NHN 起爆藥含鎳廢水的處理方法

張 銳，劉志同，陳文基，鄭冬冬，陳姍姍

(中國葛洲壩集團易普力股份有限公司，重慶401122)

0 引言

起爆藥作為工業雷管的主要裝藥組分,發揮著起爆猛炸藥的關鍵性作用[1]。 目前,工業雷管生產過程中,常見起爆藥有DNNP、NHN、GTG 及GTX等。 其中,DNNP 因其火焰感度高、起爆性能好在國內外被廣泛應用。 因此,國內外對起爆藥廢水處理工藝的研究也多集中于DNNP 起爆藥的廢水處理方面。

山東泰山民爆器材有限公司在綜合考慮起爆藥起爆性能、生產過程安全性等方面,選擇了機械感度低、火焰感度較低的NHN 起爆藥作為公司工業雷管起爆藥。 對NHN 起爆藥生產過程中產生的含鎳廢水進行處理,使含鎳廢水達到Ⅰ級排放標準,滿足了環保要求。

1 NHN 起爆藥含鎳廢水來源

NHN,化學名是二硝酸三肼合鎳,簡稱為硝酸肼鎳,配位式為[Ni(N2H4)3](NO3)2, 淡紫色的粉末晶體,是一種制造工藝簡單、感度適中的絡合物起爆藥。 目前,國內制備NHN 起爆藥采用化合工藝[2],生產流程如圖1 所示。

圖1 NHN 起爆藥生產流程

NHN 起爆藥制備過程主要為硝酸鎳和水合肼在70 ～80 ℃溫度下反應生成二硝酸三肼合鎳,保溫10 min 后出料,再用去離子水洗滌至中性后分盤、干燥,干燥溫度為(65±5)℃,干燥完成后藥劑晾涼至40 ～45 ℃后再倒藥、入庫。 其制備過程中的母液可回收作為反應底液,如果僅有洗滌廢水銷爆后排出,基本可實現含鎳廢水達標排放。 實際生產中,為控制NHN 起爆藥質量,母液不能無限循環,需不斷排放部分母液,以純水進行補充[3]。 此時,廢水中的鎳元素主要來源于NHN 起爆藥殘渣、排放的部分母液以及洗滌廢水,超過GB 8978—1996《污水綜合排放標準》規定的總鎳量1 mg/L 的標準,更未達到DB 37/676—2007《山東省半島流域水污染物綜合排放標準》規定的總鎳量不得超過0.5 mg/L 的要求,所以需對含鎳廢水進一步處理,使廢水中總鎳量達標后排放。

現需尋求一種處理試劑成本低、后期運營投入少、處理效果純凈的NHN 起爆藥廢水處理方法,使處理后的廢水中的含鎳量≤0.5 mg/L,達到Ⅰ級排放標準。

2 含鎳廢水處理方法選擇

目前,生產過程中含鎳廢水的處理方法有:電解法、離子交換法、吸附法、以氫氧化物和硫化物為主的傳統化學沉淀法等[4-6]。

電解法主要適用于高濃度的鎳離子處理,利用電化學原理實現降低廢水中鎳離子的目的,但其處理成本高,主要應用于電鍍廢水中的鎳離子處理。

離子交換法主要適用于低濃度的鎳離子處理,操作簡單、處理效果好、工藝條件成熟,且可實現鎳資源回收,但存在交換樹脂易飽和、絡合物易使交換樹脂污染或老化、樹脂再生頻繁等缺點,后續處理較為煩瑣[7]。

吸附法采用活性炭、粉煤灰、硅藻土、膨潤土等作為吸附劑,操作簡單易懂,但處理過程較難控制,且吸附劑不易回收,易造成二次污染[8]。

氫氧化物沉淀法主要適用于游離態鎳處理,常用的沉淀試劑為氫氧化鈉溶液,通過生成氫氧化鎳降低游離態鎳含量。

硫化物沉淀法主要適用于游離態鎳處理,通過硫化物Na2S、NaHS、H2S 等生成硫化鎳,達到降低游離態鎳含量的目的[9]。

此處為尋求處理試劑成本低、處理設施投資及后期運營投入少、工藝過程簡單、過程易控的含鎳廢水處理方法,故處理成本高的電解法,后續處理煩瑣的離子交換法以及易造成二次污染的吸附法不再考慮,選擇傳統化學沉淀法。

Ni(OH)2的溶度積Ksp(新制備)[Ni(OH)2]=C(Ni2+)×[C(OH-)]2=2.0×10-15,NiS 的溶度積Ksp(NiS)= C(Ni2+)× C(S2-) = 2.0×10-26,因Ksp(新制備)[Ni(OH)2]＞Ksp(NiS),相同條件下,NiS沉淀更易生成,處理更為純凈[10]。 但硫化物較氫氧化物采購成本高,且硫化物作為第二類污染物,后續處理不當易造成二次污染。

因此,選擇以氫氧化物為主的化學沉淀法進行處理,其主要原理為NHN 起爆藥廢水加亞硝酸鈉、硝酸銷爆,NHN 被分解成鎳離子和水合肼等。 由于水合肼是一種強還原劑,水合肼被氧化成氮氣溢出。 然后投入氫氧化物生成氫氧化鎳沉淀,待氫氧化鎳沉淀完全后,對廢水進行pH 值調節,經分析達標后排入廠區的污水處理站。

3 NHN 起爆藥廢水處理工藝

3.1 NHN 起爆藥銷爆處理方法

NHN 起爆藥生產過程中產生的含鎳廢水來源于NHN 起爆藥、部分母液以及洗滌廢水,出于安全考慮,需先對廢水中的NHN 起爆藥進行銷爆處理。

根據NHN 起爆藥性質,采用化學處理法向廢水中加入質量分數為25%的亞硝酸鈉溶液、質量分數為10%的硝酸溶液對NHN 起爆藥進行銷爆處理。 其中,反應式見式(1):

為確定銷爆處理時間,進行試驗(因含鎳廢水呈綠色,故可借助廢水顏色變化判斷NHN 起爆藥廢水處理進程),試驗結果見表1。

表1 不同銷爆時間廢水顏色變化

試驗結果顯示,對NHN 起爆藥廢水處理20 min時,可完成銷爆過程。

為使NHN 起爆藥廢水銷爆徹底,亞硝酸鈉溶液和硝酸溶液的添加量一般需大于理論值。 銷爆完成后,采用氫氧化鈉調節溶液pH 值。 同時,因氫氧化鈉的添加,會產生部分Ni(OH)2,從而除去廢水中的部分Ni2+。

3.2 確定pH 值

含鎳廢水沉淀處理過程中的pH 值直接影響廢水中游離鎳離子的含量,根據沉淀平衡方程式(2)計算可知:

新制備Ksp=C(Ni2+)×[C(OH-)]2=2×10-15

當pH＞8.6 時,廢水中鎳含量可達GB 8978—1996《污水綜合排放標準》排放指標,即Ⅱ級排放標準1 mg/L;當pH＞9.2 時,廢水中的鎳含量可達到DB 37/676—2007《山東省半島流域水污染物綜合排放標準》排放指標,即Ⅰ級排放標準0.5 mg/L。

為更高效地處理含鎳廢水,全面推廣此處理工藝,選擇pH 值≥10 的飽和氫氧化鈉溶液進行沉淀處理。

3.3 確定反應時間

為除去銷爆過程產生的Ni(OH)2,降低廢水中的鎳含量,工藝中設置Ⅲ級沉淀池,經Ⅲ級沉淀池處理后的NHN 起爆藥廢水可達到Ⅱ級排放標準。為使NHN 起爆藥廢水達到Ⅰ級排放標準,工藝中需進一步設置沉淀反應池,用pH 值≥10 的飽和氫氧化鈉溶液進行沉淀處理,使得處理后的廢水達到Ⅰ級排放標準。

反應時間直接影響NHN 起爆藥廢水處理的結果,原則上,各階段處理時間越長,NHN 起爆藥廢水中游離鎳離子處理越完全。 但考慮到生產需求,需尋求各階段不影響生產且能達到排放標準的處理時間。

為確定合理的反應時間,此處選取80 組含鎳廢水試樣,分別模擬Ⅲ級氫氧化鈉處理過程并確定Ⅲ級沉淀處理時間,并根據GB/T 11910—1989《水質鎳的測定丁二酮肟分光光度法》對鎳離子含量進行測定。 分析結果見表2。

表2 Ⅲ級沉淀處理后總鎳量變化單位:mg/L

試驗結果顯示,Ⅲ級處理時間為24 h 時,NHN起爆藥廢水中的總鎳量明顯降低;當Ⅲ級處理時間超過24 h 時,NHN 起爆藥廢水中含鎳量降低不明顯,且已達到含鎳廢水Ⅰ級排放標準。 因此,Ⅲ級沉淀時間確定為24 h。

根據選定的Ⅲ級沉淀時間,進行氫氧化鈉沉淀處理過程模擬試驗,并根據GB/T 11910—1989《水質鎳的測定丁二酮肟分光光度法》對廢水的鎳離子含量進行測定。 分析結果見表3。

表3 氫氧化鈉沉淀處理過程總鎳量變化單位:mg/L

試驗結果顯示,氫氧化鈉沉淀處理時間＜72 h時,NHN 起爆藥廢水中的總鎳量多數未達到Ⅰ級排放標準;氫氧化鈉沉淀處理時間≥72 h 時,NHN起爆藥廢水中的總鎳量全部達到Ⅰ級排放標準。因此,氫氧化鈉沉淀處理時間確定為72 h。

4 NHN 起爆藥廢水處理系統

4.1 NHN 起爆藥廢水處理系統

根據NHN 起爆藥廢水處理工藝,設計含鎳廢水處理系統,如圖2 所示。

圖2 NHN 起爆藥廢水處理系統

NHN 起爆藥廢水處理工藝如下:

第1 步,對NHN 起爆藥廢水進行銷爆處理。首先,在NHN 起爆藥廢水中加入質量分數為25%的亞硝酸鈉溶液與質量分數為10%的硝酸溶液,攪拌15 ～20 min。 然后加入氫氧化鈉溶液,直至NHN 起爆藥廢水溶液由綠色變為無色,則銷爆徹底。

第2 步,將經過銷爆處理后的NHN 起爆藥廢水引入Ⅲ級沉淀池中進行沉淀處理,處理時間為24 h。

第3 步,經Ⅲ級沉淀池沉淀后的NHN 起爆藥廢水進入化學沉淀池,測定反應池內廢水的pH值,若pH 值≥10,則執行下一步;反之,則加入氫氧化鈉溶液,直到廢水的pH 值≥10。

第4 步,氫氧化鈉與NHN 起爆藥廢水中的游離態鎳反應生成Ni(OH)2,沉淀處理時間為72 h。

第5 步,將沉淀后的廢水泵入中和處理池中,向池中緩慢加入硝酸溶液,直至廢水的pH 值在6 ～8 之間,即完成NHN 廢水的處理過程。

4.2 NHN 起爆藥處理系統要求

1)化學沉淀池、中和處理池需滿足:

①化學沉淀池、中和處理池的容積相同,均能儲存72 h 廢水量。

②化學沉淀池、中和處理池內表面設置玻璃鋼內襯,用來防止反應池中的NHN 起爆藥廢水、堿性試劑、酸性溶液等滲入土壤,避免污染環境。

③為加快廢水處理的效率,保證生產的連續性。 設置兩個化學沉淀池,每個池子均能儲存72 h的廢水量,保證最后1 d 進入化學沉淀池的廢水沉降處理72 h。

2)Ⅲ級沉淀池、化學沉淀池、中和處理池間均設有潛水泵,以便使NHN 起爆藥廢水在處理池中高效流動。

5 NHN 起爆藥廢水處理結果

為驗證含鎳廢水處理效果是否達到預期,從未經處理的NHN 起爆藥廢水、Ⅲ級沉淀處理后的NHN 起爆藥廢水、化學沉淀處理后的NHN 起爆藥廢水以及處理后排污口處的NHN 起爆藥廢水中分別選取樣品,并根據GB/T 11910—1989《水質鎳的測定丁二酮肟分光光度法》 對鎳離子含量進行測定。 分析結果見表4。

表4 不同處理階段的總鎳量單位:mg/L

試驗結果顯示,氫氧化鈉沉淀處理后的NHN起爆藥廢水中總鎳量小于0.5 mg/L,滿足工業Ⅰ級廢水排放標準,因此處理工藝可行。

6 結論

NHN 起爆藥生產過程中產生的廢水,銷爆后采用物理、化學沉淀和中和的處理方法,清除廢水中的鎳離子,效果明顯,得出以下結論:

1)NHN 起爆藥廢水經氫氧化鈉、10%的硝酸溶液處理后,廢水呈中性,避免了酸性試劑、堿性試劑對土壤、河流等的污染,可實現直接排放。

2)經化學沉淀處理后的NHN 起爆藥含鎳廢水總鎳量≤0.5 mg/L,符合要求。

3)NHN 起爆藥廢水處理工藝合理實用,所用的處理藥劑為價格低廉的氫氧化鈉、硝酸,處理成本可接受,具有推廣應用價值。