实验室废水处理装置研究与设计

李延秀　刘学文　马国立

摘要 实验中经常产生有害气体、液体或固体，直接排出则污染周围的空气和水源，危害环境，危害人体健康，为此设计试制了实验室废水处理装置。该装置分酸性系统和碱性系统两部分，酸性系统利用原电池原理处理重金属离子，并提供部分电能；碱性系统利用太阳能电池产生的电能和部分酸性系统电能，对碱性废水中的重金属离子进行电解，形成沉淀物或浮渣，实现废水的污染物减量和无害化。运行结果表明，该装置具有较好的推广应用前景。

关键词 废水；原电池；电解池；太阳能

中图分类号 S181.5 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）15-216-02

Research and Design of Laboratory Waste Water Treatment Device

LI Yanxiu1， LIU Xuewen1*， MA Guoli2*

（1. Resources and Environment Department of Binzhou University， Binzhou， Shandong 256603； 2. Department of Optical Engineering of Binzhou University， Binzhou， Shandong 256603）

Abstract The harmful gas， liquid or solid， often occur in the experiment， the direct discharge is around the air and water， it harms the environment and human health， so the laboratory waste water treatment device is designed. The device is divided into two parts of acidic and alkaline system， the acidic system treat heavy metal ions by primary battery principle and provide part of the energy， basic system electrolysis heavy metal ions of alkaline wastewater using electricity of solar cells and part of electric energy of acid system， the pollutants of waste water become deposits or scum， then achieve the goal of pollutant reduction and harmless treatment of waste water. The running result shows that the device has good popularization and application prospect.

Key words Waste water； Primary battery； Electrolytic cell； Solar energy

實验室废水因水量小、污染物种类复杂等原因常稀释后排放，对其综合处理的相关研究较少。实验室废水的处理不同于工业污水处理，只能采用多单元处理系统进行分类处理，才能降低处理难度和处理费用，简化操作。常见废水处理技术包括生物法和物化法，对有机物浓度高、毒性强、水质水量不稳定的实验室废水，生物法处理效果不理想，物化法具有明显的优势[1-2]。物化法可实现实验室废弃物分类处理和可用物质的回收循环再利用，不仅减少化学药品的浪费，更重要的是减轻环境污染。

笔者针对实验室废水中污染物含量高和离子、有机物排放量大的现状，研制了无外接能源的水处理系统，试制了选择性好、稳定性好、寿命长、成本较低的可去除重金属、有机物等的新型水处理系统。

1 设计原理

1.1 水处理系统

1.1.1 酸性系统。利用原电池原理，设置铁棒与碳棒相间林立，形成多个小型原电池，主反应是铁置换酸性废水中的重金属离子。

负极反应：Fe-2e-→Fe2+，Fe2+-e- →Fe3+；

正极反应：Sn、Pb、H、Cu、Hg、Ag、Pt、Au等离子先后转换为相应单质，沉积于碳棒或以气体形式冒出。

1.1.2 碱性系统。利用电解原理[3]，阴阳极分别用铝板和铁板。通过电解池将溶液中的金属离子还原为单质附着在阴极上。

阳极反应：Fe-2e-→Fe2+，Fe2+-e-→Fe3+；

阴极反应：可反应的金属离子（包括氢离子）。

1.2 太阳能供电系统

根据相关文献资料，通过供电、用电两系统的对接参数，确定压差、流速等条件，优化通量和回收率参数，实现较低运行成本、不需外接能源的研究目标。

2 流程说明

2.1 废水处理部分

通过pH探头检测，利用电磁阀控制对酸碱性废水的分流处理（图1），保证处理效果，降低处理成本。

酸性废水处理单元：存在能用铁置换的重金属离子时，通过铁棒和碳棒收集储存反应所产生的电能，送至太阳能供电系统的蓄电池，废水pH渐变至中性，此时反应生成的铁离子可变为具有絮凝作用的水合物，吸附并沉降废水中的有机物和重金属离子。碱性废水处理单元：重金属离子发生电解反应时，铁离子可在碱性条件下产生絮凝作用，处理废液中的有机物或离子。另外，需解决放大实验中废水水质变化带来的设备适应性问题。

2.2 太阳能供电单元

提高供电、用电两系统的匹配合理性，提高太阳能供电系统效率效果，优化直流、交流转换效率。具体电路設计见图2。

3 单元工作性能分析

3.1 酸性原电池

铁-碳之间形成了无数个小型原电池，电位低的铁为正极，电位高的碳为负极，在酸性废水中发生了电化学反应，铁发生氧化反应变成二价或三价铁离子进入废水，被还原的金属沉积在负极上，反应不断进行，pH逐渐升高，铁离子与氢氧根作用形成具有混凝作用的氢氧化物，与污水中带负电荷的污染物颗粒相吸，形成絮凝物（也叫铁泥）而沉降[4-5]。

负极：Fe-2e-→Fe2+，Fe2+-e-→Fe3+；

正极：Sn、Pb、Cu、Hg、Ag、Pt、Au等离子还原为单质。

理论上讲，只要活性低于铁的，都可能被置换出来，从而达到除去重金属的目的。

3.2 碱性电解池

接电源正极的电极，可从溶液中接受电子，输送给外部电源，称为阳极，另一端为阴极。废水中的阴离子向阳极迁移，并在阳极上释放电子，发生氧化反应；阳离子则向阴极迁移，并从阴极上获得电子，发生还原反应。

使用铝或铁作为阳极时，Al和Fe被氧化，逐渐以离子状态溶入废水中，因pH大于7，极易生成氢氧化物，成为混凝剂，进而对各种悬浮物、胶体实现沉淀处理。

当电极自身不参与反应时，在阳极、阴极表面可生成氢气和氧气，并以微小气泡形式逸出，气泡上升的过程中，可以吸附到颗粒污染物上，产生气浮分离的效果，废水中的污染物可以以浮渣形式去除[6]。

4 实验验证

选择化学实验所产生的实验废水进行实验验证，该实验废水为酸性的含硫酸铜废水，经过该装置处理后，废水pH升

至6.8，废水颜色也由浅淡蓝色变为近无色，装置全自动运行，操作较简单，具体反应为：

正极：Cu2++2e-→Cu，2H++e-→H2；负极：Fe-2e-→Fe2+，Fe2+-e-→Fe3+。

反应结果：废水中的铜离子减少，铁离子增加，废水中的铜离子被铁置换，使废水颜色由浅淡蓝色变为几乎无色。废水中的氢离子也被部分置换，使废水的pH不断变大，进而铁离子与氢氧根离子生成具有混凝作用的氢氧化物，部分有机物也因絮凝作用而沉降，所以水体明显变清[7]，经测定，达到排放水质标准。

5 结论

该装置试制时采用了全自动控制系统，处理工艺简洁，操作方便，经实验验证后认为处理效果良好，其优势主要在于：①率先采用“太阳能系统+先进水处理技术”的工艺处理废水，不需要外接能源，符合国家节能减排以及污染物资源化的污染治理方针；②率先采用多类型集成水处理技术，经技术完善和优化后，可望实现一套装置同时面向多种废水的处理模式；③易实现自动控制，避免了人为操作失误，增加了操作的可靠性，减少了工作量，降低了人力成本，具有较好的市场推广前景。

参考文献

[1] 张建梅.重金属废水处理技术研究进展[J].西安联合大学学报，2003，2（6）：55-59.

[2] 孟详和.重金属废水处理[M].北京：化学工业出版社，2000：21-25.