镍系电镀废水处理工艺优化探讨

宋 涛

(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)



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镍系电镀废水处理工艺优化探讨

宋 涛

(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)

针对太仓市某镍系电镀废水处理所存在的问题，提出采用改良化学沉淀与离子交换联用处理的优化工艺，结果表明：该工艺运行稳定可靠，系统出水能够符合国家《电镀污染物排放标准》(GB21900-2008)要求。

电镀废水处理；镍；离子交换；化学沉淀

1 引 言

在电镀加工过程中，会产生一系列包括镀件清洁用水、镀件过滤用水和废镀液，以及由于操作不当和管理不善引起的污水，这些统称为电镀废水[1]。概括而言，电镀废水中最主要的污染物质为重金属离子，如铬、镍、铜等；其次，氰化物类有毒物质也存在于某些特定的电镀废水中；另外，在电镀预处理过程中清洗下来的油脂、油污、尘土等杂质也被带入了电镀废水中[2]。随着近年来工业的迅速发展，电镀工业已成为当今全球3大污染工业之一[3-4]。电镀在工业上应用广泛而分散，如冶金、化工、机械、电子、军工、航天等，且因其工艺不同及要求各异，因而电镀行业产生的电镀废水也就变得非常复杂[5]。电镀废水的直接排放会带来严重的环境问题，尤其是重金属污染问题，电镀废水中的重金属处理已成为当今社会亟待解决的环境问题[6]。

电镀废水中，镍系电镀废水是最常见的废水之一[1, 7]。镍离子普遍存在于镀镍废水中，其排放到环境中会对饮用水、农作物的安全造成影响[8]。2008年，国家版布了新的《电镀污染物排放标准》(GB21900-2008)，其中对电镀废水污染物特别排放限值作出明确规定：镍系废水(镍为第一类污染物，因此含镍废水须单独收集，单独处理达标)中的总镍排放标准为 0.1mg/L[9]。由于电镀废水较复杂，其含有大量氨氮、羧酸、醇等无机和有机络合剂，能与水中的镍离子生成溶解的络合物，因此目前常用碱法处理后的镀镍废水无法达到新的排放标准要求[10-11]。

以太仓市某电镀厂为研究对象，该厂每天排放大量的电镀废水，其中镍系废水约为80m3/d，废水排放执行新标准中的特别排放限值。改造前，该企业处理镍系废水的工艺为化学中和沉淀法，而后经生化处理，经此工艺的电镀厂出水无法达到国家新标准要求的总镍排放0.1mg/L 以下。基于此，本研究对该厂镍系废水处理工艺进行优化改造，首先对镍系废水进行单独分质收集，然后通过氧化、重金属捕捉剂、pH调节、混凝、沉淀等方式进行处理，最后再经过离子交换树脂系统处理。本文从工程应用的角度出发，研究并探讨该工艺的实用性，以期对同行业或者类似水质废水提供技术参考和工艺改进新思路。

2 镍系电镀废水水质及其处理工艺流程现状

太仓市某电镀厂为综合型电镀厂，主要镀种为铬、镍、铜、锌等。该单位镍系处理水量为8 t/h，每天运行10h。根据采样实验室分析数据，镍系废水进水水质情况见下表。

表 太仓市某电镀厂镍系废水水质情况Tab. Water conditions of nickel electroplating wastewater treatment in Taicang city

该单位原有处理工艺主要为化学沉淀法，处理工艺流程现状如下：

(1)pH调节。镍系废水通过提升泵送至pH调节池，使用液碱将pH值至10左右，使其中的镍离子形成氢氧化镍沉淀；

(2)沉淀。含有氢氧化镍的废水在沉淀池内进行固液分离，氢氧化镍沉淀至泥斗中，上清液自流至pH反调池中调整至中性。

经实验室分析监测，上清液的出水浓度远远超过国家标准中0.1mg/L的特别排放限值。因此，该工艺无法确保镍系出水稳定达标排放，需要考虑对该套系统进行升级改造。

3 镍系电镀废水处理工艺问题分析和流程优化

3.1 现状工艺流程问题分析

经过研究，该厂镍系废水经处理后不达标有多个方面的原因。首先，该厂的生产性质决定了该厂的废水组分复杂，除了镍以外还含有铜、锌等，而这些金属的氢氧化物溶度积(Ksp)不同，造成了共存金属离子不能在同一pH条件完成沉淀去除。其次，由于该厂电镀工艺中使用了大量络合剂，络合剂在水中存在大量的羟基和羧基，这类基团相互作用，并且会与镍离子络合，吸附镍离子。因此在向废水中投加氢氧化钠时，即使调节到很高pH值，氢氧根仍然无法与络合镍离子结合生成沉淀，这使得络合态的镍离子在高pH条件下仍能稳定存在。再次，该厂现有含镍废水经预处理后再与其它生产废水混合集中处理，最终排放出水指标有可能达到国家新标准的要求，但不属于车间或者生产设施废水排放口，不符合新标准中特别排放限值的要求。因此需要将含镍废水单独收集、单独处理达标。最后，单独的化学沉淀工艺，本身就存在出水水质差的问题，因此该厂的单一化学沉淀工艺不能完全达到国家新标准的要求。

3.2 工艺流程优化

该镍系废水处理系统的优化升级改造从下面几个方面进行：

(1)单独分质收集镍系废水。镍系废水的单独分质收集有利于该废水的针对性处理，不仅可以提升处理效果，并且能够节省药剂。

(2)投加次氯酸钠作为氧化剂，用于氧化络合剂。

(3)在调整pH之前添加重金属捕集剂。重金属捕集剂相对于传统的调整pH沉淀金属离子，可以有效去除废水中的络合态金属离子。

(4)增加离子交换树脂工艺。离子交换树脂的容量问题一直是其使用受限的重要原因，而如果能在离子交换树脂工艺之前进行一定的预处理，则可同时满足出水水质并延长使用时间。

基于上述考虑，对该厂镍系废水处理工艺进行改造，改造后的工艺如下：

(1)废水收集。从电镀生产线源头开始，对含镍废水进行单独分质收集，收集后的废水单独存放在镍废水调节池中，然后再进行后续处理。

(2)单独收集的镍系废水的投药处理

①首先将收集的镍系废水通过提升泵送至氧化池，在氧化池中投加次氯酸钠作为氧化剂，氧化部分络合剂。

②在氧化池的出水中，添加重金属捕集剂，与废水中的镍离子进行化学反应，并在短时间内迅速生成不溶性、低含水量、容易去除的絮状沉淀，从而去除水中的大部分镍离子。

③利用pH自动加药系统在pH调节池中投加液碱至pH为10左右。为了使氢氧化镍快速去除，通过计量泵投加聚合物PAM，氢氧化镍的絮体将凝聚为大量的矾花。混凝主要用于去除水中的絮状沉淀，使得较小的氢氧化镍絮体形成较大絮体，从而加快絮凝颗粒的沉降速度。

④含大量矾花的混合液流入平流式沉淀池，在沉淀池内实现固液分离，氢氧化镍絮体沉入泥斗定期排入污泥池，上清液流至下一级构筑物。污泥池的污泥通过螺杆泵输送至板框压滤机脱水。滤出液回到废水调节池，脱水后的干污泥外运处置。

(3)增加离子树脂交换系统

镍系废水经上述工艺处理后的出水浓度在0.1mg/L左右，仍然无法确保能够稳定达标排放。因此，应增加离子树脂交换系统进一步进行处理。

离子交换树脂是具有三维空间结构的不溶性高分子化合物，其活性基团可与水中的其他同性离子进行交换反应。镍系废水中的镍离子可以采用阳离子交换树脂吸附，包括强酸性和弱酸性树脂。本研究经过技术经济比较选用D113大孔阳离子吸附树脂进行吸附，D113树脂是在大孔结构的丙烯酸共聚体上带有羧酸基(-COOH)的阳离子交换树脂。交换时通常将树脂转为Na型。含镍废水流经钠型弱酸性树脂层时，发生如下交换反应：

2R-COONa+Ni2+→(R-COO)2Ni+2Na+

通过该反应，废水中的Ni2+被去除，而树脂上的Na+进入水中。当全部树脂层与Ni2+交换达到平衡时，用一定浓度的酸再生。

(R-COO)2Ni+2H+→2R-COONa+Ni2+

此时树脂为H型，可以用NaOH再转为Na型，从而实现离子树脂的再生。

处理过程如图1所示：

图1 太仓市某电镀厂镍系废水改进处理工艺流程Fig.1 Optimized processes of nickel electroplating wastewater treatment in Taicang city.

3.3 优化工艺流程处理结果和分析

对该套镍系废水系统各个环节进行了18次分段采样，实验室分析结果如图2所示。

图2 太仓市某电镀厂镍系废水水质随时间变化情况：(a)废水水质；(b)经改进处理工艺出水水质Fig.2 (a) Raw wastewater and (b) the effluent water by the optimized processes of nickel electroplating wastewater treatment in Taicang city.

结果表明，相比于经化学沉淀法处理后出水水质，经过该优化系统处理后的出水中最终镍离子的去除率能够达到99.9%以上，出水可以稳定低于0.1mg/L的排放限值，符合国家关于《电镀污染物排放标准》(GB21900-2008)的要求。

该套系统有以下几个优点：

(1)造价成本低，易施工，对镍系废水处理能力强。

(2)加入重金属捕捉剂，能在常温和很宽的pH值条件范围内，和镍离子进行反应，在短时间内迅速生成不溶性、低含水量、容易过滤去除的絮状沉淀，便于后续处理。

(3)引入离子交换树脂系统进行深度处理，该系统易操作，树脂可重复使用，也易更换，降低了系统的运行和维护成本。

4 结 论

近年来，电镀废水的处理技术已经受到普遍重视，关键是如何在已有处理设施的基础上，增加一套简便、有效的组合工艺来提高处理效果。本研究以太仓市某电镀厂镍系废水为研究对象，对其镍系电镀废水处理工艺进行了优化研究，即提出采用化学沉淀与离子交换联用处理的优化工艺。研究结果表明，该工艺运行的镍系出水能够符合国家关于《电镀污染物排放标准》(GB21900-2008)中特别排放限值的要求。本优化工艺的实际应用，对电镀废水处理工艺的选择、优化具有一定的借鉴和指导价值。

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Discussion on the Process Optimization for Nickel Electroplating Wastewater Treatment

SONG Tao

(StateKeyLaboratoryofPollutionControl&ResourcesReuse,Shanghai200092,China)

In allusion to the current problems in the treatment of electroplating effluent in Taicang city, this article proposed an improved and optimized coupled treatment process of chemical precipitation and ion exchange. The results showed that this process was effective and stable, and the effluent water quality of this treatment system could conform to the requirements of Electroplating Pollutants Emission Standard (GB21900-2008).

Electroplating wastewater treatment; nickel; ion exchange; chemical precipitation

2016-02-01

宋 涛(1983-)，男，安徽全椒人，同济大学环境工程专业2013级在职硕士研究生，主要研究方向为废水处理技术。

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