铁炭内电解法处理印染废水的研究

吴克明,丁倩倩,蒋 卫,郑 旺,宋敏娟,李 贝

(武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北武汉,430081)

印染废水具有色度高、有机污染物含量高且组分复杂、化学需氧量(COD)和生物需氧量(BOD)高的特点,其水质变动范围较大[1]。目前,印染废水主要采用生物法进行处理[2],但由于其水质十分复杂,且部分废水可生化性不高,因此国内印染行业很难实现废水达标排放[3]。近年来,国内外开始尝试采用价格低廉的废弃铁屑和活性炭构成的铁炭内电解法对工业废水、垃圾渗滤液和酸性印染废水等进行预处理。本文针对p H值达12的高碱性、高COD印染废水,采用铁炭内电解法进行处理,得到了较高的色度和COD去除率。

1 铁炭内电解法处理印染废水原理

铁炭内电解法处理印染废水主要包括电化学、絮凝、吸附和还原等过程,其电极反应如下:

电极反应生成的Fe2+、进一步氧化生成的Fe3+及其水合物具有较强的吸附和絮凝活性,特别是加碱后生成的Fe(OH)2和Fe(OH)3胶体絮凝剂,其吸附能力高于一般药剂水解得到的Fe(OH)3,能大量吸附废水中悬浮物及有机大分子,使之絮凝沉淀下来[4]。在偏酸性废水中,电极反应产生的新生态[H]和Fe2+能与有机物和无机物发生氧化还原反应,破坏染料分子中的发色或助色基团,甚至使其断链,从而达到脱色的目的[5-8],并能使某些难降解的有机物还原成易降解的化合物,废水的可生化性也得到了提高。

2 试验

2.1 试验废水

试验处理的印染废水取自武汉某绒布厂,其水质指标为:p H值,12;色度,500倍;CODCr,973 mg/L。

2.2 试验方法

取100 m L印染废水至250 m L烧杯中,用H2SO4调节废水至不同的p H值,加入铁屑(粒径0.45～1.00 mm,用量20 g/L)和活性炭,混合均匀,放入水浴恒温震荡器中,在25℃下震荡一定时间,静置30 min,取上清液测CODCr和色度,比较不同废水p H值、铁炭质量比和反应时间对废水处理效果的影响。

2.3 检测方法

p H值采用PB-10型p H计测定,色度采用H I93727型色度计测定,COD(CODCr)采用重铬酸钾法测定。

3 结果与讨论

3.1 废水p H值对废水处理效果的影响

固定活性炭用量为6 g/L、震荡时间为100 min,用H2SO4调节废水至不同的p H值,得到废水p H值对其CODCr和色度去除率的影响如图1所示。

图1 p H值对废水CODCr和色度去除率的影响Fig.1 Effect of p H on the removal of CODCr and colority in the wastewater

由图1可以看出,随着p H值的升高,废水的CODCr和色度去除率开始增大,当p H值升到一定值时,二者的去除率又呈下降趋势。这是因为,废水偏酸性时,在阴极,氧的标准电极电位在酸性介质中较高,内电解的电位差大,促进了电极反应的发生,产生新生态[H]自由基。[H]能与酚类、醛类等易氧化的有机物发生反应,使C—C链断裂,产生低分子的有机物。而在阳极,溶铁量增加,生成大量的Fe2+。Fe2+能破坏染料的发色基团(如偶氮基),将大分子染料分解为低分子无色物质,使废水的色度降低。并且,Fe2+、Fe3+及其水合物具有较强的吸附和絮凝活性,能捕集、挟裹和吸附悬浮的胶体共沉。废水偏碱性时,Fe2+虽能形成Fe(OH)2和Fe(OH)3,对废水中的胶体或类胶体颗粒有一定的吸附、电中和和桥联等凝聚作用,但铁的腐蚀减弱,电极反应速度减慢,从而造成Fe2+的数量减少,废水色度去除率降低。因此,本试验确定最佳废水p H值为4。

由图1还可以看出,铁炭内电解法对印染废水中CODCr的去除效果比脱色效果差。这是因为去除CODCr需要生成的Fe2+进一步的混凝去除,而染料的发色基团(如偶氮基)的断开还原是一个相对比较容易的过程。

3.2 铁炭质量比对废水处理效果的影响

固定废水p H值为4、震荡时间为100 min,分别加入不同质量的活性炭,得到铁炭质量比对废水处理效果的影响如图2所示。

图2 铁炭质量比对废水CODCr和色度去除率的影响Fig.2 Effect of iron/carbon ratio on the removal of CODCr and colority in the wastewater

由图2可以看出,废水CODCr和色度去除率呈先增大后减小的趋势,其中铁炭质量比对色度的去除效果影响相对较小。铁炭质量比过小,即炭过量时,体系传质速率减慢,电极反应速率下降,导致废水CODCr和色度去除率下降;增大铁炭质量比,电极反应充分,废水CODCr和色度去除率上升;铁炭质量比过大,即炭量过少时,原电池数量不够,废水CODCr和色度去除率下降。铁炭质量比为3.3～5时,废水CODCr和色度去除率相对较大,考虑到出水p H值(铁炭质量比为3.3时,出水p H值最大),确定最佳铁炭质量比为3.3。

3.3 反应时间对废水处理效果的影响

固定废水p H值为4、活性炭用量为6 g/L,在水浴恒温震荡器中震荡不同的时间,得到反应时间对废水处理效果的影响如图3所示。

图3 反应时间对废水CODCr和色度去除率的影响Fig.3 Effect of reaction time on the removal of CODCr and colority in the wastewater

由图3可以看出,随着反应时间的增加,印染废水中CODCr和色度的去除率得到提高,但反应时间超过100 min后,处理效果趋于稳定。其主要原因是:在一定时间内,电极反应完全,吸附作用发生较充分;进一步增加反应时间,部分还原生成的无色或浅色的氨基类有机物,其发色母体未去除,又有可能被重新氧化成显色的硝基类有机物[9]。

3.4 讨论

(1)将p H值从12调为4,在实际应用中可以考虑采用工业废酸或者引入部分酸性染料废水,以降低酸的消耗和生产成本。

(2)可以用p H值为12的原水稀释经铁炭内电解法处理的上清液,将p H值降至7左右,以满足后续生化处理的要求。因为铁炭内电解法只是一个预处理工艺,目的是降低生化处理的负荷。

(3)铁炭内电解法利用工业生产中废弃的铁屑,实现了以废治废,这有利于其推广应用。但实际应用时可能会出现铁屑易结块、易堵塞和沟流等现象,从而降低处理效果。因此,工业反应器不宜采用固定床,进水时可采用射流进水,新型滚筒内电解絮凝床可能是解决该问题的方案之一。

(4)经过内电解处理,铁溶出后生成铁离子絮凝物,其中如果以Fe2+为主,可以通过曝气使Fe2+转化为Fe3+,然后调节p H值使Fe3+形成Fe(OH)3沉淀,并利用重力沉降法去除,必要时可考虑加入一些固体粉末助凝剂加速沉降分离。

4 结论

(1)以废弃铁屑和活性炭构成的铁炭内电解法对高浓度、高碱性印染废水有较好的处理效果。适当的废水p H值、铁炭质量比和足够的反应时间对改善铁炭内电解法的处理效果十分关键。

(2)在印染废水p H值为4、铁炭质量比为3.3及反应时间为100 m in时,废水CODCr和色度去除率分别达到59.6%和82.0%。

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