電芬頓-混凝協(xié)同處理印染廢水技術(shù)研究

孫秀君

(唐山學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山 063000)

印染廢水是較難處理的工業(yè)廢水之一，具有難生物降解、成分復(fù)雜、水量和水質(zhì)變化大、COD 及色度高等特點(diǎn)。近年來隨著紡織和印染工業(yè)的發(fā)展，染料的種類和成分的復(fù)雜程度都逐漸的增加，排放到水體的印染廢水越來越多并且越來越難以處理，因此研究開發(fā)高效的印染廢水處理技術(shù)成為水處理的熱點(diǎn)問題。電芬頓技術(shù)是目前難生物降解有機(jī)廢水處理技術(shù)中研究較多的一種高效的高級(jí)氧化技術(shù)，它是借助電化學(xué)反應(yīng)直接生成Fe2+和H2O2，作為芬頓試劑的持續(xù)來源，芬頓反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基·OH，利用羥基自由基的無選擇性的強(qiáng)氧化能力達(dá)到脫色以及去除難降解有機(jī)物的目的［1］。該方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、氧化速率快、對(duì)污染物的去除率高等優(yōu)點(diǎn)而倍受人們的親睞［2-4］。另外，反應(yīng)過程中生成的Fe2+、Fe3+可以與氫氧根反應(yīng)生成Fe(OH)2、Fe(OH)3，這兩種物質(zhì)都帶有吸附效果，從而吸附廢水中的不溶顆粒和膠體物質(zhì)，形成絮體沉淀，使廢水水質(zhì)進(jìn)一步得到改善。研究通過電芬頓-混凝協(xié)同處理印染廢水。在印染廢水的處理當(dāng)中具有良好的推廣價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)用原水，取自某印染廠調(diào)節(jié)池，原水水質(zhì):COD 6 000 ～8 000 mg/L，色度1 ～10 萬，pH 8.5 ～9.5;亞甲基藍(lán)、濃硫酸、無水硫酸鈉、硫酸亞鐵、重鉻酸鉀、硫酸銀、鄰菲羅啉、硫酸亞鐵銨均為分析純。

KL035 防水型袖珍pH 測(cè)試筆;APS12-600-02低壓大電流穩(wěn)壓器;SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵;FA1004B 電子天平;DK-98-Ⅲ萬用電爐;EP-900 曝氣泵;HJ-3 恒溫磁力攪拌器。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

電芬頓-混凝協(xié)同處理印染廢水技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)包括5 個(gè)單因素實(shí)驗(yàn)和一組正交實(shí)驗(yàn)。單因素包括pH、電解電壓、電解時(shí)間、電解質(zhì)濃度、FeSO4投加量。正交實(shí)驗(yàn)為5 因素4 水平，通過方差分析最終確定最佳處理?xiàng)l件。

1.3 分析項(xiàng)目及方法

COD 采用重鉻酸鉀法，色度采用比色法［5］。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)分析

2.1.1 FeSO4投加量的影響 見圖1。

圖1 不同F(xiàn)eSO4 投加量對(duì)COD 和色度去除率的影響Fig.1 Effect of FeSO4 on removal rate

由圖1 可知，隨著FeSO4投加量的增加，COD、色度的去除率都是先增大后減小，在FeSO4投加量為180 mg/L 時(shí)COD、色度的去除率最高，分別為69.4%和96.88%。之所以會(huì)出現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象是因?yàn)镕eSO4主要通過吸附電中和作用使膠體顆粒脫穩(wěn)，當(dāng)加入FeSO4量較少時(shí)，F(xiàn)eSO4通過吸附電中和作用吸附膠體顆粒，混凝效果較好。隨著投加量的不斷上升，混凝效果達(dá)到最大值。當(dāng)投加量超過該峰值時(shí)，膠體顆粒帶上相反電荷，就會(huì)發(fā)生再穩(wěn)定現(xiàn)象，混凝效果下降。

2.1.2 pH 的影響 見圖2。

圖2 不同pH 對(duì)COD 和色度去除率的影響Fig.2 Effect of pH on removal rate

由圖2 可知，色度的去除率在pH 為2 ～6 時(shí)比較穩(wěn)定，都接近100%，在pH=6 時(shí)色度去除率達(dá)到99.95%，此時(shí)色度去除效果最好。COD 的去除率隨著pH 的變化先增大后減小，并在pH =3 時(shí)COD去除率最大，為87.4%。電芬頓反應(yīng)需要有足夠的H+，才能在陰極生成H2O2，所以電芬頓反應(yīng)必須在酸性條件下進(jìn)行。但當(dāng)pH 過低時(shí)，廢水中的H+過量，H+與自由電子生成氫氣，影響陰極H2O2的生成，從而影響了芬頓試劑的氧化效果。當(dāng)pH 較高時(shí)，廢水中的OH－與廢水中的Fe2+反應(yīng)生成氫氧化物，同樣影響芬頓試劑的氧化反應(yīng)［6-7］。

2.1.3 Na2SO4濃度的影響 見圖3。

圖3 不同電解質(zhì)投加量對(duì)COD 和色度去除率的影響Fig.3 Effect of Na2SO4 on removal rate

由圖3 可知，色度和COD 的去除率都是隨著Na2SO4濃度先增大后減小，當(dāng)Na2SO4濃度為1.8 g/L時(shí)兩者的去除率分別為99.90%和64.7%。這是因?yàn)殡S著電解質(zhì)濃度的增加，導(dǎo)電離子的數(shù)目不斷增加，印染廢水的導(dǎo)電性增強(qiáng)，從而加強(qiáng)了電芬頓的氧化效果。而當(dāng)濃度繼續(xù)增大時(shí)COD 去除效率開始下降是因?yàn)閺U水中的有機(jī)物、支持電解質(zhì)以及廢水中的其他離子共同承擔(dān)電流。當(dāng)電解質(zhì)的濃度過大時(shí)，有機(jī)物及其反應(yīng)中間體到達(dá)兩極的比例就會(huì)降低，從而降低了COD 去除率。

圖4 不同電解電壓對(duì)COD 和色度去除率的影響Fig.4 Effect of electrolytic voltage on removal rate

2.1.4 電解電壓的影響 見圖4。由圖4 可知，色度去除率受電解電壓的變化影響不大。而COD 的去除率隨著電解電壓的變化較為明顯，隨電壓的變化先增大后減小，當(dāng)電解電壓為6 V 時(shí)高達(dá)83.80%。這是因?yàn)殡S著電壓的升高，電流密度也相應(yīng)的變大，與此同時(shí)，·OH 和H2O2的產(chǎn)生量也隨之提高，促進(jìn)了芬頓氧化反應(yīng)的進(jìn)行，因此隨著電解電壓的升高，COD 的去除率也得到了提高。而當(dāng)電解電壓增加到一定的程度，電極的極化作用也會(huì)不斷增強(qiáng)，從而造成了電解液溫度的升高，電能大部分被用于提供熱量，從而導(dǎo)致了印染廢水中電流導(dǎo)電效率的降低。與此同時(shí)，當(dāng)溫度升高時(shí)，也促進(jìn)了H2O2的分解，從而減少了廢水中的芬頓試劑，影響氧化反應(yīng)的進(jìn)行。

2.1.5 電解時(shí)間的影響 見圖5。

圖5 不同電解時(shí)間對(duì)COD 和色度去除率的影響Fig.5 Effect of reaction time on removal rate

由圖5 可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的變化，色度的去除率變化不大。而COD 的去除率隨時(shí)間變化先上升后趨于平緩，電解20 min 時(shí)達(dá)到最大去除率64.7%。這是由于當(dāng)反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)，時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)越充分，而當(dāng)反應(yīng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，反應(yīng)已經(jīng)得到了充分進(jìn)行，污染物濃度和H2O2都很低，羥基自由基生成量較少，反應(yīng)速率降低，導(dǎo)致隨著時(shí)間的增加，處理效果趨于平穩(wěn)。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)分析

進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，因素水平見表1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和方差分析見表2。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì)Table 1 The orthogonal experiment design of L

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì)Table 1 The orthogonal experiment design of L

水平A B C D E pH 值 電解電壓/V電解質(zhì)濃度/(g·L －1)反應(yīng)時(shí)間/min FeSO4 投加量/(mg·L －1)1 2 4 1.4 15 140 2 3 6 1.6 20 160 3 4 8 1.8 25 180 4 5 10 2.0 30 200

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 The orthogonal experiment result

電芬頓-混凝協(xié)同處理印染廢水的正交實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于印染廢水的COD 去除效果影響因素的大小依次為:電解質(zhì)濃度＞pH 值＞反應(yīng)時(shí)間＞電解電壓＞FeSO4投加量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電芬頓-混凝協(xié)同處理印染廢水的最佳實(shí)驗(yàn)條件為A3B2C4D3E4，即pH 值為4，電壓6 V，反應(yīng)時(shí)間25 min，支持電解質(zhì)Na2SO4濃度2.0 g/L，F(xiàn)eSO4投加量200 mg/L，在此條件下色度及COD 的去除率可達(dá)到99. 9% 和87.4%。此方法具有高效、去除效果好、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)，在印染廢水的處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

(1)在酸性條件下，印染廢水的處理效果優(yōu)于堿性條件下的處理效果。

(2)電芬頓-混凝協(xié)同處理印染廢水影響因素的主次順序?yàn)?電解質(zhì)濃度＞pH 值＞反應(yīng)時(shí)間＞電解電壓＞FeSO4投加量。

(3)通過單因素實(shí)驗(yàn)及正交實(shí)驗(yàn)確定電芬頓-混凝協(xié)同處理印染廢水的最佳實(shí)驗(yàn)條件為pH 值為4，電壓6 V，反應(yīng)時(shí)間25 min，支持電解質(zhì)Na2SO4濃度2.0 g/L，F(xiàn)eSO4投加量200 mg/L，色度的去除率可達(dá)到99.9%，COD 去除率可達(dá)到87.4%。

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