鐵碳微電解法在實(shí)際處理染料廢水中的應(yīng)用

馬丹丹，李立春，王玉潔，張晶（天津市聯(lián)合環(huán)保工程設(shè)計(jì)有限公司，天津300191）

鐵碳微電解法在實(shí)際處理染料廢水中的應(yīng)用

馬丹丹，李立春，王玉潔，張晶
（天津市聯(lián)合環(huán)保工程設(shè)計(jì)有限公司，天津300191）

采用鐵碳微電解法處理某實(shí)際染料廢水，考察廢水初始pH值、固液比、鐵碳比和反應(yīng)時(shí)間對(duì)廢水處理效果的影響。結(jié)果表明，當(dāng)初始pH值為2，鐵投加量為11g/L，鐵碳比為1:1，反應(yīng)時(shí)間60min時(shí)，出水水質(zhì)最好，廢水脫色率為73%，平均COD去除率達(dá)到44%。通過(guò)鐵碳微電解對(duì)染料廢水進(jìn)行預(yù)處理，不僅提高廢水的可生化性降低后續(xù)工藝的處理負(fù)擔(dān)，還可以廢治廢，是預(yù)處理高濃度燃料廢水的有效方法之一。

鐵碳微電解；染料廢水；廢水處理

染料生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)消耗大量的工業(yè)用水，其中12%會(huì)以廢水的形式排放。廢水水質(zhì)因產(chǎn)品工藝、種類等的不同而有較大差異。其可生化性差，具有毒性，鹽度與色度較高[1]，且水質(zhì)變化快[2]。近年來(lái)由于染料廢水水量持續(xù)增長(zhǎng)，其對(duì)環(huán)境的危害與日俱增，進(jìn)而環(huán)保部門對(duì)廢水排放的監(jiān)察力度加大，有的工廠和某些產(chǎn)品面臨停產(chǎn)。

鐵碳微電解法是在酸性條件下，利用鐵屑和活性炭間的電勢(shì)差與金屬腐蝕原理，形成無(wú)數(shù)微原電池對(duì)廢水進(jìn)行電化學(xué)處理的工藝。反應(yīng)中鐵屑為陽(yáng)極，碳粒為陰極，溶出的二價(jià)鐵離子有混凝作用，吸附帶有微弱負(fù)電荷的懸浮物和膠體，最終沉淀去除。此方法將廢棄鐵屑加以利用，實(shí)現(xiàn)以廢治廢，在實(shí)際運(yùn)行中操作方便、費(fèi)用低，出水水質(zhì)也較好，為后續(xù)處理工藝提供良好條件[3]。

采用鐵碳微電解法處理某工廠染料生產(chǎn)廢水。反應(yīng)器由三個(gè)電解柱串聯(lián)構(gòu)成，可增大處理水量，便于后續(xù)水質(zhì)檢測(cè)。考察初始pH值、固液比、鐵碳比和反應(yīng)時(shí)間對(duì)COD去除率及脫色率的影響，為其在廢水治理工藝中的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水由天津某染料廠提供，廢水顏色較深，沒(méi)有明顯氣味，COD濃度與鹽度均較高。其水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 廢水水質(zhì)

鐵碳微電解調(diào)料目前已產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品孔隙率大且質(zhì)輕。本試驗(yàn)為考察鐵碳比的影響，選用車間廢鐵屑與活性炭按比例配置。廢鐵屑收集皂洗除油后用10%的NaOH浸泡起到活化的作用，使用前用清水沖洗去除雜質(zhì)。本試驗(yàn)主要考察電解對(duì)有機(jī)物去除的效果，要避免活性炭對(duì)污染物的吸附作用，因此活性炭浸泡在試驗(yàn)廢水中儲(chǔ)存，使其處于吸附飽和的狀態(tài)。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

反應(yīng)器由三個(gè)鐵碳微電解柱串聯(lián)構(gòu)成以提高反應(yīng)器的有效容積。鼓氣泵從柱體底部對(duì)其進(jìn)行間歇式曝氣，以緩解鐵板板結(jié)、增強(qiáng)傳質(zhì)條件。通過(guò)蠕動(dòng)泵的作用使廢水在三個(gè)柱內(nèi)循環(huán)。裝置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.3試驗(yàn)項(xiàng)目檢測(cè)方法

pH值：玻璃電極法；色度：稀釋倍數(shù)法；COD：重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)法。

1.4試驗(yàn)方法

原水用氫氧化鈉溶液調(diào)pH值備用，根據(jù)具體試驗(yàn)條件加入適量廢水。按一定的鐵投加量稱取適量鐵屑與碳粒，再按設(shè)計(jì)的固液比加入到電解柱內(nèi)。打開(kāi)曝氣泵從底部對(duì)微電解柱進(jìn)行間歇式曝氣，以達(dá)到緩解鐵碳板結(jié)的作用。為使廢水在三個(gè)電解柱內(nèi)混合均勻，每20min開(kāi)通磁力泵運(yùn)行2min。采用單因素法考察進(jìn)水pH值、固液比、鐵碳比和反應(yīng)時(shí)間對(duì)COD去除率及脫色率的影響。反應(yīng)器出水用NaOH調(diào)節(jié)pH值到9～10，再經(jīng)0.45μm膜過(guò)濾后進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。

2結(jié)果與討論

2.1初始pH值對(duì)處理效果的影響

為考察初始pH值對(duì)運(yùn)行效果的作用，固定鐵碳比為1:1、鐵投加量為10g/L、反應(yīng)時(shí)間1h，選取不同初始pH值（1、2、3、4）進(jìn)行試驗(yàn)。處理結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 初始pH值對(duì)處理效果的影響

由圖2可以看出，進(jìn)水的初始pH值對(duì)出水水質(zhì)影響較大。經(jīng)過(guò)60min的電解作用后，在pH值取1時(shí)處理效果最好，脫色率達(dá)到70%，COD去除率達(dá)到了37%。出水的COD去除率及脫色率隨進(jìn)水初始pH的增加而快速降低。這是因?yàn)檫M(jìn)水pH越高，氧的電極電位隨之提高，鐵屑與碳之間的電極差相應(yīng)也越大，對(duì)有機(jī)物的降解作用越好。鐵碳微電解反應(yīng)會(huì)生成大量的H+、Fe2 +。溶液中的高分子有機(jī)物與H+發(fā)生氧化還原反應(yīng)，大分子鏈分解為小分子鏈，提高了其可生化性，利于后續(xù)生化處理工藝的運(yùn)行。生成的Fe2 +是一種高效絮凝劑，與廢水中的膠體及懸浮物發(fā)生吸附、凝聚及共沉淀作用，從而降低廢水的濁度與色度。

適宜的酸度有利于反應(yīng)的運(yùn)行，但過(guò)低的pH值不僅會(huì)增加運(yùn)行成本，在后續(xù)回調(diào)pH值時(shí)也會(huì)增大投藥量，并且會(huì)增大容鐵量，鐵屑腐蝕嚴(yán)重，鐵碳電勢(shì)差降低。溶液中過(guò)多的Fe2+不僅會(huì)增大廢水的色度還會(huì)和H+反應(yīng),破壞絮凝體,影響沉淀作用使處理效果變差[4]。因此,進(jìn)水pH值應(yīng)調(diào)整到偏酸性,取4～6為宜,實(shí)際應(yīng)用中也需根據(jù)廢水水質(zhì)而定。

2.2固液比對(duì)處理效果的影響

按pH值為2，鐵碳比1.5:1，反應(yīng)時(shí)間60 min，考察在不同鐵投加量（9,10,11,12,13g/L）條件下出水水質(zhì)，結(jié)果如圖3所示。

固液比決定了電解柱的有效容積，進(jìn)而影響處理工藝的效率，所以選擇合適的固液比不僅影響處理效果還關(guān)系到運(yùn)行成本。試驗(yàn)表明，隨著鐵投加量的增加，COD去除率與脫色率逐漸提高，水質(zhì)最好時(shí)COD去除率為45%，脫色率為73%，此時(shí)鐵投加量為11g/L。繼續(xù)增加鐵投加量處理效果反而逐漸降低，脫色率相對(duì)穩(wěn)定。這是因?yàn)殍F投加量越多,體系內(nèi)微原電池的數(shù)量也相應(yīng)增多,電解作用增強(qiáng)，污染物降解效果提高。但當(dāng)體系中鐵含量超過(guò)一定值后,會(huì)影響原電池的腐蝕效果,致使出水水質(zhì)較差。綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素與鐵碳板結(jié)等因素，廢鐵屑投加量取11.0 g/L為宜。

2.3鐵碳比對(duì)處理效果的影響

按初始pH值為2，鐵投加量為11g/L，反應(yīng)時(shí)間1h，考察不同鐵碳比（2:1，1.5:1，1:1,1:1.5，1:2）對(duì)廢水處理效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖3 鐵投加量對(duì)處理效果的影響

圖4 鐵碳比對(duì)處理效果的影響

由圖4可知，隨著鐵屑與碳粒的質(zhì)量比增加，COD去除率及脫色率先緩慢升高后逐漸降低，當(dāng)比值為1∶1時(shí)廢水處理效果最好。在其它條件相同的情況下，反應(yīng)1 h后，出水COD去除率為48%，脫色率為76%。這是因?yàn)樵阼F碳總質(zhì)量一定的條件下，增加鐵碳比使水體中鐵含量增加，進(jìn)而增大了體系中原電池?cái)?shù)量。適量的活性炭與鐵屑之間形成無(wú)數(shù)的原電池，對(duì)廢水中的有機(jī)物降解處理?；钚蕴磕苁固盍媳３忠欢ǖ目紫堵剩瑸轶w系提高良好的水利條件并防止鐵屑結(jié)塊。但當(dāng)鐵碳比過(guò)大時(shí)，活性炭數(shù)量過(guò)少，廢水中鐵屑與碳粒間形成的原電池?cái)?shù)量減少，富余的鐵粉與氫離子直接反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和Fe2+，新生態(tài)［H］濃度降低，有機(jī)物降解作用降低，水處理效果變差，并且較高的鐵碳比會(huì)增大運(yùn)行成本。

2.4反應(yīng)時(shí)間對(duì)處理效果的影響

調(diào)節(jié)廢水pH值到2，控制鐵投加量為11g/L,鐵碳比為1:1，對(duì)比不同反應(yīng)時(shí)間下（20,40,60,80, 100min）對(duì)廢水處理效果，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)處理效果的影響

由于各類廢水所含污染物種類、濃度不同，其對(duì)應(yīng)的最佳反應(yīng)時(shí)間也有差異。電解時(shí)間越長(zhǎng)反應(yīng)進(jìn)行的越充分，出水水質(zhì)也相應(yīng)越好。但過(guò)長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間不僅會(huì)降低處理效率，還會(huì)溶出大量的Fe2+，并氧化成Fe3+，三價(jià)鐵離子呈棕黃色，會(huì)增加水體色度[5]。

由圖4可知，隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng)，COD去除率先快速升高后逐漸降低，廢水脫色率呈快速升高后逐漸穩(wěn)定的特點(diǎn)。在反應(yīng)進(jìn)行到60min時(shí)，COD去除率達(dá)到44%，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，COD去除率開(kāi)始下降，脫色率基本穩(wěn)定。剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，鐵的溶解量，微型原電池的數(shù)量增加，溶液中產(chǎn)生的［H］、Fe2+、Fe3+量增加，對(duì)各類污染物的降解、吸附及絮凝作用增強(qiáng)[6]。繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間處理效果下降，這是由于電附集作用使得電極上被有機(jī)物包裹，并且鐵電極由于氧化環(huán)境，極易結(jié)塊，出現(xiàn)溝流等現(xiàn)象，大大影響處理效果。將反應(yīng)控制在1h內(nèi)不僅可以處理更多量的廢水以提高運(yùn)行效率還可以節(jié)省運(yùn)行成本。綜上考慮，建議企業(yè)在運(yùn)行水處理設(shè)施時(shí)根據(jù)水質(zhì)特點(diǎn)選擇最佳反應(yīng)時(shí)間。

3結(jié)論

（1）采用鐵碳微電解法處理印染廢水中的污染物質(zhì)可獲得較好的預(yù)處理結(jié)果，表明其具有實(shí)用性。該化工廠的染料廢水經(jīng)三個(gè)電解柱循環(huán)處理后，廢水脫色率為73%；平均COD值由起初的34000 mg/L降到為1800 mg/L，去除率達(dá)到44%。

（2）鐵碳微電解法在處理此染料廢水時(shí)的最佳的運(yùn)行條件為：進(jìn)水初始pH值為2，鐵投加量為11g/ L，鐵碳比為1:1，運(yùn)行時(shí)間60min。

（3）采用微電解法預(yù)處理染料廢水經(jīng)濟(jì)可靠,投資和運(yùn)行費(fèi)用低，具有以廢治廢,節(jié)約成本的特點(diǎn)，是值得推廣的染料廢水前處理方法。

（4）采用鐵碳微電解法處理廢水需要預(yù)先調(diào)節(jié)pH值，會(huì)消耗大量藥劑，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合本廠自身特點(diǎn)，盡量通過(guò)廢棄物再利用的方式減少投藥量以降低成本與污染。

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Study on the treatment of dyeing wastewater by Internal Electrolysis

MA Dan-dan,LI Li-chun,WANG Yu-jie,ZHANG Jing
(Tianjin United Environmental Engineering Design Co. Ltd, Tianjin 300191, China)

The wastewater from dye production process was treated by ferric-carbon internal electrolysis. The factors affectingthe removal of color and COD from the wastewater were investigated，such as original pH,ratio of solid to liquid，ratio of Fe to C and reaction time. Research on the most influence factors showed that when the original pH was 2,the amount of iron was 11g/L，the volume ratio of iron to carbon was 1∶1 and the reaction time was 60min，the process can get an excellent removal rate in the experience. After 30 hours treatment，the decolorizingrate was 73%，and the removal rate of COD was 44%. Considering treatment effectiveness and economical cost，ferric-carbon internal electrolysis technology could be effective and feasible .

ferric-carbon internal electrolysis；dye-wastewater；wastewater treatment

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.02.010

X788

A

1008-1267（2016）02-0032-04

2015-11-20

馬丹丹(1988-),助理工程師,碩士,主要從事污水處理研究。