许佩瑶1,王淑娜1,王德宏2
1 前言
电化学处理印染废水技术近年来发展很快。它不仅能有效地去除废水中的重金属离子,而且能有效地降低ＣＯＤ、ＢＯＤ和色度。此外,其处理设备简单、投资小、操作维护方便,易为中、小型企业接受。
电化学技术分为电解法和内电解法两种。电解法是在废水中外加直流电,通过电解时产生的新生态[Ｏ]和[Ｈ]等氧化和还原物降低废水中的ＣＯＤ。这种方法处理效率高、时间短;但能耗较大,费用相对较高内电解法则是通过内电解槽中铁碳微电池的电化学作用和填料的吸附作用处理废水。其设备简单、操作管理方便、投资少、运行费用低;但处理高浓度、高色度印染废水时效果不够理想,且处理时间长、效率低。
对电解法和内电解法进行单独试验,发现电解法和内电解法在处理印染废水时的最佳工艺条件存在着一定的互补性。首先,电解法处理印染废水最佳ｐＨ值与实际废水ｐＨ值接近,且其出水ｐＨ值恰与内电解法处理时最佳ｐＨ值一致,因此两者联合应用可不用调节废水ｐＨ值,可降低处理成本和运行费用;其次电解法处理废水虽需时少,但能耗高,而内电解法处理需时长但无需耗费电能,将两种方法结合,用内电解法分担电解法的一部分处理负荷,可降低能耗,减少处理费用;第三,在电解法电极形成的外加电场的作用下,内电解槽内微电池的电化学反应速率增大,处理时间减少,处理效率提高。
试验中首先使废水通过电解槽,然后再通过内电解槽进行联合处理,相对单独处理,其处理时间缩短,效率提高。因此,电解 内电解复合处理是一种高效价廉、值得推广的印染废水处理方法。
2 试验方法和材料
2.1 废水指标
废水取自保定印染厂,水质指标如表1所示:
2.2 试验材料
电解槽 自制。电极采用优质钢板,厚度为3ｍｍ,单个电极面积为0.015ｍ2,阴阳电极面积比1∶1,电极间距50ｍｍ。试验时每次废水处理量为500ｍＬ。
内电解槽 在70×350ｍｍ的有机玻璃柱内填充铁屑和炉渣。铁屑取自保定机床厂,用0.1%的盐酸除油、除锈后用清水漂净。炉渣取自锅炉房,并将其粉碎。用10目标准筛网选取一定粒度的铁屑和炉渣。
2.3 试验方法
静态试验 取废水500ｍＬ置于电解槽中,在一定条件下通直流电处理,出水转移至烧杯中,加一定量的铁屑和炉渣搅拌后静置沉淀。
动态试验 在静态试验确定的最佳工艺条件的基础上进行,其装置和工艺流程见图1、2。
2.4 监测
试验中监测ｐＨ值、ＣＯＤ、色度等指标。ｐＨ值测定采用ＰＨＳ-3型精密酸度计;ＣＯＤ采用重铬酸钾法测定;色度采用分光光度法测定,通过各种废水的最大吸收波长扫描,确定模拟废水测定波长为λ=700ｎｍ实际废水测定波长为λ=358ｎｍ。
3 试验内容
3.1 静态试验确定最佳工艺条件
取废水500ｍＬ,采用Ｌ16(45)正交表进行正交试验因素、水平参照若干单色配制水处理工艺条件来确定分别是ｐＨ值、电解电压、电解时间、ＮａＣｌ投加量和内电解槽铁屑投加量等五个因素,每因素取四个水平(见表2),每个试验重复一次。取ＣＯＤ和色度去除率平均值作为评价指标对结果进行分析。试验结果如表3。
由表3试验结果可知,影响ＣＯＤ去除率的因素依次为电解电压、ＮａＣｌ投加量、铁屑投加量、ｐＨ值和电解时间;最佳工艺条件为:电解电压20Ｖ,ＮａＣｌ投加量2ｇ/500ｍＬ,ｐＨ值9,铁屑投加量10ｇ/500ｍＬ,电解时间10ｍｉｎ。
表3还表明,影响色度去除率的因素依次为:Ｎａ Ｃｌ投加量、铁屑投加量、电解时间、电解电压和ｐＨ值;最佳工艺条件为:ＮａＣｌ投加量5ｇ/500ｍＬ,铁屑投加量5ｇ/500ｍＬ,时间15ｍｉｎ,电压15Ｖ,ｐＨ值9。
影响ＣＯＤ和色度去除率的主要因素不同,各因素对两者的影响次序也不同。考虑到色度去除受因素影响较小,且各试验中色度去除率均达到93%以上,因此在结果分析中主要以ＣＯＤ去除率为评价指标。
在最佳工艺条件下,以同样方法对原废水进行两次静态试验,结果如表4。
3.2 动态试验
模拟实际工程中的废水处理工艺,自行设计处理槽和处理流程。试验条件:循环泵流量0.8Ｌ/ｍｉｎ、系统水容量26Ｌ、反应器中铁屑 炉渣容积约2.3Ｌ。
采用静态试验中确定的去除ＣＯＤ的最佳工艺条件,试验时未调节废水ｐＨ值,结果如图3所示。
由图3可看出,当循环5ｈ后废水处理曲线趋于平稳,此后在消耗更多电能的情况下,ＣＯＤ和色度去除率增加不大。因此,最佳循环处理时间定为5ｈ,此时废水ＣＯＤ去除率为83%,色度去除率为88%,出水的残余ＣＯＤ为224.7ｍｇ/Ｌ,接近无色。如用电解法单独处理达到同样效果需时8ｈ以上。由此可知,复合法处理印染废水可大大节约处理时间和处理费用。
4 结果与讨论
4.1 工艺条件对处理效果的影响
4.1.1 ｐＨ值
用内电解法单独处理废水时,ｐＨ值是影响ＣＯＤ和色度去除的主要因素,但在复合电解法中,ｐＨ值则是次要因素。这说明对污染物去除起主要作用的是电解,内电解仅起辅助作用。而且,静态试验确定的最佳ｐＨ值与印染废水本身的ｐＨ值基本一致,所以用复合电解法处理印染废水不需调节ｐＨ值,这样既简化工序,又节约投资,降低运行费用。
4.1.2 ＮａＣｌ投加量
ＮａＣｌ投加量是影响色度去除的主要因素,影响ＣＯＤ去除的次主要因素,而且对两者的影响趋势恰好相反。这可能是由于氯离子在阳极失去电子生成高价态氯化物,如次氯酸等具有强氧化性,能破坏染料的发色基团,提高脱色率。但是与此同时,也能与有机物发生取代反应形成难以电解破坏的有机氯化物,使ＣＯＤ的去除变得困难。所以ＮａＣｌ投加量不宜太高。
4.1.3 铁屑投加量和处理时间
铁屑投加量和处理时间对色度去除的影响要大于对ＣＯＤ去除的影响,说明内电解法在色度去除中所起的作用比在ＣＯＤ去除中所起的作用大。这是因为内电解形成的微电池在废水中分布广,数目多而小,与染料分子发生微观反应,有效地破坏染料分子的发色基团,从而达到去除染料废水的色度。而对于ＣＯＤ的去除来说,内电解法电池反应的电极电位差较小、反应速度较慢、生成的絮体与电解法相比较少,所以对ＣＯＤ的去除率较低。
ＣＯＤ和色度去除率均随处理时间的增加而提高。所以,在实际处理过程中,当印染废水的水质发生变化时,可适当增加处理时间来保证处理效果和出水水质,这对水质变化剧烈的印染废水来说很有意义。
4.2 电解
内电解复合处理的机理和协同效应电解 内电解复合法处理印染废水是电解法和内电解法处理的有机结合,主要有电化学作用、自由基反应、气浮作用和絮凝作用等。
电解法和内电解法之间存在着很强的互补性。通过电解法电极产生的电场可以增强内电解法的电极电位差,加快内电解反应速率,提高内电解法处理印染废水的效率;而内电解法形成的微电池在废水中分布广,数目多,可以分担电解法的处理负荷,进一步缩短电解法处理印染废水所需的处理时间,而且内电解法对色度的去除很有效。
电解-内电解复合电解法处理印染废水时,电解法起主要作用,而内电解法起辅助作用。无论在ＣＯＤ去除中,还是在色度去除中,铁屑投加率都不是影响处理效果的主要因素。去除ＣＯＤ的主要作用是电解产生的Ｆｅ(ＯＨ)3絮体的絮凝沉降作用;去除色度的主要作用则是电解时产生的高价态氯化物的强氧化性,如ＣｌＯ-等。
5 结论
电解法和内电解法之间有较强的协同效应,两者联合使用可缩短处理时间,减小能耗,ＣＯＤ去除率能达到83%、色度去除率能达到88%左右。出水基本无色,达到国家废水行业排放标准。
处理出水有时存在余铁含量较高的问题,建议最好在处理时给废水曝气。这样既可以提高废水中溶解氧含量,使水中的Ｆｅ2+被充分氧化生成Ｆｅ(ＯＨ)3而絮凝沉淀,又能增强水流湍动,使电解产物与废水中的污染物充分接触,提高电解和内电解法对废水的处理效果,还可在很大程度上缓解电极板和铁屑的钝化现象。
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