雙金屬微電解預處理焦化廢水

盧 永，張 尋，王 娟，汪 政

（1.南京普信環保科技有限公司，江蘇南京210018；2.德興市環境保護局，江西德興334200）

微電解法是基于電化學氧化還原反應的原理，通過電化學、氧化還原、混凝、吸附、過濾等綜合作用來處理廢水。該法設備簡單、成本低、適用范圍廣、易與其它方法聯合使用，可實現以廢治廢，是當前難降解及有毒工業廢水最常用的預處理方法之一［1－3］。但傳統的Fe－C微電解板結溝流問題限制了其大規模工業化，為解決該問題、提高處理效果、拓寬適用pH值范圍，Fe－Cu微電解及其與其它處理技術的聯合使用已被廣泛研究［4］。但是目前尚未見到系統地研究不同雙金屬體系及雙金屬微電解與其它處理技術聯合使用的報道。

作者選擇焦化廢水［5－6］這一典型的難降解有毒工業廢水為研究對象，系統地比較了在廢水處理領域具有應用前景的Fe－Ni、Fe－Cu、Fe－Zn、Fe－Sn、Fe－C、Al－Cu、Al－C等微電解體系，并研究了其中較佳體系與H2O2、活性炭、改性沸石、微波技術等聯合使用的效果，進行了條件優化，對焦化廢水的預處理效果進行了GC－MS分析。

1 實驗

1.1 材料與儀器

實驗用微電解金屬材料均為長5～12mm、寬1.0～5.0mm塊狀，活性炭為Φ1mm×2mm柱狀。金屬材料先用5%NaOH溶液浸泡15min，再用蒸餾水沖洗2～3次，然后用5%H2SO4溶液浸泡15min，最后用蒸餾水洗凈，在氮氣條件下烘干保存待用。活性炭經酸洗堿洗后用蒸餾水洗至中性，然后于100℃烘12h后密封保存于干燥皿中。

溴化十六烷基三甲胺（CTMAB）改性沸石：根據文獻［7］制備。

實驗用廢水取自某鋼鐵公司焦化廠，廢水COD 3 336mg·L－1，酚118.25mg·L－1，BOD 767mg· L－1（B／C＝0.23）。

CP－3800／SATURN－2000型GC－MS儀，美國VARIAN公司。GC條件：CP－Sil 8CB－MS色譜柱（30 m×0.25mm，0.25μm）；程序升溫：40℃恒溫2min，5℃·min－1升至280℃恒溫5min；進樣量1μL；進樣口溫度280℃；載氣（高純氦氣）流速1mL·min－1。MS條件：發射電流150eV，離子源溫度200℃，電離方式EI，電子能量70eV，質量范圍45～465amu，倍增電壓2 000V。

1.2 分析方法

廢水經濾紙和0.45μm醋酸纖維膜過濾后進行分析。用重鉻酸鉀法（GB 11914－89）測定COD，用4－氨基安替吡啉分光光度法（GB 7490－87）測定酚，用稀釋與接種法（GB 7488－87）測定BOD。有機物經CH2Cl2液－液萃取預處理后采用GC－MS測定：取500mL經膜過濾的水樣（pH≈7）放入1L分液漏斗中，加入30mL CH2Cl2混合振動，靜置分層，再重復萃取2次。然后用10mol·L－1氫氧化鈉溶液調pH值大于11，以30mL CH2Cl2重復萃取3次，加1∶1硫酸調pH值小于2，以30mL CH2Cl2重復萃取3次。將中性、堿性、酸性條件下萃取后的有機相合并，加入無水硫酸鈉干燥，過濾并轉移到500mL KD濃縮儀中，濃縮至10mL，采用高純氮氣吹至1mL。取1 μL進行GC－MS分析。

1.3 雙金屬微電解體系預處理焦化廢水

采用搖床實驗研究Fe－Ni、Fe－Cu、Fe－Zn、Fe－Sn、Fe－C、Al－Cu、Al－C等微電解體系對焦化廢水的預處理效果。實驗溫度為20℃，pH值為3.0，反應時間為60min，搖床轉速為120r·min－1，廢水量為200mL，反應物料投加量見表1。出水pH值調至8.0后靜置15min，取上清液分析。選擇預處理效果較好的微電解體系進行后續實驗。

表1 不同微電解體系反應物料投加量Tab.1 The material amount of different microelectrolysis systems

1.4 Fe－Cu微電解與其它方法聯用

為進一步提高處理效果，探索了預處理效果較好的Fe－Cu體系與其它幾種方法的聯合處理效果：

（1）Fe－Cu：搖床實驗，溫度為20℃，pH＝4.0，反應時間為60min，搖床轉速為120r·min－1，廢水200 mL，Fe 50g，Cu 10g。出水pH值調至8.0后靜置15 min，取上清液分析。

（2）Fe－Cu＋H2O2：H2O2（30%）20mL，其它條件同（1）。

（3）Fe－Cu＋活性炭：活性炭5g，其它條件同（1）。

（4）Fe－Cu＋改性沸石：改性沸石5g，其它條件同（1）。

（5）微波強化Fe－Cu微電解：微波反應器，微波功率500W，其它條件同（1）。

1.5 Fe－Cu＋改性沸石內電解條件實驗

為了研究pH值、反應時間、Fe／Cu質量比、Fe／改性沸石質量比對處理效果的影響，采用有機玻璃制成的動態反應塔進行連續進水動態實驗，每次實驗均采用新制備填料。控制4個微電解反應條件［pH值 4.0，水力停留時間（HRT）45min，Fe／Cu質量比5∶1，Fe／改性沸石質量比10∶1］中的3個不變，改變其中1個進行實驗。穩定后每30min取樣分析1次，為減小誤差，取5次實驗結果的平均值。

2 結果與討論

2.1 微電解體系預處理焦化廢水效果（圖1、圖2）

圖1 酸性條件下的COD和酚類去除率與B／CFig.1 The removal rates of COD and phenol and B／C of different micro－electrolysis systems under acidic condition

圖2 堿性條件下的COD和酚類去除率與B／CFig.2 The removal rates of COD and phenol and B／C of different micro－electrolysis systems under alkaline condition

從圖1可以看出，在酸性條件下，Fe－Ni、Fe－Cu、Fe－Zn、Fe－Sn、Fe－C、Al－Cu、Al－C體系均可提高廢水的可生化性，出水B／C均在0.43以上，其中Fe－Cu微電解出水B／C最高，達0.54。COD和酚類去除率在30%以上，Fe－Cu體系COD和酚類去除率分別為42.27%和36.47%，Al－Cu體系分別為41.79%和49.12%。

從圖2可以看出，在堿性條件下，Fe－Ni、Fe－Cu、Fe－Zn、Fe－Sn、Fe－C、Al－Cu、Al－C體系處理效果比酸性條件略差，出水B／C均在0.35以上，其中Fe－Cu和Al－Cu處理效果較佳，出水B／C分別為0.51和0.53，COD去除率為24.29%和32.14%，酚類去除率為25.85%和19.58%。這些表明，Fe－Cu和Al－Cu是較優的預處理方法，但Al－Cu體系處理成本遠高于Fe－ Cu體系，而且對酚類的去除效果不理想，所以選擇Fe－Cu體系進行后續研究。

2.2 Fe－Cu微電解與其它方法的聯用效果（圖3）

圖3 不同微電解體系下的COD和酚類去除率與B／CFig.3 The removal rates of COD and phenol and B／C of different micro－electrolysis systems

從圖3可以看出，Fe－Cu微電解與H2O2、活性炭、改性沸石、微波技術的聯合使用均可提高COD和酚類去除率：與微波技術聯用時COD和酚類去除率最高，分別為40.81%和45.30%；與改性沸石聯用時，COD和酚類去除率分別為39.47%和42.12%；與微波技術、H2O2聯用時出水B／C均較低，不利于后續生化處理。因此，Fe－Cu微電解與改性沸石聯用是較適宜的焦化廢水預處理方法。

2.3 Fe－Cu＋改性沸石內電解條件（圖4）

從圖4a可以看出，Fe／改性沸石質量比為5∶0.50時效果最好，COD和酚類去除率為37.29%和47.96%。從圖4b可以看出，Fe／Cu質量比為5∶1.25時效果最好，COD和酚類去除率為34.91%和44.36%。從圖4c可以看出，Fe－Cu與改性沸石聯用預處理焦化廢水在酸性和堿性條件下均有較好的處理效果，適用pH值范圍較寬，最高COD和酚類去除率為43.99%和45.66%。從經濟和操作性考慮，pH值為4.0較適宜。從圖4d可以看出，較適宜的HRT為60min。

圖4 Fe／改性沸石質量比（a）、Fe／Cu質量比（b）、pH值（c）、HRT（d）對COD和酚類去除率的影響Fig.4 Effects of mass ratio of Fe／modified zeolite（a），mass ratio of Fe／Cu（b），pH value（c）and HRT（d）on the removal rates of COD and phenol

2.4 GC－MS分析

為研究Fe－Cu微電解與改性沸石聯用預處理對有機物的去除效果，采用GC－MS對原水和最佳條件下預處理焦化廢水出水進行分析，結果見圖5。

分析圖5結果表明，焦化廢水中主要污染物為丙酸、甲基丙基醚、苯酚、對甲基苯酚、苯甲酸、吲哚、喹啉和二苯并呋喃－2－磺酸等38種有機物，其中酚類物質含量（根據峰面積計算）達60%以上。Fe－Cu微電解與改性沸石聯用預處理可完全去除其中21種主要有機物，出水可生化性高。

圖5 原水（a）和預處理出水（b）的GC－MS總離子流色譜Fig.5 Total ion chromatograms of raw wastewater（a）and pretreated wastewater（b）

3 結論

（1）Fe－Ni、Fe－Cu、Fe－Zn、Fe－Sn、Fe－C、Al－Cu、Al－C微電解體系在酸性和堿性條件下均可提高焦化廢水的可生化性。Fe－Cu微電解體系效果最佳，COD和酚類去除率分別為36.47%和42.27%，出水B／C高達0.54。

（2）Fe－Cu微電解與H2O2、活性炭、改性沸石、微波技術聯用均可提高COD和酚類去除率，與改性沸石聯用時效果最佳，出水B／C在0.53以上。

（3）Fe－Cu微電解與改性沸石聯用最佳工藝條件為：Fe／改性沸石質量比5∶0.50、Fe／Cu質量比5∶1.25、pH值4.0、HRT 60min，此條件下COD和酚類去除率分別為43.99%和47.96%。

（4）GC－MS分析表明，焦化廢水中主要污染物為丙酸、甲基丙基醚、苯酚、對甲基苯酚、苯甲酸、吲哚、喹啉和二苯并呋喃－2－磺酸等38種有機物，Fe－Cu微電解與改性沸石聯用預處理可完全去除其中21種主要有機物，出水可生化性高。

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