一種低能耗電鍍廢水的預處理工藝

0 引言

隨著我國經濟持續深化改革，民眾生活水平得到提高，對于環保的重視程度也不斷提高，社會各界對于廢水處理的關注點，也從“能處理”向“處理好”轉變，越來越多的廢水處理工藝也逐步向著更智慧、更節能、更低碳的方向發展

。

3.2 加強科技創新，克服連作障礙 一是通過在土壤中加入有機物等措施以提高原有拮抗微生物的活性，改變土壤理化性質、提高土壤有益微生物菌群數量，減輕病蟲害的發生[7]。二是選用抗性品種，積極選育或引進高抗、多適的韭菜新品種。三是建立合理的耕作制度，合理的輪作和間、套作是解決連作障礙的最簡單有效的方法[8]；如武山縣龍泉鄉將韭菜與蘿卜、番茄、蘆筍等進行輪作，效果較好；也可在韭菜行間套種花椰菜、甘藍、蘿卜、白菜等，既能吸收吸收土壤中不同養分，又可減輕土傳病害的發生。四是科學合理施肥。

電鍍工藝生產工序復雜、產水點多，所以電鍍廢水水質具有波動性特點并含有大量重金屬及表面活性劑、光亮劑、絡合劑、穩定劑等高分子有機物

。這些污染物如果直接進入自然環境，將難以自然降解，其中的六價鉻會引起動物的皮膚疾病和癌癥

，氰化物可對動物的肝臟和神經系統造成損害

。因此電鍍廢水的妥善處置一直受到社會的廣泛關注，但由于復雜的污染物組成，通過單一的處理過程達到處理效果都會面臨高能耗問題，所以分步處理電鍍廢水更能達到既滿足處理需求又能降低能耗的目的。

要在重視學校創新創業教育的基礎上加大社區創客教育與高校創新創業教育的聯動機制，激發合力，努力將社區創新教育糅合到社會經濟結構的各個環節中去，不斷進化和完善社區教育體制，構建社區教育資源共享機制［1］。

廢水處理環節中主要能耗是電能，節能降耗技術于廢水處理而言不是單純的節電，還可以表現在提升設備能效性能、提高廢水回用率和優化調整處理工藝等舉措

。

自發表以來，日本的井上紅梅、佐藤春夫、竹內好、增田涉、高橋和巳、松枝茂夫等十多人紛紛翻譯過《故鄉》。使得該作品在日本廣泛傳播，至今仍被收錄進日本的中學教材。本文選取了井上紅梅譯本和竹內好譯本作為研究對象。

2.1.2 Fe投加量的影響

在

（Fe

）:

（H

O

）=1:1、pH=2.5、反應時間為2 h 的條件下，考察H

O

投加量對處理效果的影響。根據質量比H

O

:COD=1:1 時純H

O

投加量為 1.5 g/L，折合 27.5%H

O

投加量為 5.5 g/L。由圖1（a）可知，氰化物的去除率隨著H

O

投加量增加而提高。COD的去除率在H

O

投加量為8.2 g/L時最高，但相比H

O

投加量為5.5 g/L 時的去除率并無明顯提高，反而隨著投加量的繼續增加而下降，說明H

O

的投加量并非越大越好。考慮以上因素，取優化H

O

投加量為質量比H

O

:COD=1:1，此時的COD 和氰化物的去除率分別可以達到55.99%和94.95%。

1 實驗材料與方法

1.1 電鍍廢水水質

在H

O

投加量為質量比H

O

:COD=1:1、pH=2.5、反應時間為2 h的條件下，考察Fe

投加量對處理效果的影響。由圖 1（b）可知，

（Fe

）:

（H

O

）=1:3時處理效果最佳，

（Fe

）:

（H

O

）=1:4時處理效果次之，二者效果差異小，其它比例的條件下，去除率均明顯下降。

（Fe

）:

（H

O

）=1:1 時效果最差，說明Fe

的投加量并非越大越好。考慮以上因素，取優化Fe

投加量為

（Fe

）:

（H

O

）=1:4（Fe

投加量為1.2 g/L），此時COD和氰化物的去除率分別可以達到61.4%和96.7%。

1.2 試劑與儀器

藥劑：陰離子PAM（工業級，上海麥克林生化科技有限公司）；FeSO

·7H

O、NaHSO

、1:1 硫酸、27.5%H

O

和20%Ca（OH）

（分析級，國藥集團化學試劑有限公司）。

儀器：RT-5 數顯磁力攪拌器，德國IKA；FE-20 pH 計，瑞士梅特勒；ICP-OES 710 電感耦合等離子體發射光譜儀，美國瓦里安；DR6000 分光光度儀，美國哈希；DRB200 加熱消解儀，美國哈希。

1.3 流程及實驗方法

電鍍廢水中的氰化物以及部分重金屬含量較高，它們對于活性污泥及其微生物具有負面影響，所以在進入生化系統前必須進行預處理。取電鍍廢水于燒杯中，燒杯置于磁力攪拌器上進行攪拌，使用1:1硫酸溶液將pH調節至酸性，固定反應時間為2 h，依次如表2 進行Fenton 氧化反應的單因素實驗，待Fenton 反應完成后取上清液檢測COD 和氰化物含量，剩余水樣如表2 繼續進行還原沉淀的單因素實驗，待反應完成后，投加20%CaOH 調節pH 至 8.5 左右，投加陰離子 PAM 0.5 mg/L 進行絮凝，靜置沉淀10 min 后上清液即為預處理出水，對其進行重金屬含量的檢測分析。

1.4 分析方法

pH 采用梅特勒 FE-20 pH 計測定，COD 采用重鉻酸鉀法測定，金屬離子采用電感耦合等離子體發射光譜儀測定，氰化物采用異煙酸-吡唑啉酮比色法測定。

2 結果與分析

2.1 Fenton氧化單因素實驗

Fenton氧化反應結束后，pH為3.5左右，可以直接進行還原沉淀實驗。先進行Fenton氧化反應再進行還原沉淀，不但是因為避免后產生的·OH 將Cr

重新氧化為Cr

，也可以減少一次調節pH值的操作。

江蘇省某汽配工廠會產生電鍍廢水，希望可以通過一種低能耗的預處理手段提高該廢水的可生化性，將其引入該廠的生化系統進行處理，因為生化系統在所有廢水處理方法中的能耗相對較低

，最終達到電鍍廢水處理工藝得以降低能耗的目的。所以針對該工廠的電鍍廢水進行Fenton 氧化-還原沉淀處理，分別考察重金屬、氰化物、COD的去除率，同時計算能耗數據，以確定最佳的反應條件，最終希望可以通過使用優化條件下的Fenton氧化-還原沉淀作為低能耗的預處理方法，提高該廢水的可生化性，將其接入企業的生化系統處理。

目前，電鍍廢水的處理工藝按照處理原理可簡單分為物理方法、化學方法和生物方法

。物理方法不僅能耗高，還有高濃度的濃縮廢液需要處理，因為電鍍廢水中的一些物質具有生物毒性，所以一般無法直接運用生物法。相較之下，化學法的能耗更低、效果更好，作為電鍍廢水的預處理方法更合適。

在長榮人看來，印后智能化、機器代人、綠色環保，在今后相當長的一段時期，都將成為各大印刷包裝企業關注的焦點。而對于印刷行業未來發展之路的探尋，長榮股份已經做好準備。

水樣取自江蘇省某汽配工廠，為了使所取水樣更具有一定的代表性，取樣時間間隔在一周左右，以A 至E 字母對水樣進行了命名。經過檢測，廢水中的總鉻、總鋅、氰化物和COD 等指標均較高，并均有較大波動性，水體pH 值從強酸性至強堿性均有分布，具體水質情況見表1。根據檢測數據，認為其中 B、D 和 E 廢水可屬于普遍性水質，A 和 C 廢水屬于極端性水質，為使優化條件可以盡可能地適用于波動性水質電鍍廢水，重點對E廢水進行了Fenton氧化和化學沉淀的單因素實驗，并使用A至D水樣進行論證實驗。

在

（Fe

）:

（H

O

）=1:4、H

O

投加量為質量比H

O

:COD=1:1、反應時間為2 h的條件下，考察pH值對處理效果的影響。由圖1（c）可知，反應pH 為2.0～3.5時去除率均有緩慢下降趨勢，pH＞3.5時去除率急劇下降，說明 pH 值越接近 2.0 時，Fenton 氧化的效果越好。后續Cr

的還原沉淀在pH＜4.0的條件下進行，過低的pH 并不會明顯提高重金屬去除效率

，同時需要考慮采用更少的硫酸消耗量。考慮以上因素，取優化pH值為3.0，此時COD和氰化物的去除率分別可以達到62.2%和96.2%。

2.2 還原沉淀單因素實驗

2.1.1 HO投加量的影響

分別固定反應時間為10 min 和20 min 的條件下，完成了不同NaHSO

投加量時還原沉淀處理效果的影響，由圖2 可知，反應時間為20 min 時總鉻的去除效果越好，總鋅的去除率無明顯差別。NaHSO

的投加量越大金屬去除率則越大，當投加量超過300 mg/L 時，去除率開始無明顯提高。取優化反應時間為20 min 和NaHSO

的投加量為300 mg/L時，此時NaHSO

與重金屬（總鉻和總鋅）的質量比約為5:1，總鉻和總鋅的去除率分別可以達到97.3%和99.4%。

2.3 Fenton氧化-還原沉淀作用機理

依據KPI設計的基本原理，在設計課堂教學質量預警指標時，可以從學生、教師、課堂效果三個維度出發，分析關鍵要素，量化少數關鍵指標，依據KPI指標，再去設定覆蓋課堂教學全過程、涵蓋教學質量全要素的預警指標。學生發展維度主要從學習方法、能力提升、知識運用、職業素養四個方面著手；教師教學維度主要聚焦教學計劃、教學形式、師德素養、文化傳承等方面[4]；課堂效果則包括教師授課狀態、學生參與狀態、師生互動狀態、目標達成狀態。課堂教學質量預警指標具體要素及KPI指標如表1所示：

在Fenton氧化階段，處理效果并不與藥劑投加量呈現正相關關系，這是由于：H

O

和Fe

少量投加時，會直接導致·OH 的生成不足，繼而降低氧化效率；大量投加H

O

時，水中殘余H

O

會對COD檢測產生正向影響

；大量投加Fe

時，會產生過多的·OH，·OH會被消耗用于產生Fe

，留有過多殘余氧化物質還會影響后續的還原反應效果，所以在Fenton氧化階段，藥劑投加量并不是越大越好。

因為電鍍廢水中既含有有機物也含有重金屬，所以只采用Fenton 氧化或者還原沉淀其中一種方式都很難同時解決這兩個問題。Fenton 氧化需要投加Fe

和H

O

，在酸性條件下，Fe

催化分解H

O

產生·OH

，·OH可以通過與不飽和鍵的結合、取代飽和鍵上的氫離子或者電子轉移的方式對有機物進行降解

；還原反應需要投加NaHSO

，在pH＜4.0時，Cr

主要以Cr

O

形式存在，借助還原劑完成還原為Cr

的反應

。以上反應結束后，投加Ca（OH）

調高pH，降解產物、Cr

與Ca（OH）

吸附共沉淀，投加陰離子PAM通過絮凝將污泥和液體分離，最終去除水中的有機物、COD和重金屬。上清液可以繼續進入生化系統經處理后外排或者深化處理后回用，富集重金屬的污泥可以通過回收技術再利用

。

在還原沉淀階段，處理效果與藥劑投加量呈現正相關關系，這是由于過量的還原劑并不會影響電感耦合等離子體方法檢測重金屬含量，并且還原劑并不需要通過與其它物質在水中進行反應后產生副產物進行重金屬還原，所以不存在類似Fenton反應的問題，但是出于低能耗考慮，過量的還原劑會產生過多的污泥，也會增加污泥處理時的能耗。

2.4 優化條件的論證實驗

從取樣的廢水水質得出，該廢水的水質波動性較大，為了證明Fenton氧化-還原沉淀針對E廢水的優化反應條件可以適用波動性水質電鍍廢水，所以使用優化條件對A至D廢水進行了論證實驗。由圖3可知，總鉻、總鋅和氰化物的去除率均可以達到95.8%以上，COD的去除率可以達到55.6%以上，其中pH值較高的A 水樣處理效果偏差，總體的處理效果仍比較穩定，可以證明優化后的Fenton氧化-還原沉淀方法可以對多種電鍍廢水進行預處理。

3 預處理階段能耗分析

Fenton 氧化-還原沉淀處理階段的主要能耗為電能，其中潛水攪拌器和廢水提升泵是該預處理單元主要耗能的設備。以100 m

/d 的廢水量，每日分兩批處理，每次處理時間為6 h，需要直徑約5.64 m、水深2 m 的圓形池，則可以選用葉輪直徑260 mm、葉輪轉速740 r/min、額定電流2 A的潛水攪拌器，攪拌速度為0.20 m/s 時，其電機工作功率約為0.50 kW，每天約工作6 h，則潛水攪拌器每日需耗電3.0 kWh。再以6 m作為實際揚程，廢水提升泵泵流速為10 t/h，水泵效率取為0.7，利用廢水提升泵功率公式（1）計算，其每日耗電量為2.4 kWh。所以水量100 m

/d 的電鍍廢水預處理單位能耗約為0.054 kWh/m

。一般廢水生化處理系統中預處理環節能耗占總能耗的20%左右

，所以該廢水的處理總體單位能耗約為0.270 kWh/m

。另有對中國千余座廢水處理廠的數據分析表明，我國的廢水處理單位能耗均值為（0.317±0.229）kWh/m

，則其中廢水預處理單位能耗均值約為（0.063±0.046）kWh/m

，相較之下，Fenton 氧化-還原沉淀預處理工藝屬于能耗更低的預處理工藝，并且單位能耗仍會隨著處理規模的增大而減小

。

ρ——廢水的密度，取1.0×10

kg/m

；

4.2.3 針對心態不好的運動員，需要培養他們果斷下手的能力，把平時訓練當做比賽，把比賽當做訓練，通過訓練和比賽的相互轉換，從而克服緊張的情緒。

g——重力加速度，取9.81 m/s；

Q——廢水泵的實際流量，m

/s；

構建完最優路徑規劃模型后，最優路徑規劃便化為了簡單的混合整數非線性規劃問題。其求解方式很多，不再贅述。每次的規劃路徑輸出以后經過一個小延時，便開始進行下一輪的規劃，由此便能實現實時路徑規劃。該流程能夠保證在充電站稀疏地區和密集地區，用戶的實際需求均能得到滿足。

H——為廢水泵的實際工作揚程，m；

首先，優勢特色產業快速發展，奠定了農村一、二、三產業融合發展的良好基礎。近年來，各級政府大力培植農業優勢主導產業，逐步形成了優質專用小麥、優質稻米、食用菌、蔬菜、奶牛、大閘蟹、冬棗等一批專業化生產基地及優勢產業帶。

η

——為水泵的效率，取0.65～0.85；

η

——為電機的效率，取0.95。

4 結束語

Fenton 氧化-還原沉淀工藝單位能耗約為0.054 kWh/m

，與推算的全國廢水預處理單位能耗均值相比屬于低能耗預處理工藝。在低能耗運行情況下，Fenton氧化的最佳條件為反應時間為2 h，H

O

投 加 量 為 質 量 比 H

O

:COD=1:1、n（Fe

）:n（H

O

）=1:4、pH=3.0。還原沉淀的最佳條件為反應時間20 min，NaHSO

投加量與重金屬（總鉻和總鋅）的質量比約為5:1。最終可以將總鉻、總鋅和氰化物的去除率達到95.8%以上，有效提高了電鍍廢水的可生化性。在實際運行中還可以繼續進行節能改進，比如升級電機變頻技術、利用廢水站屋頂面積引進光伏供能等，可持續開展廢水處理環節的節能降耗工作。

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