均匀设计法处理含硫废水的研究

对钠盐型和铵盐型含硫工业废水进行脱硫处理，采用均匀设计法设计试验，得到定量描述试验内在规律的多元非线性回归方程。用该回归方程计算的预测值与试验结果一致。对影响脱硫效果和脱硫效率的影响因素———絮凝剂投加量、pH以及废水含硫量进行了考察。利用回归方程，对反应体系进行了模拟优化处理。研究表明，在试验条件下，用聚合氯化铝作为絮凝剂、pH=7的条件下，采用两段工艺，可以使脱硫后废水含硫量降至40mg/L以下，满足下游污水处理装置对含硫量的要求。
  1　试验部分
  1.1　废水来源
  1#原水为制革废水，钠盐型，硫主要以Na2S的形式存在，pH=12。
  2#原水为炼油废水，铵盐型，硫主要以NH4HS、(NH4)2S存在，pH=9。
  1.2　试验仪器和试剂
  PHB29901pH计；MY300026智能型混凝试验搅拌仪。
  聚合氯化铝(PAC)；硫化物测定相关试剂。
  1.3　试验及分析方法
  1.3.1　试验方法
  500mL的原水置于1000mL烧杯中，加药后用六联同步自动升降搅拌机以300r/min快搅60s，然后以60r/min慢搅5min，静置1h后，取上清液，测定含硫量。
  1.3.2　分析方法
  采用碘量法测定含硫量。
  2　试验设计及结果讨论
  2.1　试验设计
  筛选了PAC作为脱硫絮凝剂，对其脱硫效果进行了较全面的研究。采用均匀设计法，对PAC投加量、原水pH和含硫量进行了考察。试验共选用3因素10水平。含硫量采用拟水平。选用均匀设计试验表为U10(102×5)，D(均匀设计系数)为0.1878。
  2.2　试验结果与讨论
  2.2.1　脱硫试验条件与结果
  试验条件与试验结果见表1。序号1～10为1#原水(X1)，序号11～20为2#原水(X2)，X3为pH。用脱硫量(ΔS)和脱硫率(Y)来表征脱硫效果，以单位PAC脱硫量(Z)来表征脱硫效率，计算公式见式(1)至式(3)。
  ΔS=S0-Si         (1)
  Y=ΔS/S0×100%　　(2)
  Z=ΔS/X4          (3)
  式中：S0、Si分别为原水含硫量、脱硫后废水含硫量，mg/L；X4为PAC投加量，mg/L。
  采用多元非线性回归对试验数据进行处理，得到多元非线性回归方程，见式(4)至式(6)。
  ΔS=A10+A11X3+A12X4+A13S0+A14X23+A15X24(4)
  Z=A20+A21X3+A22X4+A23S0+A24X32+A25X42(5)
  lnY=A30+A31X3+A32X4+A33S0+A34X32+A35X42(6)
  式中：Aij为回归系数，与原水性质有关；i为1～3自然数；j为1～5自然数。1#原水的多元非线性回归方程具体为式(7)至式(9)。
  ΔS=-23.41+30.97X3+1.30X4+0.64S0-4.95X23-2.94×10-3X24(7)
  Z=10.66-0.30X3-0.09X4+5.02×10-3S0+0.019X23+1.64×10-4X24(8)
  lnY=3.41+0.23X3+1.76×10-3X4-3.22×10-4S0-0.03X23-3.73×10-6X24(9)
  2#原水的多元非线性回归方程具体为式(10)至式(12)。
  ΔS=-37.84+64.64X3+1.12X4+0.31S0-7.56X23-2.63×10-3X24(10)
  Z=5.84+0.21X3-0.04X4+1.12×10-3S0-0.04X23+0.59×10-4X24(11)
  lnY=4.06+0.50X3+4.98×10-3X4-1.21×10-3S0-0.05X23-1.17×10-5X24(12)
  用回归方程式(7)至式(12)进行预测计算，并进行了验证试验，其结果见表2。预测值与试验结果基本一致，表明回归方程是可靠的。
  2.2.2　工艺参数对脱硫效果的影响
  pH对脱硫量的影响见图1。从图1可见，pH对脱硫量有较大的影响，且存在最佳值。根据图1推测以及式(8)、式(9)、式(11)和式(2)的计算可知，不同的PAC投加量时，Y(Z)—pH曲线也是一组平行线。
  PAC投加量对脱硫效果和脱硫效率的影响见图2。PAC对脱硫量和脱硫率的影响是一致的，存在最佳值，但单位PAC脱硫量一直是在下降的。在试验条件下，当PAC投加量达到200mg/L时，脱硫量和脱硫率开始下降，单位PAC脱硫量稳定在一个较低的水平，说明过多增加PAC的投加量是不适宜的。这与有关研究结论相同。
  原水含硫量对脱硫效果的影响见图3，脱硫量随着原水含硫量的增加而增加。不同的PAC投加量时，是一组平行线，不同的原水其增加的趋势不同，但脱硫率是降低的(见图4)。从图1、图3和图4可以看出，1#原水比较容易脱硫，2#原水脱硫难度大得多。两者的脱硫率相差10%～25%。
  根据式(7)至式(12)计算可知，pH为4时，脱硫量、脱硫率和单位PAC脱硫量最高。由于含硫废水的pH通常为碱性，要调整pH需要消耗大量的酸，增加运行成本和安全性等不利因素。含硫废水的pH为4～5时，对设备的腐蚀将带来严重的问题，且其再利用也有一系列困难，因此进水选用pH为7左右。
  当原水含硫量较高(600mg/L)时，在pH为7的条件下，采用两段工艺调整PAC的投加量，结果见表3。由于脱硫效率的限制，脱硫后出水中含硫量为200mg/L，达不到下游装置进水对含硫量的要求，因此可以采用两段流程，将含硫量降至40mg/L以下，满足下游装置要求。
  表3　两段工艺脱硫效果
  结　论
  试验中选用制革废水和炼油废水进行脱硫处理。在相同的工艺条件下，这两种原水脱硫性能差别很大。因此，必须针对原水的特性，合理优化工艺参数，才能获得最佳的脱硫效果。
  (1)pH为4时脱硫率达到最大值；PAC投加量超过200mg/L后脱硫率不增加；随着原水含硫量增加，脱硫率一直降低。
  (2)pH为4时，单位PAC脱硫量达到最高值；随着原水含硫量的增加，脱硫量和单位PAC脱硫量增加；由于原水含硫量和PAC投加量的不同，单位PAC脱硫量的最高值也不同；PAC投加量增加时，单位PAC脱硫量降低。说明增加PAC投加量，对提高单位PAC脱硫量是不利的。因此，需要根据其他参数选择最佳的PAC投加量，以降低运行成本。

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