基于電解法的廢水性能改進研究

馬曉玲

(1. 錫林郭勒盟民族高級技工學(xué)校, 內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000； 2. 內(nèi)蒙古師范大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 026340)

基于電解法的廢水性能改進研究

馬曉玲1,2

(1. 錫林郭勒盟民族高級技工學(xué)校, 內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000； 2. 內(nèi)蒙古師范大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 026340)

采用電解法進行制藥廢水性能改進,通過對某制藥工廠的生化二級廢水進行電解方法進行實驗表明,當槽電壓為6.5 V、極板間距為1.5 cm、初始pH值為5.2、NaCl質(zhì)量濃度為4.0 g/L、電解時間25 min的實驗條件時,能夠?qū)崿F(xiàn)COD去除率和色度去除率也達到最大值,分別達到50%和80%。可生化性性能分析表明,利用電解法處理制藥廢水可以顯著提高其生化性能,實現(xiàn)了少量電解質(zhì)、低電耗,在短時間內(nèi)去除COD,提高了其生物降解能力。

制藥廢水； 槽電壓； 極板間距； pH值； 電解時間

隨著化工類行業(yè)的發(fā)展,高濃度、難降解化工有機廢水的處理引起人們越來越多的關(guān)注。化工廢水的濃度較高[1-3],通常化學(xué)需氧量(COD)高達幾百甚至上千毫克/升,而其BOD5/COD(BoD5表示5天生需氧量)僅在 0.02～0.03 之間,因此具有較差的可生化性[4-5]。同時,化工廢水中含有的有機物通常具有助色團和生色團,因此化工廢水含有很高的濁度和色度[6-9]。由于此類廢水具有濃度高、無機鹽含量高和可生化性差等特點,采用常規(guī)處理工藝效果不甚理想[10-11]。化工廢水含有多環(huán)芳烴、雜環(huán)化合物、氰化物、石油烴和硫氰化物等多種強致癌物質(zhì), 如不經(jīng)過合理處置而排入水體會對水域周邊的人畜及農(nóng)作物造成嚴重危害[12-15]。

近年來隨著制藥行業(yè)規(guī)模的不斷擴張,制藥化工廢水成為了當前急需解決的新問題。采用常規(guī)廢水處理技術(shù)很難滿足國家污水綜合排放標準的要求,導(dǎo)致制藥廢水對環(huán)境造成的污染問題日益突出,嚴重威脅著人類健康,受到國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[16-17]。基于以上背景,本文采用電解法進行制藥廢水性能的改進研究。

1 材料

廢水；實驗廢水來源于某制藥工廠的生化二級出水,廢水呈褐色，色度為350～470度,CODCr(采用重鉻酸鉀測定的化學(xué)耗氧量)和TOC(總有機碳)分別為350～435 mg/L和130～155mg/L,含鹽量為6%～7%,pH為6.8～7.2。

試劑:硝酸、亞硝酸鈉、硫酸亞鐵、氫氧化鈉均分析純。實驗用活性炭來自山西新華活性炭廠，T-plot (非孔固體上的氮氣吸附量)孔容為0.114 7 cm3/g,BET 比表面積為884. 204 3 m2/g,Zeta 電位為-16.4 mV,平均粒徑為13.9 μm,孔徑為2.006 nm。

2 實驗裝置

電解方法中所用直流穩(wěn)壓電源為CN-ZAT3015D。電解槽體由有機玻璃制成,規(guī)格為22.0 cm×18.0 cm×16.0 cm；陽極為180 mm×12 mm,陰極為180 mm×12 mm,均為鈦電極。極板有效面積為13 cm×13.2 cm。實驗時用水量為2 L。

3 實驗方法

采用DSA電極電解處理抗生素廢水,考察不同初始COD負荷、初始pH、NaCl濃度、槽電壓、極板間距和電解時間下廢水COD、BOD5及色度去除率的影響,各因素的研究均采用單因子設(shè)計。

CODCr值的測量采用重鉻酸鉀法[14]。TOC采用Torch燃燒自動進樣分析儀(Teledyne Tekmar,USA)測定。BOD5采用BOD5自動測定儀(WTW OxiTop-12,德國)。比表面積測量使用氣相吸附比表面積測定儀(Quantachrome,USA)。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 電解時間對COD去除率的影響

通常電解時間越長,反應(yīng)進行得越久。初始pH值為5.2,初始COD負荷3 500 mg/L,NaCl質(zhì)量濃度為4.0 g/L,實驗結(jié)果見圖1，AC表示活性炭。

圖1 不同電解時間下COD去除率

由圖1可知：在前30 min,隨時間增加,COD去除率都顯著增加,并在30 min 時達到28%, COD去除率相對較低；25 min以后,COD去除率有一定提高,但不明顯。這說明電化學(xué)方法可以快速去除廢水中的有機物,但是在電化學(xué)反應(yīng)過程中制藥廢水中的有機污染物可能無法直接徹底氧化為CO2和H2O等簡單的無機物,主要生成中間產(chǎn)物,這些中間產(chǎn)物隨著電解過程的進行不斷積累,使COD去除率不再提高。基于以上結(jié)果,隨后的實驗電解時間都確定為25 min。

4.2 pH對處理效果的影響

圖2顯示了pH對制藥廢水處理效果的影響。實驗條件:槽電壓為6.5 V,極板間距為1.5 cm,初始COD負荷為3 500 mg/L,NaCl質(zhì)量濃度為4.0 g/L,電解時間為25 min。由圖2可知：pH=4時，在相同反應(yīng)時間內(nèi)COD的去除率最高；pH值越大，COD的去除率越小。這主要是因為在電化學(xué)反應(yīng)過程中,在陽極極板上Cl-失去電子,廢水在酸性條件下,活性氯以自由氯(HClO,Cl2)為主,pH降低,酸性增強,活性氯的氧化還原電位升高,氧化性增強,抑制析氧反應(yīng)的發(fā)生。pH值越低,廢水酸性越強,析氧電位越高,電解過程中副反應(yīng)越難發(fā)生,產(chǎn)生的活性氯能夠有效地去除廢水中的有機污染物,因此在酸性條件下,COD去除率較高。廢水在堿性條件下,活性氯主要以ClO-形式存在。

圖2 不同pH值下COD去除率

4.3 COD負荷對處理效果的分析

COD負荷對處理效果的分析見圖3。實驗條件:槽電壓為6.5 V,極板間距為1.5 cm,初始pH值為5.2,NaCl質(zhì)量濃度為4.0 g/L,電解時間為25 min。

圖3 不同廢水質(zhì)量濃度下COD和色度去除率

制藥廢水雜質(zhì)質(zhì)量濃度在5 500～4 000 mg/L時,COD去除率逐漸上升,隨后隨著初始進水COD負荷的降低,COD去除率也緩慢降低。制藥廢水質(zhì)量濃度5 000～2 000 mg/L時COD去除率在44%～51%之間變化,當廢水質(zhì)量濃度為3 200 mg/L時,COD去除率達到最大值51%。制藥廢水在電解過程中,隨著質(zhì)量濃度的提高, 反應(yīng)器中的傳質(zhì)過程增強,反應(yīng)速率加大。但是,如前所述,廢水中原有的部分有機污染物在電解過程中可能生成難降解中間產(chǎn)物,這些中間產(chǎn)物無法繼續(xù)被氧化。因此,當質(zhì)量濃度大于3 000 mg/L時,去除率有所下降。色度去除率在初始質(zhì)量濃度為3 200 mg/L 也達到最大值83%。因此綜合考慮COD及色度去除率,制藥廢水初始濃度為3 200 mg/L時,處理效果較好。

4.4 可生化性研究

為了評價廢水處理的可行性,對不同工藝處理的生化性進行了對比。一般使用BOD5/CODCr作為衡量廢水可生化性的指標,通常BOD5/CODCr>0.3時,即適用于生化法進一步處理。實驗測定了處理前后化工廢水的可生化性,對比了工藝對水樣可生化性的影響,結(jié)果見圖4。經(jīng)測量,原水的BOD5/CODCr僅為0.022,屬于不可生物降解的廢水,而經(jīng)過單獨氧化和催化氧化后BOD5/CODCr都有了明顯的上升,且隨著處理時間的增加,BOD5/CODCr越高,這表明利用電解法處理制藥廢水可以顯著提高其生化性能。

圖4 不同工藝處理化工廢水可生化性對比

4.5 正交試驗的件組合分析

由正交表1中的試驗結(jié)果可知,各因素對COD去除率的影響主次為槽電壓、電解時間、初始pH、NaCl質(zhì)量濃度。從表1可得到2種較好的實驗條件分別是:(1)槽電壓為6.5 V,極板間距為1.5 cm,初始pH=5.2,NaCl質(zhì)量濃度為4.0 g/L,電解時間為25 min；(2)槽電壓為7 V、初始pH=5、電解時間為90 min、NaCl質(zhì)量濃度為2.5 g/L。當槽電壓為7V時,BOD5/COD值均大于0.2,表明此槽電壓對改善廢水的生化條件更有優(yōu)勢。而通過正交分析, NaCl質(zhì)量濃度為2.5 g/L,大于其濃度為3.0 g/L時廢水的BOD5/COD值。

表1 原水及正交試驗數(shù)據(jù)

因此,基于以上結(jié)果,最佳實驗條件是槽電壓為6.5 V、電解時間為25 min、初始pH=6、NaCl質(zhì)量濃度為2.8 g/L。該方案實現(xiàn)了少量電解質(zhì)、低電耗,在短時間內(nèi)去除COD,提高其生物降解能力。這種條件組合方式更適合于指導(dǎo)預(yù)處理的工程應(yīng)用,既達到預(yù)期處理效果，又符合經(jīng)濟要求。

5 結(jié)論

文中采用電解法進行制藥廢水性能改進,通過對某制藥工廠的生化二級廢水進行電解方法改性,表明:當槽電壓為6.5 V、極板間距為1.5 cm、初始pH值為5.2、NaCl質(zhì)量濃度為4.0 g/L、電解時間為25 min的實驗條件時,能夠?qū)崿F(xiàn)COD去除率和色度去除率達到最大值,分別達到50%和80%。可生化性性能分析表明，利用電解法處理制藥廢水可以顯著提高其生化性能,實現(xiàn)少量電解質(zhì)、低電耗,在短時間內(nèi)去除COD,提高其生物降解能力。

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Study on performance improvement of wastewater based on electrolytic method

Ma Xiaoling1,2

(1.Xilin Gol League Nationalities’ Advanced Technician School, Xilinhot 026000, China; 2. College of Chemistry and Environmental Science, Inner Mongolia Normal University, Huhehot 026340, China)

The performance improvement of the pharmaceutical wastewater is carried out by the electrolytic method. The experiment of the biochemical grade-two wastewater from a pharmaceutical plant treated by the electrolytic method shows that when the cell voltage is 6.5 V, the plate spacing is 1.5 cm, the initial pH value is 5.2, the NaCl concentration is 4.0 g/L, and the electrolytic time is 25 min, the maximum values of the COD removal rate and the chroma removal rate can be realized, reaching 50% and 80% respectively. The biochemical performance analysis shows that using the electrolytic method to treat the pharmaceutical wastewater can significantly improve its biochemical performance. It is realized that COD is removed with small amount of electrolyte and low power consumption in a short period of time, and its biodegradability is improved.

pharmaceutical wastewater; cell voltage; plate spacing; pH value; electrolytic time

X787

: B

: 1002-4956(2017)09-0052-04

2017-02-15修改日期:2017-05-02

國家自然科學(xué)基金項目(41372306bnjh)

馬曉玲(1964—),女,河北定縣,本科,高級講師(副高),研究方向為化工工藝課教學(xué)改革.

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.014