鐵碳微電解法在實際處理染料廢水中的應用

馬丹丹，李立春，王玉潔，張晶（天津市聯合環保工程設計有限公司，天津300191）

鐵碳微電解法在實際處理染料廢水中的應用

馬丹丹，李立春，王玉潔，張晶
（天津市聯合環保工程設計有限公司，天津300191）

采用鐵碳微電解法處理某實際染料廢水，考察廢水初始pH值、固液比、鐵碳比和反應時間對廢水處理效果的影響。結果表明，當初始pH值為2，鐵投加量為11g/L，鐵碳比為1:1，反應時間60min時，出水水質最好，廢水脫色率為73%，平均COD去除率達到44%。通過鐵碳微電解對染料廢水進行預處理，不僅提高廢水的可生化性降低后續工藝的處理負擔，還可以廢治廢，是預處理高濃度燃料廢水的有效方法之一。

鐵碳微電解；染料廢水；廢水處理

染料生產過程中會消耗大量的工業用水，其中12%會以廢水的形式排放。廢水水質因產品工藝、種類等的不同而有較大差異。其可生化性差，具有毒性，鹽度與色度較高[1]，且水質變化快[2]。近年來由于染料廢水水量持續增長，其對環境的危害與日俱增，進而環保部門對廢水排放的監察力度加大，有的工廠和某些產品面臨停產。

鐵碳微電解法是在酸性條件下，利用鐵屑和活性炭間的電勢差與金屬腐蝕原理，形成無數微原電池對廢水進行電化學處理的工藝。反應中鐵屑為陽極，碳粒為陰極，溶出的二價鐵離子有混凝作用，吸附帶有微弱負電荷的懸浮物和膠體，最終沉淀去除。此方法將廢棄鐵屑加以利用，實現以廢治廢，在實際運行中操作方便、費用低，出水水質也較好，為后續處理工藝提供良好條件[3]。

采用鐵碳微電解法處理某工廠染料生產廢水。反應器由三個電解柱串聯構成，可增大處理水量，便于后續水質檢測。考察初始pH值、固液比、鐵碳比和反應時間對COD去除率及脫色率的影響，為其在廢水治理工藝中的實際應用提供技術參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗用水由天津某染料廠提供，廢水顏色較深，沒有明顯氣味，COD濃度與鹽度均較高。其水質見表1。

表1 廢水水質

鐵碳微電解調料目前已產業化，產品孔隙率大且質輕。本試驗為考察鐵碳比的影響，選用車間廢鐵屑與活性炭按比例配置。廢鐵屑收集皂洗除油后用10%的NaOH浸泡起到活化的作用，使用前用清水沖洗去除雜質。本試驗主要考察電解對有機物去除的效果，要避免活性炭對污染物的吸附作用，因此活性炭浸泡在試驗廢水中儲存，使其處于吸附飽和的狀態。

1.2試驗設備

反應器由三個鐵碳微電解柱串聯構成以提高反應器的有效容積。鼓氣泵從柱體底部對其進行間歇式曝氣，以緩解鐵板板結、增強傳質條件。通過蠕動泵的作用使廢水在三個柱內循環。裝置示意圖見圖1。

圖1 試驗裝置示意圖

1.3試驗項目檢測方法

pH值：玻璃電極法；色度：稀釋倍數法；COD：重鉻酸鉀標準法。

1.4試驗方法

原水用氫氧化鈉溶液調pH值備用，根據具體試驗條件加入適量廢水。按一定的鐵投加量稱取適量鐵屑與碳粒，再按設計的固液比加入到電解柱內。打開曝氣泵從底部對微電解柱進行間歇式曝氣，以達到緩解鐵碳板結的作用。為使廢水在三個電解柱內混合均勻，每20min開通磁力泵運行2min。采用單因素法考察進水pH值、固液比、鐵碳比和反應時間對COD去除率及脫色率的影響。反應器出水用NaOH調節pH值到9～10，再經0.45μm膜過濾后進行相關檢測。

2結果與討論

2.1初始pH值對處理效果的影響

為考察初始pH值對運行效果的作用，固定鐵碳比為1:1、鐵投加量為10g/L、反應時間1h，選取不同初始pH值（1、2、3、4）進行試驗。處理結果見圖2。

圖2 初始pH值對處理效果的影響

由圖2可以看出，進水的初始pH值對出水水質影響較大。經過60min的電解作用后，在pH值取1時處理效果最好，脫色率達到70%，COD去除率達到了37%。出水的COD去除率及脫色率隨進水初始pH的增加而快速降低。這是因為進水pH越高，氧的電極電位隨之提高，鐵屑與碳之間的電極差相應也越大，對有機物的降解作用越好。鐵碳微電解反應會生成大量的H+、Fe2 +。溶液中的高分子有機物與H+發生氧化還原反應，大分子鏈分解為小分子鏈，提高了其可生化性，利于后續生化處理工藝的運行。生成的Fe2 +是一種高效絮凝劑，與廢水中的膠體及懸浮物發生吸附、凝聚及共沉淀作用，從而降低廢水的濁度與色度。

適宜的酸度有利于反應的運行，但過低的pH值不僅會增加運行成本，在后續回調pH值時也會增大投藥量，并且會增大容鐵量，鐵屑腐蝕嚴重，鐵碳電勢差降低。溶液中過多的Fe2+不僅會增大廢水的色度還會和H+反應,破壞絮凝體,影響沉淀作用使處理效果變差[4]。因此,進水pH值應調整到偏酸性,取4～6為宜,實際應用中也需根據廢水水質而定。

2.2固液比對處理效果的影響

按pH值為2，鐵碳比1.5:1，反應時間60 min，考察在不同鐵投加量（9,10,11,12,13g/L）條件下出水水質，結果如圖3所示。

固液比決定了電解柱的有效容積，進而影響處理工藝的效率，所以選擇合適的固液比不僅影響處理效果還關系到運行成本。試驗表明，隨著鐵投加量的增加，COD去除率與脫色率逐漸提高，水質最好時COD去除率為45%，脫色率為73%，此時鐵投加量為11g/L。繼續增加鐵投加量處理效果反而逐漸降低，脫色率相對穩定。這是因為鐵投加量越多,體系內微原電池的數量也相應增多,電解作用增強，污染物降解效果提高。但當體系中鐵含量超過一定值后,會影響原電池的腐蝕效果,致使出水水質較差。綜合考慮經濟因素與鐵碳板結等因素，廢鐵屑投加量取11.0 g/L為宜。

2.3鐵碳比對處理效果的影響

按初始pH值為2，鐵投加量為11g/L，反應時間1h，考察不同鐵碳比（2:1，1.5:1，1:1,1:1.5，1:2）對廢水處理效果的影響，結果如圖4所示。

圖3 鐵投加量對處理效果的影響

圖4 鐵碳比對處理效果的影響

由圖4可知，隨著鐵屑與碳粒的質量比增加，COD去除率及脫色率先緩慢升高后逐漸降低，當比值為1∶1時廢水處理效果最好。在其它條件相同的情況下，反應1 h后，出水COD去除率為48%，脫色率為76%。這是因為在鐵碳總質量一定的條件下，增加鐵碳比使水體中鐵含量增加，進而增大了體系中原電池數量。適量的活性炭與鐵屑之間形成無數的原電池，對廢水中的有機物降解處理。活性炭能使填料保持一定的孔隙率，為體系提高良好的水利條件并防止鐵屑結塊。但當鐵碳比過大時，活性炭數量過少，廢水中鐵屑與碳粒間形成的原電池數量減少，富余的鐵粉與氫離子直接反應產生氫氣和Fe2+，新生態［H］濃度降低，有機物降解作用降低，水處理效果變差，并且較高的鐵碳比會增大運行成本。

2.4反應時間對處理效果的影響

調節廢水pH值到2，控制鐵投加量為11g/L,鐵碳比為1:1，對比不同反應時間下（20,40,60,80, 100min）對廢水處理效果，試驗結果如圖5所示。

圖5 反應時間對處理效果的影響

由于各類廢水所含污染物種類、濃度不同，其對應的最佳反應時間也有差異。電解時間越長反應進行的越充分，出水水質也相應越好。但過長的反應時間不僅會降低處理效率，還會溶出大量的Fe2+，并氧化成Fe3+，三價鐵離子呈棕黃色，會增加水體色度[5]。

由圖4可知，隨著電解時間的延長，COD去除率先快速升高后逐漸降低，廢水脫色率呈快速升高后逐漸穩定的特點。在反應進行到60min時，COD去除率達到44%，繼續延長反應時間，COD去除率開始下降，脫色率基本穩定。剛開始運行時，隨著反應時間的延長，鐵的溶解量，微型原電池的數量增加，溶液中產生的［H］、Fe2+、Fe3+量增加，對各類污染物的降解、吸附及絮凝作用增強[6]。繼續延長反應時間處理效果下降，這是由于電附集作用使得電極上被有機物包裹，并且鐵電極由于氧化環境，極易結塊，出現溝流等現象，大大影響處理效果。將反應控制在1h內不僅可以處理更多量的廢水以提高運行效率還可以節省運行成本。綜上考慮，建議企業在運行水處理設施時根據水質特點選擇最佳反應時間。

3結論

（1）采用鐵碳微電解法處理印染廢水中的污染物質可獲得較好的預處理結果，表明其具有實用性。該化工廠的染料廢水經三個電解柱循環處理后，廢水脫色率為73%；平均COD值由起初的34000 mg/L降到為1800 mg/L，去除率達到44%。

（2）鐵碳微電解法在處理此染料廢水時的最佳的運行條件為：進水初始pH值為2，鐵投加量為11g/ L，鐵碳比為1:1，運行時間60min。

（3）采用微電解法預處理染料廢水經濟可靠,投資和運行費用低，具有以廢治廢,節約成本的特點，是值得推廣的染料廢水前處理方法。

（4）采用鐵碳微電解法處理廢水需要預先調節pH值，會消耗大量藥劑，在實際應用中應結合本廠自身特點，盡量通過廢棄物再利用的方式減少投藥量以降低成本與污染。

［1］O. J. Hao, H. Jimand P. C. Chiang. Decolorization ofwastewater［J］. Critical Reviewin Environmental Science and Technology 2000,30（4）：449- 505.

［2］周崟，李平，吳錦華，等．活性艷藍KN - R染料廢水的電解氧化及其毒性消減[J]．化工環保，2009，29（1）：10-13．

［3］單明軍,閔玉國,沈雪,等.微電解法進行焦化廢水脫氮的研究[ J] .燃料與化工, 2007, 38(1):38 -41.

［4］SchererM M, Balko B A and Tratnyek P G.The role of oxides in reduction reactions at the metal-water interface [J] .Environmental Science &Technology , 1998 , 32(1):301-302.

［5］王喜全，胡筱敏，沈雪，等．鐵碳微電解法處理染料廢水［J］．環保科技，2008,14（4）：27-29.

［6］Garda JC，Oiiveira JL，Siiva A E C，et al．Comparative study of the degradation of real textile effluents by photocatalytic reactionsin?volving UV/TiO2/H2O2and UV/Fe2 +/H2O2systems[J]. J.Hazardous Materials,2007，147（1-2）：105 -110．

Study on the treatment of dyeing wastewater by Internal Electrolysis

MA Dan-dan,LI Li-chun,WANG Yu-jie,ZHANG Jing
(Tianjin United Environmental Engineering Design Co. Ltd, Tianjin 300191, China)

The wastewater from dye production process was treated by ferric-carbon internal electrolysis. The factors affectingthe removal of color and COD from the wastewater were investigated，such as original pH,ratio of solid to liquid，ratio of Fe to C and reaction time. Research on the most influence factors showed that when the original pH was 2,the amount of iron was 11g/L，the volume ratio of iron to carbon was 1∶1 and the reaction time was 60min，the process can get an excellent removal rate in the experience. After 30 hours treatment，the decolorizingrate was 73%，and the removal rate of COD was 44%. Considering treatment effectiveness and economical cost，ferric-carbon internal electrolysis technology could be effective and feasible .

ferric-carbon internal electrolysis；dye-wastewater；wastewater treatment

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.02.010

X788

A

1008-1267（2016）02-0032-04

2015-11-20

馬丹丹(1988-),助理工程師,碩士,主要從事污水處理研究。