混凝-生化工艺处理油墨和胶浆废水工程实例
0 引言
水性油墨作为一种环保型油墨,主要由色料、连接料、溶解载体、助剂等组成,其主要成分及各成分含量为[1]:色料(颜料或染料)12% ~40%;连接料(树脂)20%~28%;溶解载体(水和少量醇)33%~50%;助剂(消泡剂等)3%~4%;碱(胺或氨)4%~6%。水性油墨由于不含挥发性有机溶剂,正逐步取代油性油墨,成为印刷行业的新型绿色印刷材料[2]。
根据油墨废水的水质特点,国内外对油墨废水的处理工艺多种多样,主要有物理法、化学法和生物法,然而采用单种方法处理成本较高、且出水效果受进水水质影响很大,因此现在的研究趋势为采用物理法、化学法和生物法的组合工艺来处理油墨废水。废水的处理工艺与油墨的种类和特性有着非常密切的关系。目前国内对油墨废水的处理主要有酸析+铁屑微电解+中和沉淀组合工艺[3]、化学混凝预处理脱色[4,5]、混凝气浮—微电解—SBR组合工艺[6]、混凝气浮—接触氧化组合工艺[7]、紫外催化湿式氧化工艺[8]、PAMAM改性沸石混凝吸附处理工艺[9]、PDMDAAC改性粉煤灰吸附处理工艺[10]等。国外对油墨废水的处理,主要采用化学混凝[11~13]和吸附脱色[14~17]工艺。
由于油墨废水的COD浓度高达上万,且色度很高,尽管很多工艺如酸析[3]、紫外催化湿式氧化[8]、超声-氧化[18]效果都不错,但这些工艺都只是停留在实验室的研究阶段[19],目前工程上还较少真正应用,一方面是因为操作复杂,另一方面是因为成本太高,企业难以接受。因此在实际工程中,对高浓度COD的油墨废水仍然主要采用生化法进行处理,为了获得较好的生化处理效果,预处理是必不可少的。然而对于工程上油墨废水的处理技术目前很少有文章涉及到。
1 设计废水水量和水质
杭州某纸业有限公司在制造包装纸盒时,在印刷过程中会使用水性油墨,产生的废水色度极高、COD浓度较高,直接排放会对水体造成严重的污染[2]。在制作浆糊的过程中会产生淀粉胶浆废水,具有黏度高、COD浓度高的特点。这两股废水是该厂主要的生产废水。
油墨废水主要产生自包装材料印刷过程,主要的污染物为水性油墨染料;胶浆废水是利用玉米淀粉制作浆糊过程中洗涤容器产生的废水。其中油墨废水的水量为20 m3/d,废水中主要污染物为水性油墨染料,色度和COD浓度较高;胶浆废水的设计水量为10m3/d,废水中主要污染物为淀粉,且排放时废水温度可达40 ℃左右,有黏性,容易沉积。
由于该纸业有限公司为新建的公司,参照该公司其他类似废水处理厂的有关水质情况,设计的废水进出水水质如表1所示。处理后的出水水质需达到《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)规定的一级排放标准。
表1 设计进水水质和出水水质
2 工艺概述
2.1 油墨废水的预处理
目前国内外对水性油墨废水的预处理主要采用化学混凝工艺[4,5,12,13],吴敦虎等[4]进行混凝试验发现,对COD为6 000~17 000mg/L、色度为100~350的油墨废水最佳混凝条件为:混凝剂为聚氯化铁,投药量为100mg/L,pH适用范围为4.8~5.5。助凝剂为阳离子聚丙烯酰胺,分子量为1 500万,离子度40%,投药量0.4mg/L,处理后的废水脱色率达到97.0%以上。
Metes等[13]采用混凝法处理油墨废水,通过对一系列化学混凝剂进行筛选,发现AlCl3·6H2O和FeCl3·6H2O联用时处理效果最好。
因此对油墨废水首先进行化学混凝预处理,混凝剂采用聚氯化铁和聚氯化铝联用,助凝剂采用阳离子聚丙烯酰胺。通过小试确定混凝剂和助凝剂加药量。 由于混凝后产生的渣量很大,且都为絮状油墨,含水量很高。考虑到在工程实际中,这部分絮状油墨如采用沉淀或自然干化的方法进行固液分离,所花费的时间和占地面积将很大,故决定采用压滤机压滤的方法进行固液分离。所得滤液进入混合废水调节池,滤渣从压滤机上卸下后装袋外运处置。 该方法经实践证明是简单易行的。
2.2 胶浆废水的处理
胶浆废水中的主要污染物为溶解性的淀粉,废水具有较高的黏性,一般没有生物毒性,COD很高,可生化性较好。目前对淀粉废水常用的处理方法总体上可分为生物法和化学法两类。化学法是通过高分子混凝剂,将淀粉胶体絮凝沉降下来从而去除COD。沉淀法虽有效,但由于要使用大量的混凝药剂,其处理成本往往比生物处理法要高很多。况且采用沉淀法处理时,处理效果受混凝剂的种类和性能影响很大[20]。
生物处理法可分为好氧生物处理法和厌氧生物处理法两种。生物处理法在处理高浓度有机废水方面,以其处理费用低、处理效率高等优点被广泛采用。李清泉等[21]采用厌氧水解酸化+ 好氧接触氧化组合工艺处理高浓度玉米淀粉废水,处理效果较好,废水中COD、BOD5的平均去除率分别为98.0%和99.4%。这是因为淀粉可直接作为微生物的碳源,采用厌氧+好氧的生物法去除较易,也节省运行成本。
根据以上分析,油墨废水首先经过化学混凝预处理,得到的清液再和胶浆废水混合,然后可采用生物法进行进一步处理。
2.3 混合废水综合处理
经过混凝压滤后的油墨废水,其COD已大大下降,大分子有机物已大部分被去除,压滤出水较清澈,SS和色度低,COD浓度降为500~800 mg/L。冷却后的胶浆废水COD浓度仍较高,两股废水可通过混合调节池混合均匀后,采用活性污泥法进行处理。对活性污泥系统的设计,考虑到油墨废水中含有一些难生物降解的有机物,如色料等,故首先对混合后废水进行厌氧水解,以提高废水的可生化性。然后混合废水进入接触氧化池,通过好氧微生物的作用,彻底将废水中的有机物分解成CO2和H2O,以降低出水有机物浓度。接触氧化池内置弹性填料,可提高活性污泥的浓度,以提高处理效率。
为进一步去除未被微生物吸附和降解的小分子物质,需采用深度处理方法对生化出水进行进一步处理,否则会导致出水色度不达标。可先采用混凝沉淀的方法对生化出水进行预处理,然后采用氧化剂进行氧化脱色处理。臭氧可将小分子有机物氧化成CO2和H2O,从而达到脱色的目的,且操作简单。
2.4 工艺流程
最终设计的工艺流程见图1。
图1 废水处理工艺流程
油墨废水通过排水沟排至油墨废水调节池,油墨废水调节池底部设置预曝气系统,经过匀质匀量后用水泵输送到油墨废水混凝池内,加入混凝剂,使废水中的胶体等大分子物质析出,经絮凝后的油墨废水通过气动泵打入压滤机进行压滤处理,压滤出来的清液进入混合调节池。
胶浆废水通过排水沟排入冷却池,冷却池兼做调节池,经过自然降温后,上层的胶浆废水通过气动泵排入混合调节池,与预处理后的油墨废水进行均匀混合。
混合后的废水通过潜污泵送入高效厌氧反应池,在高效厌氧反应池中,难生化的大分子物质进一步通过厌氧作用变成容易生化的小分子物质,废水的B/C升高,利于进一步进行接触氧化处理。经过厌氧反应后,废水进入生物接触氧化池进行好氧处理,利用生长在填料上的生物膜和充分供应的氧气,通过生物氧化作用,将废水中的可生化有机物氧化分解。接触氧化池出水经过二沉池的固液分离后,上清液进入混凝池进一步脱色。在混凝池内投加混凝剂,经混凝沉淀后,出水进入臭氧脱色消毒池,利用臭氧将剩余的难降解小分子有机物氧化去除,进一步去除色度。经过脱色消毒后的出水进入规范化排放口达标排放。
压滤产生的油墨和污泥外运处置。滤液进入混合废水调节池。
3 主要处理构筑物及设备
主要处理构筑物及设备的设计参数见表2。
4 系统对污染物处理效果分析
试运行期间,经业主取样,并委拖有资质单位进行检测,水质化验结果见表3。
由表3可知,处理后排放水质可以达到《污水综合排放标准》(GB 8978 -1996)一级标准,且能稳定运行。
5 工程问题及改进措施
(1)压滤机卸泥平台排水沟直接接入混合调节池,当清洗滤布时会有很多油墨进入混合调节池,对后续生化系统产生影响。后经改造,将压滤机滤布清洗水排入油墨废水调节池中。
(2)之前油墨废水混凝时只投加了混凝剂,油墨废水过滤困难。后经现场试验证明,投加阳离子聚丙烯酰胺PAM可以改善油墨废水压滤效果。
(3)胶浆废水黏性大,难过滤,易堵塞滤布,因此不能将胶浆废水和油墨废水混在一起预处理。
表2 主要构筑物和设备设计参数
表3 水质检测结果
6 结论
该处理工程经过系统调试,最终能稳定达标运行,具有如下特点:
(1)油墨废水采用混凝+压滤的预处理工艺可显著降低废水中COD和色度,为后续生化处理减轻大量负担。
(2)胶浆废水经冷却沉渣后直接进生化系统,采用生化处理是可行的。
(3)后续采用混凝+臭氧脱色作为深度处理,保证了废水达标排放。
综上所述,该工艺具有简单易行,出水可稳定达标的特点。
[1]白木.水性油墨发展综述.化工科技市场,2004,(2):23~27
[2]和欢庆.油墨环保问题分析.广东印刷,2007,(5):40~42
[3]张涛.铁屑微电解法处理水性油墨废水的试验.环境染治理技术与设备,2005,6(5):67~70
[4]吴敦虎,骆萌,付晚涛,等.混凝法处理油墨废水色度的研究.环境保护科学,2002,28(113):16~18
[5]高华星,陆兴章,赵德仁.阳离子高分子絮凝剂用于印刷油墨废水处理.环境污染与防治,1995,17(3):9~12
[6]刘林,崔永活.混凝气浮-微电解-SBR工艺处理油器和粘合剂混合废水.环境工程,2001,19(5):16~18
[7]梁建庄.气浮-生化法处理高浓度印刷油墨废水.环境技术,2003,(增刊):52~54
[8]刘鹏,李朝林,陆钢,等.紫外催化湿式氧化工艺降解油墨废水.环境工程学报,2012,6(7):2265~2270
[9]张光华,申毅,李雯,等.PAMAM改性沸石及其在油墨废水处理中的应用研究.皮革与化工,2010,27(1):36~39
[10]肖杰,钱骏,赖喜德,等.PDMDAAC改性粉煤灰预处理油墨废水的研究.四川环境,2005,24(4):14~16
[11] Nandy T,Vyas R D,Shastry S,et al.Optimization of coagulants for pretreatment of printing ink wastewater.Environmental Engineering Science,2002,19(1):1~7
[12] Gulen E,Serdar G,Fatos G B,et al.Coagulation-flocculation of wastewaters from a water-based paint and allied products industry and its effect on Inert CODCr.Journal of Environmental Science and Health Part A,2006,41:1843~1852
[13] MetesA,Koprivanac N,Glasnovic′A.Flocculation as a treatment method for printing ink wastewater.Water Environ Res,2000,72(6):680~688
[14] MetessA,Kovacevic D,Vujevic′D,et al.The role of zeolites in wastewater treatment of printing inks.Water Research,2004,38(14~15):3373~3381
[15] Netpradit S,Thiravetyan P,Nakbanpote W,et al.Waste metal hydroxide sludge as a new adsorbent.Environmental Engineering Science,2004,21(5):575~582
[16] Deepa K K,Sathishkumar M,Binupriya A R,et al.Sorption of Cr from dilute solutions and wastewater by live and pretreated biomass of ASpergi11uSavus.Chemosphere,2006,62(5):833~840
[17] Ramakrishna K P,Viraraghavant T.Dye removal using low costadsorbents.Water Science Technology,1997,36(2):189~196
[18]何德文,秦艳,王伟良,等.超声氧化联合处理油墨废水试验研究.中南大学学报(自然科学版),2009,40(6):1482~1487
[19]甄豪波,程建华,吴振强,等.油墨废水处理研究进展.广东化工,2011,38(214):108~110
[20]殷永泉,单文坡,纪霞,等.淀粉废水处理方法综述.环境污染与防治,2005,27(8):625~629
[21]李清泉,柴社立,蔡晶,等.两段水解-接触氧化工艺处理高浓度玉米淀粉废水的试验.中国环保产业,2001,(6):40~41