電絮凝去除廢水中多種重金屬影響因素研究

熊道文，熊珊，陳湘斌，虞少嵚，王合德

(1.中南勘測設(shè)計(jì)研究院，長沙410014;2.水處理湖南省工程研究中心，長沙410014)

工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的含重金屬廢水對自然環(huán)境及人類健康帶來很大危害，能引起腎、生殖系統(tǒng)、肝臟、腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等功能的紊亂［1］，同時(shí)，重金屬在環(huán)境中穩(wěn)定性高、難降解、遷移范圍廣，正逐漸成為全球性環(huán)境問題［2］。現(xiàn)有的重金屬廢水處理方法如化學(xué)法［3］、生物法［4—5］、吸附法［6—7］、膜處理法［8］等，在一定程度上能有效處理重金屬廢水，但存在加藥計(jì)量大、廢渣量大及操作紛雜等不足［2］。由于電絮凝處理技術(shù)具有處理效果好、結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便靈活、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)廢水處理［9—12］。研究采用鐵電極電絮凝法同時(shí)處理廢水中的多種重金屬離子，主要探討了pH、電導(dǎo)率、停留時(shí)間、廢水初始濃度、電流密度等因素對處理效果及能耗的影響，為電絮凝法處理含多種重金屬污染物的廢水提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試劑和儀器

試劑:硝酸鉛CR級、硝酸鋅CR級，購自天津市津北精細(xì)化工有限公司;氯化銅CR級、氯化鎳CR級，購自西隴化工股份有限公司;氯化鎘CR級，購自天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司，重鉻酸鉀CR級，購自衡陽市欣陽化工有限公司;氫氧化鈉CR級，購自四川金路樹脂有限公司;氯化鈉CR級購，自湖南省湘恒鹽化集團(tuán);硝酸AR級、鹽酸AR級、二苯碳酰二肼AR級等分析用試劑，購自上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

儀器:原子吸收分光光度計(jì)(AA-7003A)，購自北京東西分析儀器有限公司。

試驗(yàn)研究設(shè)備:反應(yīng)槽及極板自行設(shè)計(jì)并委托加工，直流電源購自長沙廣聚能電力設(shè)備有限公司。

試驗(yàn)配水:實(shí)驗(yàn)研究廢水為人工配制的模擬廢水。

1.2 方法

研究的工藝流程如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置的處理量設(shè)計(jì)為1 m3/h，在配水槽配制模擬廢水(投加重金屬，采用曝氣攪拌，同時(shí)投加堿適當(dāng)調(diào)節(jié)pH值)。隨后經(jīng)鐵電極電絮凝法處理，出水進(jìn)行曝氣氧化，將電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二價(jià)鐵氧化為三價(jià)鐵，然后進(jìn)入絮凝槽，槽內(nèi)投加PAM絮凝劑，用于增加絮體尺寸，以提高后續(xù)出水沉淀效果，最后經(jīng)沉淀得到清水。電絮凝設(shè)備中陰極與陽極均選擇為鐵極板，極板間距設(shè)計(jì)為14 mm。取清水和配水槽出水分別作為處理出水與原水。

總鉛、總鋅、總銅、總鎳、總鎘及總鉻測定方法參考《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》［13］。

圖1 電絮凝實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Experimental flowchart of electrocoagulation

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值對處理效果的影響

調(diào)節(jié)電解槽內(nèi)電流密度恒定為10.2 A/m2，進(jìn)水各重金屬質(zhì)量濃度均控制在20 mg/L，處理時(shí)間控制在3 min，進(jìn)水電導(dǎo)率控制在1500～2000μs/cm時(shí)，不同pH值條件下的處理效果如圖2所示。

由圖2可知，總體而言，隨著pH值的逐漸增大，各重金屬離子的去除率不斷提高，電絮凝過程產(chǎn)生的微絮體主要是高價(jià)金屬的羥基化合物［14］，較高的pH值對微絮體的生成有利，從而處理效率更高。當(dāng)pH值在7.0～9.5之間變化時(shí)，總鉻的處理效果理想(去除率穩(wěn)定在99.5%以上)，且受pH值的影響很小。這可能是因?yàn)檫M(jìn)水中總鉻主要以六價(jià)鉻形式存在，經(jīng)過電解還原形成三價(jià)格，在較低pH值條件下也能有較高的去除率［15］。總鉛、總鎳、總鉻的去除率隨pH值的變化較大，這可能與金屬氫氧化物的溶度積有關(guān)。

圖2 pH值對設(shè)備處理效果的影響Fig.2 Effect of pH on the removal rate

從圖2中還可看出，當(dāng)進(jìn)水的pH值高于8.5時(shí)，各重金屬離子的處理率均理想，因此在處理含多種重金屬離子的廢水時(shí)，應(yīng)盡量將進(jìn)水pH值調(diào)節(jié)至8.5～9.0;當(dāng)處理含單一重金屬污染物時(shí)(如含六價(jià)鉻廢水)，可根據(jù)進(jìn)水重金屬濃度情況，適當(dāng)選擇較低的進(jìn)水pH，可減少pH調(diào)節(jié)藥劑用量，降低運(yùn)行成本。

2.2 電導(dǎo)率對處理效果的影響

當(dāng)電流密度為10.2 A/m2，重金屬進(jìn)水質(zhì)量濃度為20 mg/L，處理時(shí)間為3 min，進(jìn)水pH值為8.5～9.0時(shí)，電導(dǎo)率對重金屬離子去除率的影響如圖3所示。能耗及槽電壓隨電導(dǎo)率的變化趨勢如圖4所示。

圖3 電導(dǎo)率對設(shè)備處理效果的影響Fig.3 Effect of conductivity on the removal rate

圖4 電導(dǎo)率對設(shè)備能耗及槽電壓的影響Fig.4 Effect of conductivity on the energy consumption and voltage

從圖3可以看出，電導(dǎo)率對電絮凝裝置的處理效果影響不大，但它是電絮凝處理技術(shù)的一項(xiàng)重要參數(shù)。從圖4可以看出，恒流輸出條件下，電絮凝設(shè)備的功耗和槽電壓隨電導(dǎo)率的增大而不斷降低。該試驗(yàn)條件下，當(dāng)進(jìn)水電導(dǎo)率低于2000μs/cm時(shí)，槽電壓降低至10 V以下，能耗降低至0.4 kW·h/t以下。維持過高的電導(dǎo)率可能會(huì)導(dǎo)致加藥量增加，運(yùn)行成本上升，同時(shí)槽電壓降低使電解氧化還原作用減弱［16］。

綜上所述，在實(shí)際的運(yùn)行操作過程中，要綜合考慮藥劑成本、電價(jià)及能耗。通過研究結(jié)果，建議電絮凝用于處理重金屬廢水時(shí)，進(jìn)水電導(dǎo)率宜控制在1500～2000μs/cm。

2.3 停留時(shí)間對處理效果的影響

控制電解槽內(nèi)電流密度為10.2 A/m2，各重金屬進(jìn)水質(zhì)量濃度為20 mg/L，進(jìn)水pH值為8.5～9.0，電導(dǎo)率為1500～2000μs/cm時(shí)，廢水停留時(shí)間對處理效果的影響結(jié)果如圖5所示。

圖5 停留時(shí)間對設(shè)備處理效果的影響Fig.5 Effect of retention time on the removal rate

由圖5可知，停留時(shí)間對不同重金屬離子的去除率影響略有不同，但處理效果隨停留時(shí)間的大致變化趨勢是一致的，隨著處理時(shí)間的延長去除率不斷提高。當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到2～4 min時(shí)，處理效果基本都達(dá)到最佳狀態(tài)。廢水在電絮凝裝置中的停留時(shí)間不宜過長，否則將造成設(shè)備體積的增大。從電絮凝設(shè)備對多種重金屬離子的處理效果來看，停留時(shí)間為3～4 min時(shí)能保證處理效果，同時(shí)也能滿足大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。

2.4 廢水初始濃度對處理效果的影響

當(dāng)電流密度為10.2 A/m3，進(jìn)水pH值為8.5～9.0，停留時(shí)間3 min，電導(dǎo)率為1500～2000μs/cm時(shí)，不同廢水初始濃度條件下，電絮凝設(shè)備的處理效果如圖6所示。

圖6 初始濃度對設(shè)備的處理效果影響Fig.6 Effect of initial concentration on the removal rate

從圖6可以看出，在電流密度恒定為10 A/m3的條件下，對各重金屬的去除率隨廢水初始濃度的增大而逐漸降低。對不同種類重金屬的影響有所差別，對總鉻的去除率影響尤為明顯，在重金屬質(zhì)量濃度超過20 mg/L時(shí)，對總鉻的去除率低于60%，這可能是電解還原作用不夠，部分鉻未被還原為三價(jià)鉻的緣故。較高濃度條件下，對其他重金屬的去除率也低于90%。當(dāng)進(jìn)水的重金屬離子濃度較高時(shí)，要達(dá)到理想的出水水質(zhì)，可通過提高電流密度的方式實(shí)現(xiàn)［17］，但與此同時(shí)能耗增大。因此，電絮凝技術(shù)更適用于重金屬廢水的深度處理，對于高濃度重金屬廢水，應(yīng)先進(jìn)行預(yù)處理，再進(jìn)行電絮凝處理，在保證處理效果的同時(shí)可盡量降低運(yùn)行成本。

2.5 電流密度對處理效果的影響

當(dāng)進(jìn)水中各重金屬質(zhì)量濃度為30 mg/L，進(jìn)水pH值為8.5～9.0，電導(dǎo)率為1500～2000μs/cm，停留時(shí)間為3 min時(shí)，考察了電絮凝裝置的電流密度對處理效果及電極損耗的影響，結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 電流密度大小對處理效果的影響Fig.7 Effect of current dentistry on the removal rate

圖8 電流密度與極板消耗速率的關(guān)系曲線Fig.8 Interrelationship histogram of current dentistry and electrode consumption

由圖7可知，當(dāng)進(jìn)水各重金屬離子質(zhì)量濃度為30 mg/L時(shí)，電流密度對不同的重金屬離子的處理效果有所區(qū)別，但處理效果隨電流密度的提高變化趨勢均為升高，且當(dāng)電流密度為16.5 A/m2時(shí)，處理效果均達(dá)到最佳狀態(tài)，繼續(xù)提高電流密度對去除率的提升并不明顯。因此最佳電流密度取值范圍為13.2～19.8 A/m2。

電流密度是電絮凝處理設(shè)備的一項(xiàng)重要參數(shù)，從圖8可以看出，隨著電流密度的升高，極板的消耗速率也不斷提高，在電流密度為15～20 A/m2時(shí)的極板消耗速率為16～24 g/(m2·h)。電流密度對金屬極板溶出量(高價(jià)金屬離子)具有決定性的影響，從而影響微絮體的形成量(微絮體主要為高價(jià)金屬離子的羥基化合物)，對重金屬處理效果影響較大。從圖7還可以看出，電流密度不宜過高，當(dāng)電流密度升高至一定范圍時(shí)，其處理效果隨電流密度的升高并沒有明顯的變化，但與此同時(shí)電能損耗與極板消耗依然在增加。因此應(yīng)根據(jù)廢水的具體情況，選擇合適的電流密度，不僅可保證處理效果，同時(shí)可在一定程度上降低能耗與極板消耗。

3 結(jié)論

電絮凝法能有效處理含多種重金屬污染物的廢水，特別適用于含重金屬廢水的深度處理，通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):

1)在一定范圍內(nèi)提高pH值可明顯提高處理效果，但不宜過于提高進(jìn)水pH。在處理含多種重金屬離子的廢水時(shí)，最佳進(jìn)水pH值范圍為8.5～9.0。

2)電導(dǎo)率對電絮凝裝置的處理效果影響不大，但恒電流密度條件下，電絮凝設(shè)備運(yùn)行功耗和槽電壓隨電導(dǎo)率的增大而降低，因此本試驗(yàn)電導(dǎo)率的最佳值為1500～2000μs/cm。

3)本試驗(yàn)條件下，處理效果隨處理停留時(shí)間的延長而增強(qiáng)，但超過3 min則變化不明顯。在同時(shí)處理多種重金屬時(shí)，宜控制處理停留時(shí)間為3～4 min。

4)在進(jìn)水濃度條件下，處理效果隨電流密度的增大而增強(qiáng)，過高的電流密度并不能使得處理效果得到進(jìn)一步提升，反而會(huì)增加電能損耗與極板消耗。本試驗(yàn)條件下，最佳電流密度選擇為13.2～19.8 A/m2。

5)電絮凝處理技術(shù)宜用于含重金屬廢水深度處理，進(jìn)水重金屬廢水濃度應(yīng)控制在20 mg/L以內(nèi)。對于高濃度重金屬廢水，應(yīng)先進(jìn)行預(yù)處理，再進(jìn)入電絮凝處理，以保證處理效果并降低成本。

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