曝氣循環微電解工藝預處理印染廢水的研究

　　摘要：實驗采用曝氣循環微電解工藝預處理印染廢水。結果表明：在曝氣量為1.0 m3/h、循環時間6 h、進水pH值為3,V(Fe)∶V(C)為1∶1、反應溫度為55℃、循環流速1 L/min的最佳條件下，印染廢水的色度及COD去除率分別達到95.0%和68.0%。該工藝對印染廢水具有較好的去除效果，是一種廉價、簡便的預處理方法。
　　關鍵詞：循環微電解；預處理；印染廢水；曝氣作用
　　中圖分類號:X7文獻標識碼:A文章編號:1674-4829（2010）S2-0028-03
　　印染廢水具有水量大、有機污染物含量高、色度深、堿性高、水質變化大等特點，此外由于染料分子結構復雜、變化多樣，因此其生化性差、不易脫色，屬難處理的工業廢水。目前印染廢水的處理方法有氧化法、吸附法、反滲透法、電解法、絮凝沉淀法、混凝-生化法等[1-3]。其中鐵碳微電解法因其工藝簡單、操作方便、運行費用低等優點，已越來越多地用于印染廢水的預處理。微電解的基本原理是利用鐵屑和活性炭，形成無數微小的原電池，其中Fe為陽極，C為陰極，在電極反應中得到具有較強活性的新生態[H]，與有機物發生氧化還原作用[4－5]。
　　在微電解工藝中進行曝氣處理，則可以提高廢水中氧含量，增加電子受體的數量，擴大電極反應的電勢差，提高氧化還原電位，從而強化微電解的作用。此外曝氣可以加快廢水和鐵碳接觸面的更新，加速鐵的溶出，促進鐵碳表面物質的去除，提高微電解反應速度，同時促進微電解產物氧化從而有利于提高絮凝作用[6-7]。
　　1·實驗部分
　　1.1實驗材料
　　實驗中所用印染廢水取自青島鳳凰印染有限公司，外觀為深藍色，實際排放水溫約為50℃，色度為1 600倍，ρ（COD）為2 210 mg/L。鐵屑為工業廢棄刨鐵花，平均粒徑在8～10 mm之間。鐵屑使用前先用NaOH溶液(質量分數為10%)浸泡洗去表面油污，然后沖洗干凈，放入質量分數為5%的HCl溶液浸泡至有大量氣泡產生以去除表面氧化物。活性炭為棒狀顆粒，長度在10 mm左右。
　　1.2實驗裝置
　　實驗裝置示意圖見圖1，在Φ200 mm×500 mm圓柱形有機玻璃反應器中，填入一定體積比的廢鐵屑與活性炭作為微電解床，微電解床的有效高度約為400 mm。印染廢水通過水泵由反應器底部逆流與微電解反應床接觸，再由頂部出口回流至恒溫水浴池，以保證反應過程中溫度保持一致。在反應器下方放置曝氣頭，調節曝氣量。 　　1.3分析方法
　　COD的測定采用重鉻酸鉀法；色度測定采用稀釋倍數法；pH值由pHS-3C精密酸度計測定。
　　2·結果與討論
　　2.1曝氣對降解效果的影響
　　在進水pH值為7，V(Fe)∶V(C)為1∶1，循環時間4 h，循環流速5 L/min，反應溫度為50℃時，調節曝氣量分別為0，0.5，1.0和2.0 m3/h，考察曝氣量對處理效果的影響，其結果見表1。 　　由表1可以看出，曝氣大大提高了循環微電解工藝處理印染廢水的效果。未進行曝氣處理時，廢水色度和COD的去除率僅有58.2%和33.8%，當向反應器中曝氣達1.0 m3/h時，色度和COD的去除率分別上升到70.7%和40.1%，這說明對循環微電解工藝起到了明顯的強化作用。然而，進一步增大曝氣量則對去除效果影響不大，這可能是由于大量的氣泡影響了廢水與鐵炭的接觸，此外過度的攪拌作用也影響了Fe(OH)3和Fe(OH)2絮凝體的形成。因此，綜合考慮去除效果和曝氣過程中的動力消耗，確定反應中最佳的曝氣量為1.0 m3/h。
　　2.2循環時間對降解效果的影響
　　在進水pH值為7，V(Fe)∶V(C)為1∶1，曝氣量為1.0 m3/h，循環流速5 L/min，反應溫度為50℃時，調節廢水在反應器中的循環時間分別為0.5，1，2，4，5，6，7和8 h，考察循環時間對處理效果的影響，其結果見圖2。 　　由圖2可以看出，染料廢水色度和COD的去除主要發生在反應前6 h，在此階段色度和COD的去除率分別達到80%和52.4%。繼續延長反應時間，兩者幾乎不再變化。這是由于隨著反應時間的延長，活性炭的吸附已經達到了飽和。同時曝氣作用也加劇了鐵屑表面的腐蝕，長時間的曝氣微電解反應造成鐵屑氧化、板結，不但無法繼續形成原電池反應，廢水中溶出Fe2+和Fe3+的量也相應減少。因此實驗中確定最佳循環時間為6 h。
　　2.3 pH值對降解效果的影響
　　在V(Fe)∶V(C)為1∶1，曝氣量為1.0 m3/h，循環時間為6 h，循環流速5 L/min，反應溫度為50℃時，調節進水pH值分別為1，3，5，7，9，11和13，考察pH值對處理效果的影響，其結果見圖3。 　　由圖3可以看出，pH值是影響處理效果的重要因素之一。但是各種印染廢水降解情況和pH值之間的關系并不完全一致，這說明染料分子結構的不同，其受pH值的影響也是不一樣的[8]。在本實驗中，當pH值為3時，印染廢水中色度和COD的去除率達到最高，而隨著pH值的進一步升高，二者均呈下降的趨勢。這是由于在偏酸性的條件下微電解床發生以下反應：O2+4H++4e-→2H2O，E0(O2)=1.23 V，在中性或堿性條件下發生反應為O2+2H2O+4e-→4OH-，E0(O2/OH-)=0.41V，而在廢水降解過程中起到主要作用的為酸性條件下的反應。
　　2.4鐵炭體積比對降解效果的影響
　　在進水pH值為3，曝氣量為1.0 m3/h，循環時間為6 h，循環流速5 L/min，反應溫度為50℃時，調節V(Fe)∶V(C)為3∶1，2∶1，1∶1，1∶2，1∶3，考察鐵炭體積比對處理效果的影響，其結果見圖4。 　　由圖4可以看出，鐵屑與活性炭的體積比對印染廢水的降解有較大的影響。在微電解床中添加活性炭顆粒，不僅可以加劇電化學反應，還能在一定程度上防止鐵屑板結，因此隨著活性炭體積的增加，處理效果逐漸提高，在鐵炭體積比為1∶1時，色度和COD的去除率分別達到92%和61.6%。當活性炭添加過量則會抑制去除效果，雖然活性炭較高的比表面積可以有效吸附脫除污染物，然而鐵屑量的相對降低阻礙了微電解反應的進行。因此，實驗中確定最佳鐵炭體積比為1∶1。
　　2.5反應溫度對降解效果的影響
　　在進水pH值為3，V(Fe)∶V(C)為1∶1，曝氣量為1.0 m3/h，循環時間為6 h，循環流速5 L/min時，調節反應溫度分別為40，45，50，55和60℃，考察反應溫度對處理效果的影響，其結果見圖5。 　　由圖5可以看出，隨著反應溫度的升高，廢水的去除效率也逐漸提高。當溫度由40℃上升到60℃的過程中，色度和COD的去除率從85.0%和52.2%提高到95.0%和65.8%，這是因為溫度升高促進了傳質速率和電化學反應速度，有利于降解反應的進行。然而考慮到實際廢水排放水溫在50℃左右，提供過高的溫度需要外部加熱，而在55℃時的去除效果與60℃時相差不多，因此確定最佳反應溫度為55℃。
　　2.6循環流量對降解效果的影響
　　在進水pH值為3，V(Fe)∶V(C)為1∶1，曝氣量為1.0 m3/h，循環時間為6 h，反應溫度為55℃，調節廢水循環流速分別為1，3，5，7和9 L/min，考察循環流速對處理效果的影響，其結果見表2。 　　由表2可以看出，廢水色度和COD的去除率隨著循環流量的提高而下降。其原因是循環量提高，印染廢水在微電解床中的停留時間相對減少，造成廢水無法與鐵屑和活性炭完全接觸。此外，提高循環流速還需要更多的動力消耗。因此，綜合考慮確定最佳循環流速為1 L/min。
　　3·結論
　　采用曝氣循環微電解法對印染廢水預處理，取得了令人滿意的效果。在曝氣量為1.0 m3/h，循環時間6 h，進水pH值為3，V(Fe)∶V(C)為1∶1，反應溫度為55℃，循環流速1 L/min的最佳條件下，廢水中色度及COD去除率分別達到95.0%和68.0%。該工藝是一種廉價、簡便的預處理方法，本研究對該工藝的進一步實際應用具有一定的指導作用。
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