微孔曝气/斜板沉淀工艺处理含铬含砷废水
摘要：攀钢钛白粉厂一车间含铬含砷废水处理工程采用微孔曝气与高效絮凝斜板沉淀相结合为主体的处理工艺。整套处理装置运行稳定，出水TCr、Cr6+、As 平均去除率分别达到72.22%、86.18%、47.46%，符合污水综合排放标准（GB 8978－1996）第一类污染物最高允许排放浓度标准。
关键词：含铬含砷废水；微孔曝气；斜板沉淀
钛白粉（TiO2）是迄今为止世界上性能最好的一种白色颜料，广泛应用于涂料、油墨、造纸、塑料、橡胶、日用化工、人造纤维、电焊条、搪瓷、电器、建材等行业[1]。目前全球钛白粉产能在530 万t 左右，2007 年中国钛白粉的总产量约100 万t，为仅次于美国的世界第二大钛白粉生产国，其中攀枝花地区钛白粉总产能达25.8 万t，位居全国区域产能第一。
攀钢钛白粉厂生产能力现为2 万t·a-1，制造方法采用的是硫酸法，硫酸法生产钛白粉设备简单，技术不复杂，对原料的要求也不严格，但是其“三废”排放量大，治理费用高[2]。产生的废水和废酸中主要含有游离硫酸、铁盐、悬浮物和其它金属离子硫酸盐等，水质水量变化幅度大[3]，若不经妥善处理，会对环境造成很大的污染，尤其是其中的重金属污染物。
1 废水水质水量
攀钢钛白粉厂一车间含铬含砷废水来自于一车间板框压滤机冲洗废水，所用冲洗水为厂区回用中水或其他车间产生的碱性废水。由于该废水含有铬、砷重金属污染物，根据国家环保要求，须在车间废水排放口设置处理设施[4]，出水达标后进入总废水处理站处理。
攀钢钛白粉厂一车间含铬含砷废水处理工程设计水量为30 m3·h-1。废水进水水质TCr、Cr6+、As 质量浓度分别为1.2～1.5、0.58～0.65、0.55～0.63 mg·L-1，排放标准执行污水综合排放标准GB 8978－1996第一类污染物最高允许排放浓度标准，即出水TCr、Cr6+、As 质量浓度分别为1.5、0.5、0.5 mg·L-1。
2 废水处理工艺
自然界和生产中的铬多是以三价和六价的形式存在，三价铬形成的化合物较稳定，存在于食物和生物组织中，参与生物体代谢活动，是人体必须的微量元素。但在工业生产中使用的铬化合物多为六价，六价铬化合物对动物和人有强烈的毒性[5]。在水中，砷的存在形态受pH 的影响较大，主要以亚砷酸盐和砷酸盐存在，砷的毒性与它的存在形态密切相关，亚砷酸盐的毒性是砷酸盐毒性的25～60 倍[6]。
攀钢钛白粉厂一车间含铬含砷废水通过管道收集至调节初沉池，正常情况下废水呈酸性。由于废水中含有铁盐，通过工艺条件的控制，可使废水中多种重金属离子与铁盐生成稳定的铁氧体沉淀物。铁氧体是指具有铁离子、氧离子及其它金属离子组成的氧化物晶体。在酸性条件下，Cr6+ 首先被Fe2+ 还原为Cr3+，然后调节废水pH 至碱性，使其中Cr3+、Fe2+、Fe3+发生共沉淀[7-8]。通过投加碱液调节初沉池的pH 至碱性，产生沉淀，从而使铬含量大幅度降低。
在废水除砷过程中，五价砷比三价砷的去除效果好，所以应预先将三价砷氧化为五价砷后再进行处理，同时三价铁对废水中砷的去除效果比二价铁好[9]。废水由调节初沉池进入曝气混合反应池，通过曝气氧化，三价砷被氧化为五价砷，二价铁被氧化为三价铁，使形成沉淀，从而砷含量得以降低。同时在曝气混合反应池出水口处投加高效絮凝剂进行充分混合，随后进入高效絮凝斜板沉淀池进行沉淀，斜板沉淀池具有去除率高、停留时间短、占地面积小等优点，常用于废水处理工程占地面积受到限制时[10]，废水经斜板沉淀池达到固液分离，上层出水经沉淀池上部三角堰流出汇入车间出水，下层沉淀污泥进入储泥干化池进行干化处理。
2.1 工艺流程
结合现场实际情况，工艺流程如图1 所示。
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图1 废水处理工艺流程
Fig.1 Flow chart of wastewater treatment process
由于攀钢钛白粉厂一车间为两层建筑，进水口在二层，出水口在一层，可以利用车间现状，使废水及污泥在各处理构筑物之间靠重力自流，利用自然高差进行流水线处理。因此本工程将两个溶药槽、两个储液槽以及计量泵、鼓风机和调节初沉池设置在车间二层；车间一层则设置混合曝气反应池、高效絮凝斜板沉淀池和污泥干化池。
2.2 工艺特点
攀钢钛白粉厂一车间含铬含砷废水处理工程选择经实践证明的成熟工艺、技术和相应的设备，以确保达到出水水质要求；选用技术适用、经济合理、安全可靠的工艺，在确保处理达标的前提下，做到操作简单、管理方便、占地面积小、投资省、运行费用低；所选工艺处理程度高，污泥产量少，并根据车间预留场地，因地制宜，合理布局，有效利用空间和场地；整个处理工艺利用现有车间高差，节省大量能源。
为了解决处理装置在出现处理容量剧增、设备设施检修、低负荷运行、管道和阀门临时故障需要检修更换、工作人员轮休等诸多情况时发生处理故障，该处理工程建设为构筑物尺寸、处理规模完全相同的两套处理装置，每套装置均可独立承当水量为30m3·h-1 的含铬含砷废水处理。
攀钢钛白粉厂一车间含铬含砷废水呈强酸性，整套处理装置须进行防腐处理。在整套处理装置中除高效絮凝斜板沉淀池为钢铁制作外，其它均采用PP 塑料作为制作材料，所有管道、阀门材料均为PP塑料。高效絮凝斜板沉淀池的防腐采用在整个构筑物内用四布五脂（布为玻璃纤维布、脂为环氧树脂）进行处理，构筑物外壁用三布二脂进行处理，构筑物所用钢铁管道均采用内插降一号外壁全涂环氧树脂的PP 塑料管插入形成的钢塑复合管，从而达到整个构筑物以及整套装置的防腐效果。
由于攀钢钛白粉厂一车间预留场地有限，因而各构筑物设计规模较小，外加重力流作用，导致水体扰动过大，各构筑物不能达到相应的处理效果，为解决这一问题，各构筑物均采用自行设计的穿孔管进、出水，穿孔管示意图见图2。
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图2 穿孔管示意图
Fig.2 Flow chart of perforated pipe
由于该处理工程含铬含砷废水水量在一日内不均衡，甚至一日内水量波动很大，因此处理工艺需采用废水调节池，用以进行水量的调节和水质的均合，以确保后续工艺的正常运行。
2.3 主要设备
溶药槽设备：2 座，Ф0.8 m×1.0 m，V=0.5 m3；溶药搅拌机：2 台，N=550 W，转速1 400 r·min-1；储液槽：2 座，Ф0.8 m×1.0 m，V=0.5 m3；1# 计量泵：1 台，Q=330 L·h-1，N=0.37 kW；2# 计量泵：1 台，Q=60 L·h-1，N=0.37 kW；调节初沉池：2 座，4.0 m×1.5 m×1.8 m，V=10.8 m3；混合曝气反应池：2 座，Ф1.8 m×2.6 m，V=6.6 m3；鼓风机：2 台，Q=0.66～0.59 m3·min-1，N=0.75 kW；高效絮凝斜管沉淀池：2 座，2.5 m×1.5m×3.6 m，V=13.5 m3；污泥干化池：2 座，1.5 m×1.5m×1.0 m，V=2.25 m3。
3 运行效果
该装置对TCr、Cr6+、As 污染物的去除效果较为稳定，当进水TCr 质量浓度为1.2～1.5 mg·L-1 时，出水TCr 质量浓度为0.30～0.45 mg·L-1，平均去除率达到72.22%；当进水Cr6+ 质量浓度为0.58～0.65mg·L-1 时，出水Cr6+ 质量浓度为0.05～0.12 mg·L-1，平均去除率达到86.18%；当进水As 质量浓度为0.55～0.63 mg·L-1 时，出水As 质量浓度为0.18～0.44 mg·L-1，平均去除率达到47.46%，达到了污水综合排放标准（GB 8978－1996）第一类污染物最高允许排放浓度标准。
4 经济效益分析
根据调试运行期间所得最佳处理效果对应的相关数据，对处理1 m3废水所需费用进行了估算，主要由电费、药剂费和人工费组成[11]。一车间废水处理需要消耗碱、PAM、PAC，需要专职技术管理人员2名。
电费：废水处理系统运行时所需最大总功率为3.34 kW，电价按0.35 元·kWh-1计算，处理1 m3废水所需电费0.04 元·m-3。
药剂费：处理1 m3废水需要消耗碱、PAM、PAC量分别为0.132、0.011、0.176 kg，三者市场价依次为1.0、1.6、1.2 元·kg-1，则药剂费为0.36 元·m-3。
人工费：技术人员2 名，每人每月平均工资为1 200 元，则人工费为0.11 元·m-3。
综上，攀钢钛白粉厂一车间含铬含砷废水处理工程的运行费用为0.51 元·m-3，工程总运行费用为13.22 万元·a-1。
5 结论
攀钢钛白粉厂一车间含铬含砷废水处理工程采用微孔曝气与高效絮凝斜板沉淀相结合为主体的处理工艺，在进水水量波动较大的情况下，出水TCr、Cr6+、As 平均去除率分别达到72.22%、86.18%、47.46%，达到污水综合排放标准（GB 8978－1996）第一类污染物最高允许排放浓度标准。
参考文献：
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[10] 张自杰,林荣忱,金儒霖.排水工程[M].4 版.北京:中国建筑工业出版社,1999.
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