了铁盐杂质。

由于污水中的悬浮物全部来源于磨料生产过程中的物质，因此，混凝沉淀后产生的污泥可全部回用于生产。如果混凝沉淀引入铁盐，使污泥中含有铁元素，则该污泥回用于生产将使磨料生产产品含有铁元素。磨料生产企业需充分考虑铁元素对产品产生的影响。如果没有影响或影响不大，则可以采用配方6进行混凝沉淀处理污水，使水处理成本最低，且生产成本最低。如果铁元素等杂质对磨料产品产生不利影响，甚至影响产品质量及销售，则应采用水处理成本较高的配方3，不引入杂盐即可对污水进行处理。杂盐对磨料产品产生的具体影响分析已超出本文范畴，本文不对此做进一步分析。

磨料生产企业还应考虑混凝沉淀出水的回用。由于混凝沉淀出水水质很好，COD、氨氮、总氮、总磷等污染物含量皆不高，可将混凝沉淀出水重新用于生产过程，达到水循环利用、绿色生产的目的，并减少自来水的用量，进一步降低生产成本。根据企业技术人员的反馈，表6中三种配方的混凝沉淀出水皆初步判定满足回用于生产的要求。

3、结论与建议

(1)采用混凝沉淀工艺，可有效对氧化铝磨料生产废水进行处理，出水浊度可低于50 NTU。出水水质不仅满足下水道排放标准，还可考虑用于生产回用。

(2)对于混凝剂的使用，可使用500 mg/L PAC作为单一配方的混凝剂，也可使用PAC+六水合氯化铁的双配方混凝剂或PAC+六水合氯化铁+氧化钙的三配方混凝剂。药剂使用成本约为2.72元/吨水至3.77元/吨水。通过进一步进行正交实验或引入如硫酸亚铁、硫酸铝等混凝剂，可进一步优化成本及出水水质。

(3)絮凝剂可根据所需的沉淀时间进行投加，一般投加浓度为1 mg/L至5 mg/L，该投加浓度的絮凝剂对混凝沉淀出水水质没有明显影响。

企业对混凝剂进行比选时，不仅应考虑水处理成本，还应考虑将混凝沉淀污泥作为生产原料回用于生产。而污泥回用于生产需考虑水处理过程中引入的杂质对氧化铝磨料产品品质、生产过程的影响。企业对水处理药剂进行综合比选，使水处理污泥回收利用成为可能，达到资源循环利用、绿色生产的目的。

参考文献:

[1]赵晓媛.氧化铝系化学机械抛光磨料的制备及颗粒分级[D].大连:大连理工大学,2007.

[2]边华英,王学涛,尹青亚,等.微晶氧化铝基烧结磨料的制备研究[J].河南科学,2018,36(7):1070-1074.

[3]张曼.氧化铝磨料制备､抛光浆料稳定性及其抛光性能的研究[D].合肥:合肥工业大学,2019.

[4]靳长青,王三反,刘新,等.人造金刚石生产废水处理的研究[J].工业水处理,2004,24(4):20-22.

[5]林海,邢喜峰,任璐.绿碳化硅磨料微粉加工废水处理研究[J].科技论坛,2007,3:17.

[6]王春华.絮凝沉降技术在磨料生产中应用的研究[D].郑州:郑州大学,2000.

文章来源:范宇.氧化铝磨料废水处理及资源回收工艺研究[J].广东化工,2024,51(20):33-35.