曝气循环微电解工艺预处理印染废水的研究

　　摘要：实验采用曝气循环微电解工艺预处理印染废水。结果表明：在曝气量为1.0 m3/h、循环时间6 h、进水pH值为3,V(Fe)∶V(C)为1∶1、反应温度为55℃、循环流速1 L/min的最佳条件下，印染废水的色度及COD去除率分别达到95.0%和68.0%。该工艺对印染废水具有较好的去除效果，是一种廉价、简便的预处理方法。
　　关键词：循环微电解；预处理；印染废水；曝气作用
　　中图分类号:X7文献标识码:A文章编号:1674-4829（2010）S2-0028-03
　　印染废水具有水量大、有机污染物含量高、色度深、碱性高、水质变化大等特点，此外由于染料分子结构复杂、变化多样，因此其生化性差、不易脱色，属难处理的工业废水。目前印染废水的处理方法有氧化法、吸附法、反渗透法、电解法、絮凝沉淀法、混凝-生化法等[1-3]。其中铁碳微电解法因其工艺简单、操作方便、运行费用低等优点，已越来越多地用于印染废水的预处理。微电解的基本原理是利用铁屑和活性炭，形成无数微小的原电池，其中Fe为阳极，C为阴极，在电极反应中得到具有较强活性的新生态[H]，与有机物发生氧化还原作用[4－5]。
　　在微电解工艺中进行曝气处理，则可以提高废水中氧含量，增加电子受体的数量，扩大电极反应的电势差，提高氧化还原电位，从而强化微电解的作用。此外曝气可以加快废水和铁碳接触面的更新，加速铁的溶出，促进铁碳表面物质的去除，提高微电解反应速度，同时促进微电解产物氧化从而有利于提高絮凝作用[6-7]。
　　1·实验部分
　　1.1实验材料
　　实验中所用印染废水取自青岛凤凰印染有限公司，外观为深蓝色，实际排放水温约为50℃，色度为1 600倍，ρ（COD）为2 210 mg/L。铁屑为工业废弃刨铁花，平均粒径在8～10 mm之间。铁屑使用前先用NaOH溶液(质量分数为10%)浸泡洗去表面油污，然后冲洗干净，放入质量分数为5%的HCl溶液浸泡至有大量气泡产生以去除表面氧化物。活性炭为棒状颗粒，长度在10 mm左右。
　　1.2实验装置
　　实验装置示意图见图1，在Φ200 mm×500 mm圆柱形有机玻璃反应器中，填入一定体积比的废铁屑与活性炭作为微电解床，微电解床的有效高度约为400 mm。印染废水通过水泵由反应器底部逆流与微电解反应床接触，再由顶部出口回流至恒温水浴池，以保证反应过程中温度保持一致。在反应器下方放置曝气头，调节曝气量。 　　1.3分析方法
　　COD的测定采用重铬酸钾法；色度测定采用稀释倍数法；pH值由pHS-3C精密酸度计测定。
　　2·结果与讨论
　　2.1曝气对降解效果的影响
　　在进水pH值为7，V(Fe)∶V(C)为1∶1，循环时间4 h，循环流速5 L/min，反应温度为50℃时，调节曝气量分别为0，0.5，1.0和2.0 m3/h，考察曝气量对处理效果的影响，其结果见表1。 　　由表1可以看出，曝气大大提高了循环微电解工艺处理印染废水的效果。未进行曝气处理时，废水色度和COD的去除率仅有58.2%和33.8%，当向反应器中曝气达1.0 m3/h时，色度和COD的去除率分别上升到70.7%和40.1%，这说明对循环微电解工艺起到了明显的强化作用。然而，进一步增大曝气量则对去除效果影响不大，这可能是由于大量的气泡影响了废水与铁炭的接触，此外过度的搅拌作用也影响了Fe(OH)3和Fe(OH)2絮凝体的形成。因此，综合考虑去除效果和曝气过程中的动力消耗，确定反应中最佳的曝气量为1.0 m3/h。
　　2.2循环时间对降解效果的影响
　　在进水pH值为7，V(Fe)∶V(C)为1∶1，曝气量为1.0 m3/h，循环流速5 L/min，反应温度为50℃时，调节废水在反应器中的循环时间分别为0.5，1，2，4，5，6，7和8 h，考察循环时间对处理效果的影响，其结果见图2。 　　由图2可以看出，染料废水色度和COD的去除主要发生在反应前6 h，在此阶段色度和COD的去除率分别达到80%和52.4%。继续延长反应时间，两者几乎不再变化。这是由于随着反应时间的延长，活性炭的吸附已经达到了饱和。同时曝气作用也加剧了铁屑表面的腐蚀，长时间的曝气微电解反应造成铁屑氧化、板结，不但无法继续形成原电池反应，废水中溶出Fe2+和Fe3+的量也相应减少。因此实验中确定最佳循环时间为6 h。
　　2.3 pH值对降解效果的影响
　　在V(Fe)∶V(C)为1∶1，曝气量为1.0 m3/h，循环时间为6 h，循环流速5 L/min，反应温度为50℃时，调节进水pH值分别为1，3，5，7，9，11和13，考察pH值对处理效果的影响，其结果见图3。 　　由图3可以看出，pH值是影响处理效果的重要因素之一。但是各种印染废水降解情况和pH值之间的关系并不完全一致，这说明染料分子结构的不同，其受pH值的影响也是不一样的[8]。在本实验中，当pH值为3时，印染废水中色度和COD的去除率达到最高，而随着pH值的进一步升高，二者均呈下降的趋势。这是由于在偏酸性的条件下微电解床发生以下反应：O2+4H++4e-→2H2O，E0(O2)=1.23 V，在中性或碱性条件下发生反应为O2+2H2O+4e-→4OH-，E0(O2/OH-)=0.41V，而在废水降解过程中起到主要作用的为酸性条件下的反应。
　　2.4铁炭体积比对降解效果的影响
　　在进水pH值为3，曝气量为1.0 m3/h，循环时间为6 h，循环流速5 L/min，反应温度为50℃时，调节V(Fe)∶V(C)为3∶1，2∶1，1∶1，1∶2，1∶3，考察铁炭体积比对处理效果的影响，其结果见图4。 　　由图4可以看出，铁屑与活性炭的体积比对印染废水的降解有较大的影响。在微电解床中添加活性炭颗粒，不仅可以加剧电化学反应，还能在一定程度上防止铁屑板结，因此随着活性炭体积的增加，处理效果逐渐提高，在铁炭体积比为1∶1时，色度和COD的去除率分别达到92%和61.6%。当活性炭添加过量则会抑制去除效果，虽然活性炭较高的比表面积可以有效吸附脱除污染物，然而铁屑量的相对降低阻碍了微电解反应的进行。因此，实验中确定最佳铁炭体积比为1∶1。
　　2.5反应温度对降解效果的影响
　　在进水pH值为3，V(Fe)∶V(C)为1∶1，曝气量为1.0 m3/h，循环时间为6 h，循环流速5 L/min时，调节反应温度分别为40，45，50，55和60℃，考察反应温度对处理效果的影响，其结果见图5。 　　由图5可以看出，随着反应温度的升高，废水的去除效率也逐渐提高。当温度由40℃上升到60℃的过程中，色度和COD的去除率从85.0%和52.2%提高到95.0%和65.8%，这是因为温度升高促进了传质速率和电化学反应速度，有利于降解反应的进行。然而考虑到实际废水排放水温在50℃左右，提供过高的温度需要外部加热，而在55℃时的去除效果与60℃时相差不多，因此确定最佳反应温度为55℃。
　　2.6循环流量对降解效果的影响
　　在进水pH值为3，V(Fe)∶V(C)为1∶1，曝气量为1.0 m3/h，循环时间为6 h，反应温度为55℃，调节废水循环流速分别为1，3，5，7和9 L/min，考察循环流速对处理效果的影响，其结果见表2。 　　由表2可以看出，废水色度和COD的去除率随着循环流量的提高而下降。其原因是循环量提高，印染废水在微电解床中的停留时间相对减少，造成废水无法与铁屑和活性炭完全接触。此外，提高循环流速还需要更多的动力消耗。因此，综合考虑确定最佳循环流速为1 L/min。
　　3·结论
　　采用曝气循环微电解法对印染废水预处理，取得了令人满意的效果。在曝气量为1.0 m3/h，循环时间6 h，进水pH值为3，V(Fe)∶V(C)为1∶1，反应温度为55℃，循环流速1 L/min的最佳条件下，废水中色度及COD去除率分别达到95.0%和68.0%。该工艺是一种廉价、简便的预处理方法，本研究对该工艺的进一步实际应用具有一定的指导作用。
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