鐵炭微電解法處理堿性印染廢水的研究

郭函君， 梁曉菲

(上海邁淳環保工程有限公司， 上海 201199)

鐵炭微電解法處理堿性印染廢水的研究

郭函君， 梁曉菲

(上海邁淳環保工程有限公司， 上海 201199)

鐵炭微電解法處理印染廢水，是以鐵屑為陽極犧牲材料，通過陰極活性炭的催化作用，廉價高效地處理生物難降解的有機污染物。其主要影響因素有：pH值、Fe/C、鐵屑量、停留時間、空氣曝氣量。通過研究在鐵-炭的基礎上添加微量銅和稀土元素，使本來在酸性條件下才能進行的降解反應，在中性、甚至微堿性條件下也可以進行。通過研究不同處理時間、鐵炭比等條件，探尋最優處理條件，使處理效果達到最好。

印染廢水；鐵炭微電解；混凝；COD

0 引言

紡織、印染行業是我國最具優勢的傳統支柱行業之一，為我國的經濟發展做出了突出的貢獻，但同時產生高污染的廢水也對環境造成危害。我國水資源的緊缺現狀嚴重制約著紡織、印染企業的快速發展[1]。由于我國紡織、印染工藝產品檔次相對落后，噸產品用水量、廢水水質污染程度比發達國家高出很多，例如德國每噸棉布印染用水量為100 m3，而我國一般水平為200 m3左右。紡織、印染廢水排量大、有機污染濃度高、成分比較復雜，同時色度較深，有效解決印染行業廢水污染問題既可減少對環境的危害，同時也可回用處理水，減少用水量，節約水資源[2]。

常用的印染廢水處理方法有：物理法、化學法、生物法。物理法主要是吸附法和氣浮法，該種方法可去除印染廢水中的懸浮物和洗滌劑，但是對于高分子有機物則難以處理；化學法主要是混凝沉淀和催化氧化法，一般的催化氧化法都要求在酸性條件下進行，而印染廢水大多呈堿性，且堿度高，如采用加酸的方法調節pH達到反應條件，則產生更多鹽類， 且藥劑消耗量大； 生物法則要求有長的停留時間，且運行比較繁瑣。

本文通過在鐵炭微電解的基礎上，添加微量銅和稀土元素，使得必須在酸性條件下才進行的微電解反應，可以在中性或偏堿性條件下進行，這就不需要對原水進行pH調節，減少藥劑使用量的同時，減少鹽類產生。若此廢水需回用到生產線上，則會減少回用裝置膜的負荷。

1 實驗方法和原理

1.1 廢水水質與來源

實驗用水取自上海市某印染廠，廢水呈深褐色，主要成分為分散染料，還含有活性染料、表面活性劑。具體水質參數見表1。

表1 廢水水質

1.2 實驗材料

鐵屑取自某廢鐵加工車間的廢鐵刨花，活性炭為市場上購買的炭塊。

1.3 實驗材料的預處理

鐵屑：鐵刨花粒徑為3～5 cm。使用前先用10%堿性氫氧化鈉溶液清洗，去除表面污漬，再用3%的硫酸溶液浸泡，去除表面氧化物質，然后用清水沖洗干凈，烘干，密封備用[3]。

焦炭：使用前先將購買的焦炭炭塊進行破碎處理，粒徑盡量集中在0.5～1 cm。

添加劑：由銅和稀土元素組成，經沉淀處理后用鹽酸活化6～12 h。其中銅為金屬銅屑；稀土元素是將含有重稀土的稀土礦石經處理后得到廢渣，然后經鹽酸活化6～12 h，得到鹽酸處理后的廢渣，其主要成分為稀土氧化物。

1.4 實驗設備

鐵炭微電解反應器1組；曝氣裝置1組；燒杯1組，容積為10 L。

1.5 檢測指標與分析方法

CODcr：采用重鉻酸鉀法測定(GB/T 11914—1989)；色度：稀釋倍數法(GB193—1989)與比色法。

1.6 實驗方法與步驟

實驗流程如圖1所示。

圖1 實驗流程

微電解反應器如圖2所示。

圖2 微電解反應器

實驗裝置為一長方形容器，由PVC板焊接而成。具體尺寸為：30cm×30cm×50 cm，有效容積：30 L，底部安裝曝氣頭裝置，數量4個。

具體試驗步驟：

(1) 稱取一定量的Fe裝于一個濾袋中，平鋪于微電解反應器填料支撐架上，另稱取一定量的C裝于另一濾袋中，將銅絲和稀土元素取少量與C混合均勻，平鋪于Fe濾袋上，在C袋上方再鋪一層Fe濾袋，形成Fe-C-Fe的組成形式。

(2) 取水樣注入微電解反應器中，水量高于填料10 cm，曝氣反應。

(3) 取上清液繼續曝氣10 min，使上清液中Fe2+完全轉化為Fe3+，然后加NaOH調節pH值至11左右，投加絮凝劑沉淀30 min后，檢測CODcr、色度。

1.7 鐵炭微電解基本原理

將鐵屑和焦炭浸沒在廢水中，即形成無數個腐蝕原電池，其中鐵為陽極，焦炭為陰極[4-8]。

鐵炭微電解法處理染料廢水是絮凝、吸附、電沉淀、電化學還原等共同作用的結果。主要反應機理包括：電化學作用、還原作用、絮凝作用、吸附作用[9]。

添加銅和稀土元素起催化劑的作用，一方面可以提高反應速率，另一方面可以改變反應條件，使原本在酸性條件下發生的反應，在中性甚至堿性條件下也能發生，這樣提高了堿性高濃度難降解有機廢水的處理效率。

2 實驗結果與分析

2.1 添加銅和稀土催化劑與不加銅和稀土催化劑的對比試驗

鐵炭填料中添加銅和稀土元素，通過催化作用來改變傳統鐵炭微電解反應pH值條件，使本來在酸性條件下才能進行的降解反應，在中性、甚至微堿性條件下也可以進行。下面通過實驗對比來說明。實驗條件：pH值9.0、曝氣量0.5 L/min、鐵屑投加量12 g/L、鐵炭比為10:1、C/稀土(銅)為1:0.5、處理時間4 h的條件下，結果如圖3所示，圖3表明不添加銅和稀土催化劑時，去除效率低于10%，而添加銅和稀土催化劑后，去除效率高于70%，去除效率明顯提高。

圖3 添加銅和稀土元素與不添加銅和稀土元素實驗COD去除效率

2.2 各因素對處理效果的影響

由微電解反應的基本原理可以看出，合適的Fe/C對廢水處理效果極其重要。Fe/C太低或者太高，微電解系統中的原電池數量就會減少，從而影響處理效果[10]；在進水pH值為9、處理時間4 h、曝氣量0.5 L/min、鐵屑投加量12 g/L[1]、C/稀土(銅)為1:0.5的條件下，運用鐵炭微電解工藝處理實驗用印染廢水，其Fe/C對廢水處理效果的影響見圖4。

圖4 鐵炭比對COD處理效率的影響

從圖4可以看出，不同的Fe/C對印染廢水處理效果不同。當Fe/C=10:1時，其處理效果最好，COD去除率可達84.5%。

由鐵炭微電解的反應機理可以看出，廢水停留時間越長，其反應進行的就越徹底。而反應進行到一定程度后會達到平衡狀態，繼續延長停留時間只會導致鐵屑的消耗量不斷增加，使處理成本不斷加大。在進水pH值為9、曝氣量0.5 L/min、鐵屑投加量12 g/L[1]、鐵炭比為10:1、C/稀土(銅)為1:0.5的條件下，運用鐵炭微電解工藝處理實驗用印染廢水，其停留時間對廢水處理效果的影響見圖5。

圖5 處理時間對COD處理效率的影響

由圖5可以看出，隨時間的延長，處理效果明顯增大，但當停留時間延長至4 h后，處理效果沒有明顯的提高，反而有所下降，處于不穩定狀態。綜合考慮，微電解處理印染廢水，最適宜的時間為4 h。

2.3 鐵炭微電解實驗對色度的去除效果

鐵炭微電解反應中鐵是活潑金屬，其還原作用能使一些大分子染料降解為低分子無色物質，具有脫色作用，同時也提高了廢水的生化降解性。在進水pH值為9、曝氣量0.5 L/min、鐵屑投加量12 g/L[1]、鐵炭比為10:1、C/稀土(銅)為1:0.5的條件下，反應4小時后色度的去除效果如圖6所示。

圖6 色度去除效果

由圖6可以看出，在上述反應條件下，其色度去除率可達93%以上。

3 中試實驗案例

實驗裝置：催化氧化槽+混凝反應槽+沉淀槽，其中：催化氧化槽，尺寸1 400 mm×800 mm×1 500 mm，有效容積1.5 m3，停留時間4 h；混凝反應槽，尺寸400 mm×400 mm×800 mm，有效容積0.1 m3，停留時間0.5 h；沉淀設備，尺寸700 mm×700 mm×1 500 mm，有效容積0.6 m3，沉淀時間3 h。

配套設備：廢水提升泵1臺；曝氣機1臺；加藥泵1臺；溶藥箱(配攪拌機)1套；混凝反應槽攪拌機1臺。

中試實驗效果見圖7，由圖7可知，中試實驗效果明顯，總體COD去除率達到55%以上，最高可達75.6%，同時色度的去除率保持在93%以上。

圖7 中試實驗效果

4 結論

(1) 鐵炭微電解反應，在添加稀土元素和銅組成的添加劑時，可以在pH為中性或偏堿性條件下處理印染廢水，而且處理效果可以與酸性條件下的處理效果媲美，降低了調節pH值所需的藥劑用量，同時減少鹽類的產生，使回用水負荷降低。

(2) 微電解法處理出水后，添加絮凝劑，通過混凝沉淀對色度的處理有很好的效果，去除率均可達93%以上。同時絮鐵起到混凝的效果，節省混凝劑的添加，節省藥劑費用。

(3) 具體實施工程項目時，建議在鐵炭微電解反應器后增加MBR膜裝置，這樣處理出水可以穩定的達到國家規定的GB 4287—2012《紡織染整工業水污染物排放標準》排放標準。

(4) 反應原料易得，且價格低廉。

[1] 鄒磊.電化學法處理難降解印染廢水的應用研究[D].西安:西安工程大學,2012.

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[10] 劉勇健,姜興華,莊虹，等.微電解反應器應用于印染廢水深度處理的小試實驗[J].污染防治技術,2009,22(4):1-4.

Using Iron-carbon Micro-electrolysis technology to treat alkaline dyeing wastewater

Guo Hanjun, Liang Xiaofei

(Shanghai MATRI Environmental Protection CO.,LTD,ShangHai 201199,China)

with iron scraps as anodic sacrificial materials and activated carbon as cathodic catalysis, the Iron-carbon Micro-electrolysis technology can effectively and economically degrade persistent organic pollution in dyeing wastewater. Main influencing factors included: pH, Fe/C, iron dosage, treatment time, and aeration rate. In this study, we added trace copper and rare earth elements to the iron-carbon basis, so that degradation reaction could happen even under neutral or slightly alkaline conditions instead of acidic circumstance. Different treatment time, iron-carbon ratio and other conditions were explored in order to get the optimal process parameters.

dyeing wastewater; Fe/C; Micro-electrolysis; coagulation; COD

2014-02-27；2014-04-28修回

郭函君，女，1984年生，碩士，研究方向：水污染控制工程。E-mail:guohanjun1006@sina.com

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