鐵炭內(nèi)電解法處理印染廢水的研究

吳克明,丁倩倩,蔣 衛(wèi),鄭 旺,宋敏娟,李 貝

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北武漢,430081)

印染廢水具有色度高、有機(jī)污染物含量高且組分復(fù)雜、化學(xué)需氧量(COD)和生物需氧量(BOD)高的特點(diǎn),其水質(zhì)變動(dòng)范圍較大[1]。目前,印染廢水主要采用生物法進(jìn)行處理[2],但由于其水質(zhì)十分復(fù)雜,且部分廢水可生化性不高,因此國內(nèi)印染行業(yè)很難實(shí)現(xiàn)廢水達(dá)標(biāo)排放[3]。近年來,國內(nèi)外開始嘗試采用價(jià)格低廉的廢棄鐵屑和活性炭構(gòu)成的鐵炭內(nèi)電解法對(duì)工業(yè)廢水、垃圾滲濾液和酸性印染廢水等進(jìn)行預(yù)處理。本文針對(duì)p H值達(dá)12的高堿性、高COD印染廢水,采用鐵炭內(nèi)電解法進(jìn)行處理,得到了較高的色度和COD去除率。

1 鐵炭內(nèi)電解法處理印染廢水原理

鐵炭內(nèi)電解法處理印染廢水主要包括電化學(xué)、絮凝、吸附和還原等過程,其電極反應(yīng)如下:

電極反應(yīng)生成的Fe2+、進(jìn)一步氧化生成的Fe3+及其水合物具有較強(qiáng)的吸附和絮凝活性,特別是加堿后生成的Fe(OH)2和Fe(OH)3膠體絮凝劑,其吸附能力高于一般藥劑水解得到的Fe(OH)3,能大量吸附廢水中懸浮物及有機(jī)大分子,使之絮凝沉淀下來[4]。在偏酸性廢水中,電極反應(yīng)產(chǎn)生的新生態(tài)[H]和Fe2+能與有機(jī)物和無機(jī)物發(fā)生氧化還原反應(yīng),破壞染料分子中的發(fā)色或助色基團(tuán),甚至使其斷鏈,從而達(dá)到脫色的目的[5-8],并能使某些難降解的有機(jī)物還原成易降解的化合物,廢水的可生化性也得到了提高。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)廢水

試驗(yàn)處理的印染廢水取自武漢某絨布廠,其水質(zhì)指標(biāo)為:p H值,12;色度,500倍;CODCr,973 mg/L。

2.2 試驗(yàn)方法

取100 m L印染廢水至250 m L燒杯中,用H2SO4調(diào)節(jié)廢水至不同的p H值,加入鐵屑(粒徑0.45～1.00 mm,用量20 g/L)和活性炭,混合均勻,放入水浴恒溫震蕩器中,在25℃下震蕩一定時(shí)間,靜置30 min,取上清液測CODCr和色度,比較不同廢水p H值、鐵炭質(zhì)量比和反應(yīng)時(shí)間對(duì)廢水處理效果的影響。

2.3 檢測方法

p H值采用PB-10型p H計(jì)測定,色度采用H I93727型色度計(jì)測定,COD(CODCr)采用重鉻酸鉀法測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 廢水p H值對(duì)廢水處理效果的影響

固定活性炭用量為6 g/L、震蕩時(shí)間為100 min,用H2SO4調(diào)節(jié)廢水至不同的p H值,得到廢水p H值對(duì)其CODCr和色度去除率的影響如圖1所示。

圖1 p H值對(duì)廢水CODCr和色度去除率的影響Fig.1 Effect of p H on the removal of CODCr and colority in the wastewater

由圖1可以看出,隨著p H值的升高,廢水的CODCr和色度去除率開始增大,當(dāng)p H值升到一定值時(shí),二者的去除率又呈下降趨勢。這是因?yàn)?廢水偏酸性時(shí),在陰極,氧的標(biāo)準(zhǔn)電極電位在酸性介質(zhì)中較高,內(nèi)電解的電位差大,促進(jìn)了電極反應(yīng)的發(fā)生,產(chǎn)生新生態(tài)[H]自由基。[H]能與酚類、醛類等易氧化的有機(jī)物發(fā)生反應(yīng),使C—C鏈斷裂,產(chǎn)生低分子的有機(jī)物。而在陽極,溶鐵量增加,生成大量的Fe2+。Fe2+能破壞染料的發(fā)色基團(tuán)(如偶氮基),將大分子染料分解為低分子無色物質(zhì),使廢水的色度降低。并且,Fe2+、Fe3+及其水合物具有較強(qiáng)的吸附和絮凝活性,能捕集、挾裹和吸附懸浮的膠體共沉。廢水偏堿性時(shí),Fe2+雖能形成Fe(OH)2和Fe(OH)3,對(duì)廢水中的膠體或類膠體顆粒有一定的吸附、電中和和橋聯(lián)等凝聚作用,但鐵的腐蝕減弱,電極反應(yīng)速度減慢,從而造成Fe2+的數(shù)量減少,廢水色度去除率降低。因此,本試驗(yàn)確定最佳廢水p H值為4。

由圖1還可以看出,鐵炭內(nèi)電解法對(duì)印染廢水中CODCr的去除效果比脫色效果差。這是因?yàn)槿コ鼵ODCr需要生成的Fe2+進(jìn)一步的混凝去除,而染料的發(fā)色基團(tuán)(如偶氮基)的斷開還原是一個(gè)相對(duì)比較容易的過程。

3.2 鐵炭質(zhì)量比對(duì)廢水處理效果的影響

固定廢水p H值為4、震蕩時(shí)間為100 min,分別加入不同質(zhì)量的活性炭,得到鐵炭質(zhì)量比對(duì)廢水處理效果的影響如圖2所示。

圖2 鐵炭質(zhì)量比對(duì)廢水CODCr和色度去除率的影響Fig.2 Effect of iron/carbon ratio on the removal of CODCr and colority in the wastewater

由圖2可以看出,廢水CODCr和色度去除率呈先增大后減小的趨勢,其中鐵炭質(zhì)量比對(duì)色度的去除效果影響相對(duì)較小。鐵炭質(zhì)量比過小,即炭過量時(shí),體系傳質(zhì)速率減慢,電極反應(yīng)速率下降,導(dǎo)致廢水CODCr和色度去除率下降;增大鐵炭質(zhì)量比,電極反應(yīng)充分,廢水CODCr和色度去除率上升;鐵炭質(zhì)量比過大,即炭量過少時(shí),原電池?cái)?shù)量不夠,廢水CODCr和色度去除率下降。鐵炭質(zhì)量比為3.3～5時(shí),廢水CODCr和色度去除率相對(duì)較大,考慮到出水p H值(鐵炭質(zhì)量比為3.3時(shí),出水p H值最大),確定最佳鐵炭質(zhì)量比為3.3。

3.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)廢水處理效果的影響

固定廢水p H值為4、活性炭用量為6 g/L,在水浴恒溫震蕩器中震蕩不同的時(shí)間,得到反應(yīng)時(shí)間對(duì)廢水處理效果的影響如圖3所示。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)廢水CODCr和色度去除率的影響Fig.3 Effect of reaction time on the removal of CODCr and colority in the wastewater

由圖3可以看出,隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,印染廢水中CODCr和色度的去除率得到提高,但反應(yīng)時(shí)間超過100 min后,處理效果趨于穩(wěn)定。其主要原因是:在一定時(shí)間內(nèi),電極反應(yīng)完全,吸附作用發(fā)生較充分;進(jìn)一步增加反應(yīng)時(shí)間,部分還原生成的無色或淺色的氨基類有機(jī)物,其發(fā)色母體未去除,又有可能被重新氧化成顯色的硝基類有機(jī)物[9]。

3.4 討論

(1)將p H值從12調(diào)為4,在實(shí)際應(yīng)用中可以考慮采用工業(yè)廢酸或者引入部分酸性染料廢水,以降低酸的消耗和生產(chǎn)成本。

(2)可以用p H值為12的原水稀釋經(jīng)鐵炭內(nèi)電解法處理的上清液,將p H值降至7左右,以滿足后續(xù)生化處理的要求。因?yàn)殍F炭內(nèi)電解法只是一個(gè)預(yù)處理工藝,目的是降低生化處理的負(fù)荷。

(3)鐵炭內(nèi)電解法利用工業(yè)生產(chǎn)中廢棄的鐵屑,實(shí)現(xiàn)了以廢治廢,這有利于其推廣應(yīng)用。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)鐵屑易結(jié)塊、易堵塞和溝流等現(xiàn)象,從而降低處理效果。因此,工業(yè)反應(yīng)器不宜采用固定床,進(jìn)水時(shí)可采用射流進(jìn)水,新型滾筒內(nèi)電解絮凝床可能是解決該問題的方案之一。

(4)經(jīng)過內(nèi)電解處理,鐵溶出后生成鐵離子絮凝物,其中如果以Fe2+為主,可以通過曝氣使Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+,然后調(diào)節(jié)p H值使Fe3+形成Fe(OH)3沉淀,并利用重力沉降法去除,必要時(shí)可考慮加入一些固體粉末助凝劑加速沉降分離。

4 結(jié)論

(1)以廢棄鐵屑和活性炭構(gòu)成的鐵炭內(nèi)電解法對(duì)高濃度、高堿性印染廢水有較好的處理效果。適當(dāng)?shù)膹U水p H值、鐵炭質(zhì)量比和足夠的反應(yīng)時(shí)間對(duì)改善鐵炭內(nèi)電解法的處理效果十分關(guān)鍵。

(2)在印染廢水p H值為4、鐵炭質(zhì)量比為3.3及反應(yīng)時(shí)間為100 m in時(shí),廢水CODCr和色度去除率分別達(dá)到59.6%和82.0%。

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