有效降低化學鍍鎳廢水汙染物的處理系統的製作方法

2023-06-03 13:13:36 2

本實用新型涉及一種廢水汙染物的處理裝置，特別涉及一種能有效降低化學鍍鎳廢水汙染物的處理系統。

背景技術：

化學鍍鎳是一種有效提高工件耐腐蝕性和耐磨性的表面處理技術，已被廣泛的應用，然而化學鍍鎳產生大量的含絡合形態鎳、磷、有機物等汙染物綜合廢水。鎳是一種有毒的重金屬，含鎳廢水排入水體後不僅會威脅水生生物生存，而且通過動植物吸附和食物鏈富集，最終危害人類健康。磷、有機物是水體的營養元素，引起水體富營養化，使水草和藍藻等水生生物大量繁殖，消耗水中溶解的氧，迫使魚類等生物因缺氧而死亡。因此，化學鍍鎳廢水嚴重汙染生態環境，簡單有效地控制化學鍍鎳廢水中汙染物已經成為化學鍍中的關鍵問題。

目前，國內外對化學鍍鎳廢水的處理主要方法有以下幾種：化學沉澱法、吸附法、電滲析法、離子交換法、膜分離法和蒸發濃縮法等。

化學沉澱法，主要是通過向水體中添加鹼調節廢水的pH值，然後在添加重金屬捕捉劑的情況下，添加混凝劑和絮凝劑，通過沉澱實現初步固液分離，採用過濾等處理後排放。但是該方法只能處理水體中自由態的鎳離子，對於絡合形態的鎳無法實現沉澱，利用率低，並且不能夠徹底有效的去除有機物和磷，汙染物控制不完全，從而不能滿足達標排放的要求。

吸附法，是溶質通過有選擇性的物理化學作用優先在固體表面集中。常採用 的吸附劑為活性炭等，該法只能吸附水體中離子態的鎳，對於含有機絡合態的鎳不能吸附，從而不能夠滿足汙染物達標排放要求。

電滲析法，是通過牽引電場和半透膜的作用，使得水體中的陰、陽離子通過半透膜，向不同的電極方向遷移，從而達到淨化水質的目的。電滲析處理必須產生一定量的濃水，不能實現廢水各項汙染物全部達標排放，產生的濃水必須進一步的處理，工藝複雜，成本高。

離子交換法，是利用離子交換劑中的可交換基團與溶液中各種離子間的離子交換能力的不同來進行分離的一種方法。然而化學鍍鎳廢水中的鎳離子與絡合劑絡合之後，十分穩定，無法通過離子交換法將其去除，因此呈溶解性的絡合態鎳極易引起廢水超標，同樣對有機物和磷的去除效果不佳。

膜分離技術，是利用一種特殊的半透膜將溶液隔開，以壓力為驅動力，當廢水流經膜面時，其中的汙染物被截留，而水分子透過膜，廢水得到淨化。膜分離法不僅能夠去除無機汙染物質，而且對廢水中的有機汙染物質也有很好的去除效果。相比常規廢水處理技術，膜技術具有節能、高效、無相變、設備簡單、佔地小、操作方便等優點：其無需添加化學試劑、不會造成二次汙染、並能實現重金屬的回收，因此，在汙水處理中具有很大的應用潛力，發展前景十分廣闊，但是該方法存在膜組件價格昂貴及膜汙染、膜清洗等問題。

蒸發濃縮法，是通過加熱，使廢水達到沸點，水體中的水分等易揮發組分通過蒸發和冷凝從而得到分離。採用該方法對設備要求高，需要用到熱源，處理能耗高。

綜上所述，由於化學鍍鎳廢水中鎳以絡合形態存在，處理難度高，次磷酸、亞磷酸需要氧化，還有大量的有機物絡合劑，高COD值，需要氧化，因此化學 鍍鎳廢水的處理非常困難，採用常規的方法都不能達到很好的處理效果，無法達到國家一級排放標準(Ni2+<0.1ppm,P<0.5ppm,COD<50ppm)，因此，現有技術中常規的處理方法易對環境產生二次汙染，同時消耗的資源也較高。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題是提供一種耗能低且無二次汙染的能夠有效降低化學鍍鎳廢水汙染物的方法及所採用的處理系統。

為解決上述問題，本實用新型採用的技術方案為：

本實用新型的有效降低化學鍍鎳廢水汙染物的處理系統，依次由廢水收集池、1#調節池、三維電解反應器、2#調節池、電絮凝反應器、深度反應除磷池、混泥沉澱池、絮凝池、沉澱池和上清水去除池組成，其中，

廢水收集池，用以收集鎳含量在50-5000mg/L；磷含量在200-30000mg/L；總COD在400-50000mg/L的化學鍍鎳廢水；

1#調節池，該調節池採用聚丙烯(pp)將泵入該池中的化學鍍鎳廢水的pH值調節至4-6；

三維電解反應器，包括陽極、陰極、填充於陽極與陰極之間的粒子電極和壓縮空氣輸送結構，其將泵入其中的化學鍍鎳廢水採用三維電解方法生成高含量的活性羥基自由基(·OH)，用以氧化該廢水中以絡合態存在的含鎳、含磷有機物，以使其中的鎳離子釋放為自由態鎳離子、使其中的次磷酸、亞磷酸氧化為正磷酸；

2#調節池，該調節池採用聚丙烯，將泵入該池中經過三維電解處理後的化學鍍鎳廢水充分混合均勻；

電絮凝反應器，採用電絮凝方法使大量的金屬陽離子溶入該廢水中，經系 列水解和聚合形成多種羥基絡合物、多核羥基絡合物，使該廢水中的自由態鎳離子和正磷酸形成以膠態雜質和/或懸浮顆粒凝聚為主的沉澱質，伴生的懸浮物在氫氣和氧氣的氣浮作用下形成漂浮在水面上的浮渣層；

深度反應除磷池，將三維電解與電絮凝處理後的廢水，採用添加除磷劑和過氧化氫的方法，氧化極少量的次磷酸、亞磷酸，經過深度氧化後，廢水中剩餘的次磷酸、亞磷酸被氧化為正磷酸，通過沉澱法去除；

混泥沉澱池，將電絮凝方法處理後的廢水排入混泥沉澱池，加入以硫酸亞鐵為主的混凝劑，使所述膠態雜質和/或懸浮顆粒不斷長大；

絮凝池，將含有大膠體顆粒的廢水排入絮凝池中，加入以聚丙烯醯胺為主的絮凝劑，加快所述膠態雜質和/或懸浮顆粒形成包含氫氧化鐵、氫氧化鎳和/或磷酸鹽在內的沉澱物的速度；

沉澱池、上清水去除池，將含有所述沉澱物的廢水排入沉澱池進行泥水分離，回收沉澱物並將達標的廢水正常排放。

所述三維電解反應器中，陰極置於電解槽中間位置，兩端設置為陽極極板，極板之間填充粒子電極，水和壓縮空氣分別由電解槽的底部進入，採用溢流的方式出水。

與現有技術相比，本實用新型通過三維電解技術，將化學度鎳廢水中的有機物氧化，絡合的鎳離子被釋放，次磷酸、亞磷酸被氧化為正磷酸；通過電絮凝反應，有機物、次磷酸、亞磷酸進一步被氧化，經過電絮凝的絮凝作用和氣浮作用，游離形態的鎳離子和正磷酸根被沉澱；最後通過混凝沉澱，廢水中的鎳離子、磷被去除，完全形成沉澱顆粒，處理後的廢水經過濾後，化學鍍鎳廢水汙染物達到排放標準。本實用新型可使化學鍍鎳廢水中汙染物全部得到控制， 並且持續穩定的達到國家排放標準，對處理後含鎳、磷的泥再進行後處理，可以有效回收鎳、磷。本實用新型能夠徹底解決化學鍍鎳廢水中汙染物無法持續達標的難題。

本實用新型的特點是：

1)降解廢水中的汙染物主要採用的試劑是電子，不添加藥劑無二次汙染，綠色環保；

2)採用電催化氧化，汙泥量少；

3)在常溫常壓條件下反應即可；

4)設備操作簡單，佔地面積少，成本低。

附圖說明

圖1為本實用新型的處理系統處理流程方框圖。

具體實施方式

如圖1所示，本實用新型的有效降低化學鍍鎳廢水汙染物的處理系統，由以下設備構成，分別為廢水收集池、1#調節池、三維電解反應器、2#調節池、電絮凝反應器、深度反應除磷池、混泥沉澱池、絮凝池、沉澱池和上清水去除池，其中各設備所起作用如下：

1、廢水收集池，用以收集鎳含量在50-5000mg/L；磷含量在200-30000mg/L；總COD在400-50000mg/L的化學鍍鎳廢水。

2、1#調節池，將上述化學鍍鎳廢水泵入該池，加入聚丙烯(pp)將所述化學鍍鎳廢水的pH值調節至4-6。

3、三維電解反應器，其包括電解槽和置於該電解槽中的陰極板、陽極板及粒子電極。

陰極板和陽極板均為石墨電極。陰極板置於電解槽的中間位置，在陰極板的兩側各設一塊陽極板，所述粒子電極選用鐵碳球顆粒或活性炭並填充在陽極板與陰極板之間。

壓縮空氣和來自1#調節池的廢水分別由電解槽的底部進入，採用溢流的方式出水。該結構可確保化學鍍鎳廢水在三維電解反應器中的停留時間，使其具有處理能力大、處理效率高等優點。

在該三維電解反應器中採用三維電解技術對其中的廢水進行一級處理，處理方法及原理如下：

1)採用電流密度為7-100mA/cm2，電解反應時間60—120min；通過三維電解方法生成高含量的活性羥基自由基(·OH)，用以氧化該廢水中以絡合態存在的含鎳、含磷有機物，以使其中的鎳離子釋放為自由態鎳離子、使其中的次磷酸、亞磷酸氧化為正磷酸。

2)原理：

粒子電極為一種高效、無毒和廉價的顆粒狀專用材料，它們作為工作電極被填充在兩個平板電極(陽極和陰極板)間形成三維電極。壓縮空氣通過反應器底部的多孔板向該反應器提供。

在三維電極電化學反應器中，羥基自由基是按照以下電化學反應機理產生的：

O2+2H++2e→H2O2 (1)

H2O2+Fe2+→·OH+HO-+Fe3+ (2)

Fe3++e→Fe2+ (3)

首先,氧在陰極上通過兩電子還原產生過氧化氫，生成的過氧化氫迅速與廢水溶液中存在的Fe2+反應產生·OH(羥基自由基)和Fe3+。由於Fe3+的還原電位較O2的初始還原電位正，因此Fe3+可在陰極上於O2的還原過程中還原再生為Fe2+。以上反應所需的氧由通入該反應器中的所述壓縮空氣提供。分子氧在電氧化過程中起了很大作用,一方面通過捕獲電子產生過氧化氫，另一方面，增加了·OH和其它反應物的傳質效應。·OH具有很強的氧化能力(2.8V)，僅次於氟的氧化能力(2.87V),它能夠直接將有機物氧化為CO2和H2O，次磷酸、亞磷酸氧化為正磷酸,從而達到鎳離子被釋放，降低COD和除磷的效果。

4、2#調節池，將泵入該池中經過一級處理(即經過三維電解技術處理後的廢水)後的廢水泵入該池中再加入聚丙烯充分混合均勻，之後將混勻的廢水泵入電絮凝反應器中。經2#調節池的混合之後，確保廢水進入電絮凝反應器之前水質均勻穩定。

5、電絮凝反應器：陰陽極材料均為鐵，採用脈衝電源，廢水經過反應器底部流入，頂部流出，同時暴汽，增加廢水中含氧量。

在該反應器中採用電絮凝技術對其中的廢水進行二級處理，處理方法及原理如下：

1)採用電流密度為1-5mA/cm2，電解反應時間15—60min和在該反應器中採用金屬鐵作電解設備的陽極；使大量的金屬陽離子溶入該廢水中，經系列水解和聚合形成多種羥基絡合物、多核羥基絡合物，使該廢水中的自由態鎳離子和正磷酸形成以膠態雜質和/或懸浮顆粒凝聚為主的沉澱質，伴生的懸浮物在氫氣和氧氣的氣浮作用下形成漂浮在水面上的浮渣層。

2)原理

電絮凝是以鐵等金屬為陽極，在外加電源的作用下，陽極被溶蝕，產生大量的金屬陽離子溶入水中，經一系列的水解、聚合和亞鐵氧化過程，形成多種羥基絡合物、多核羥基絡合物以至氫氧化物，如鐵離子可形成以下絡合物：Fe(H2O)63+、Fe(H2O)5(OH)2+、Fe(H2O)4(OH)2+及Fe2(H2O)8(OH)22+等，從而使得廢水中的膠態雜質、懸浮顆粒等凝聚沉澱而分離。在電解過程中，陰極和陽極源源不斷的產生氫氣和氧氣的微小氣泡，這些氣泡在上浮過程中所起的作用類似於氣浮作用，將懸浮物帶到水面並在水面上形成浮渣層使汙染物得以去除。

電絮凝過程中，反應器內同時發生著三個方面的作用可去除廢水中的汙染物：(1)電解氧化還原作用；(2)電解絮凝作用；(3)電解氣浮作用。其電極反應如下：

陽極：Fe-2e-→Fe2+ (4)

陰極：H2O+2e→H2↑+2OH- (5)

生成的Fe3+溶液中的PO43-反應，生成FePO4沉澱，達到很好的降磷效果。

Fe3++PO43-→FePO4↓ (6)

在pH大於4的條件下，Fe3+會沉澱為Fe(OH)3絮體，對廢水中沉澱物有絮凝作用,因此對汙染物具有很好的去除效果。

6、深度反應除磷池，是針對初始收集的化學鍍鎳廢水中含磷量高於1000mg/L的鍍鎳廢水才進行的深度除磷處理，其可以進一步消除餘量次磷酸和亞磷酸中的磷。

1)採用添加除磷劑和過氧化氫的方法，繼續氧化剩餘的次磷酸和亞磷酸，經過深度氧化後，廢水中剩餘的次磷酸、亞磷酸被氧化為正磷酸，通過沉澱法去除。

2)深度除磷流程；

1)將二級處理後的廢水(即經電絮凝技術處理後的廢水)排入深度反應除磷池中；

2)向該深度反應除磷池中加入除磷劑和氧化劑，反應時間30-60min，該除磷劑的加入量為二級處理廢水中餘磷濃度的10-15倍，所述氧化劑為過氧化氫，其加入量為二級處理廢水中含有大膠體顆粒的廢水中餘磷濃度的10倍；

3)將深度除磷後的廢水排入混泥沉澱池。

7、混泥沉澱池，該混泥沉澱池採用pp材質，設計為圓柱形，廢水從底部流入，頂部流出。

將二級處理後的廢水或者深度除磷後的廢水排入混泥沉澱池中進行三級處理。

加入以硫酸亞鐵、聚合氯化鋁和硫酸鐵為主的混凝劑中的一種或多種組合，每升廢水中，優選硫酸亞鐵用量在0.25-1.1g/L，該廢水的pH值不低於11，反應時間5-30min。使所述膠態雜質和/或懸浮顆粒不斷長大成大膠體顆粒。

8、絮凝池，將三級處理後的廢水(即含有所述大膠體顆粒的廢水)排入絮凝池中進行四級處理。

加入以聚丙烯醯胺、聚合氯化鋁和硫酸鐵為主的絮凝劑中的一種或多種組合，每升廢水中，優選聚丙烯醯胺用量在0.1-0.4g/L，該廢水的pH值不低於11，反應時間10-30min，加快所述膠態雜質和/或懸浮顆粒形成包含氫氧化鐵、氫氧化鎳和/或磷酸鹽在內的沉澱物的速度。

上述混泥沉澱池與絮凝池中的流程歸納為混凝沉澱技術，混凝沉澱技術處理的目的，是使廢水在一、二級處理後(即三維電解反應和電絮凝反應)產生 的鐵離子生成氫氧化鐵顆粒，鎳離子形成氫氧化鎳顆粒、正磷酸形成沉澱物,氫氧化鐵本身是一種混凝劑，能夠捕捉氫氧化鎳顆粒和磷酸鹽沉澱，在加入混凝劑、絮凝劑的作用下，沉澱顆粒不斷長大，最後泥水分離，出水達標。

9、沉澱池、上清水去除池，將含有所述沉澱物(即包含氫氧化鐵、氫氧化鎳和/或磷酸鹽在內的沉澱物)的廢水(即四級處理後的廢水)排入沉澱池進行泥水分離，沉澱時間在60-120min，將其中的上清液直接排入過濾系統，利用過濾系統去掉上清液中的少量懸浮物，廢水中汙染物得到控制，再將沉澱物回收，至此，廢水達標正常排放。

本實用新型的五個實施例中相關參數見下表：

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