铁碳微电解法处理涂料废水的试验研究

2016-11-25武福平

城市道桥与防洪 2016年2期

关键词：电解法铁碳固液

杨　欣，武福平

（1.甘肃建筑职业技术学院，甘肃兰州 730050；2.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州 730070）

铁碳微电解法处理涂料废水的试验研究

杨欣1，武福平2

（1.甘肃建筑职业技术学院，甘肃兰州 730050；2.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州 730070）

采用铁碳微电解法对涂料清洗废水处理，研究了静态实验中铁碳比、固液比及pH值对COD去除的影响，动态实验中一个运行周期内水质变化情况。实验结果表明：静态实验中，铁碳比为2:1时COD去除率最高，达到43.71%，固液比越高，COD去除率越高，pH越低，COD去除率越高，pH为1，接触时间2 h时，COD去除率最高，达到57.14%。动态试验中,COD去除率达到63.3%，前60 min NHN去除速率较低，随着停留时间的增长，微电解对NH+4-N的去除效果越来越好，120 min时去除率为33.5%。

涂料废水；铁碳微电解；COD去除率

0　引言

涂料废水常常伴随以下特点：间歇性排放，水质和水量波动比较大；废水水量少但污染物组成十分复杂，含多种有毒、难以生化降解处理的高分子和有机化合物；废水的固体物含量高。该类废水处理难度较大，主要处理工艺为物化处理法[1-2]，生物处理法[3-5]和物化法与生化法组合的工艺[6-9]。

微电解法在工业废水处理领域已得到了广泛应用，并且在节能、提高污水可生化性、去除高浓度污染物、脱色等方面做出了显著贡献[10-13]。由于其在经济性、实用性上显示出较大的优势，常被优先选用为组合工艺中的预处理工艺来处理高浓度、难生物降解的有机废水，如垃圾填埋场渗滤液、医药废水等[12-14]。采用铁-碳微电解法处理涂料废水，旨在了解铁碳微电解法对该类废水的处理效果及通过实验确定合理的运行参数。

1　废水水质、实验材料与实验方法

1.1废水水质

本实验涂料清洗废水是某乳胶漆生产公司在更换产品时清洗生产设备和产品包装过程中洗涤滤布产生的。废水主要成分为淀粉，聚乙烯醇，和少量聚醋酸乙烯，主要水质指标如下：COD 400～800 mg/L， pH 7～8，BOD5/COD 0.08～0.125，NH+4-N 30～38 mg/L。

1.2实验材料

铁碳混合物采用海绵铁和无烟煤。海绵铁粒径为2～4 mm，预处理方法为先用清水淘洗，接着用10%氢氧化钠溶液浸泡10 min，去除表面有机物，再用清水冲洗干净，用2%盐酸浸泡20 min，最后用清水冲洗干净备用。无烟煤粒径为0.8～1.2 mm，直接用清水淘洗后晾干备用。

1.3实验装置

1.3.1微电解静态实验

准备若干个具塞250 mL的锥形瓶，分别加入一定量涂料废水，并将一定体积比的海绵铁与无烟煤的混合填料各10 g分别加入其中，置于摇床上反应一个周期(2 h)，倒出反应液，使废水与混合物分离，取15 mL废水离心分离20 min，测定水样水质。

1.3.2微电解动态实验

微电解动态实验装置由高位水箱、有机玻璃柱，出水储水箱等组成(见图1)。有机玻璃柱直径为60 mm，中间采用法兰连接，填料层高度为100 cm，下部为石英砂，高度为10 cm，上部为海绵铁/无烟煤混合物，高度为90 cm。

实验废水由人工加入高位水箱，通过控制流量以控制水力停留时间，在玻璃柱内进行完铁碳微电解反应后经过石英砂过滤，最后进入储水箱。实验在室温条件下进行。

1.4分析方法

图1　动态实验装置图

2　实验过程及分析

2.1微电解静态实验

2.1.1铁碳比对COD去除率的影响

本实验初期对海绵铁与无烟煤混合物的比例进行确定，分别取海绵铁与无烟煤混合物八份(铁和碳的体积比分别为1∶1、1.5∶1、2∶1、2.5∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1)进行实验，测定反应液COD。结果见图2。

图2　不同铁碳比下的COD去除率

根据图2，发现不同铁碳比对COD均有一定的去除能力，但COD去除率并不与铁碳比的升高或降低成正比，当铁碳比从1∶1增加至2∶1时，COD去除率从39.52%提升至43.71%。铁碳比为2∶1和2.5∶1时，COD去除率差距很小，铁碳比为3∶1至6∶1时，COD去除率范围为31.06%～34.09%，但比1∶1～2.5∶1时要低，其中铁碳比为3∶1和6∶1时COD去除率基本一样，铁碳比为2∶1时COD去除率最高。故通过实验选定铁碳比为2∶1。

2.1.2pH对COD去除率的影响

pH能够影响铁碳微电解处理效果，有研究者发现不同pH条件对铁碳微电解处理废水均存在一定影响[16-17]。为了了解pH对COD去除的影响，在铁碳比为为2∶1的条件下，分别测定了pH为1、 3、5、7、9、11、13时COD的去除率(见图3)，从图3可以看出，pH越低，COD去除率越高，pH=1时，COD去除率最高，可达到57.14%。罗旌生、曾抗美等[11]利用铁碳微电解法处理染料生产废水也得到类似结论。若pH过低，在一定程度上会降低氧化还原反应的速度，降低原电池的效应，而且会阻碍Fe(OH)2和Fe(OH)3的生成，Fe与酸反应导致出水Fe2+和Fe3+过高引起溶液色度过高，且需要后续处理投加大量的碱，不利于控制成本[18]。本实验pH从7至13，COD去除率在32.03%～38.09%范围内，差距并不明显，综合上述原因，故不对原水pH(7～8)进行调整。

图3　不同pH下的COD去除率

2.1.3固液比对COD去除率的影响

在铁碳微电解反应中，铁碳混合物的投加量(m)与反应体系中待处理废水的体积(V)之比为固液比(g/L)。利用上述实验结论，即：Fe:C=2∶1，保持原水pH，研究不同固液比对COD去除的影响。为了了解固液比对COD去除的影响，本实验采用停留时间为2 h，固液比分别为50∶1、100∶1、200∶1、300∶1、400∶1、500∶1时，测定出水COD的情况。结果见图4。

图4　不同固液比下的COD去除率

从图4看出，铁-碳微电解反应的处理效率随铁屑用量增加而提高。但是铁屑用量如果超过一定的数值之后，去除率增加并不明显。故认为铁屑量足够时，铁屑量一般不会成为铁-碳微电解法处理的重要影响因素，但若铁屑用量很大，需从经济角度考虑，故固液比不能太高。综上分析固液比选为100∶1。

2.2微电解动态实验

在前述实验结果的基础上，即铁碳比为2∶1，固液比为100∶1，原水pH不调节，进行了以2 h为一个运行周期的动态实验，得到不同反应时间内COD、 NHN去除率及pH的变化，实验结果见图5。 31.06%～43.71%，COD去除率并不与铁碳比的变化成正比，铁碳比为2:1 COD去除率最高，达到43.71%。

图5　一个运行周期内水质变化

（2）pH越低，COD去除率越高，pH=1时，去除率最高，达到57.14%。

（3）固液比越高，COD去除率越高。

（4）在一个运行周期(2 h)内，COD去除率达到63.3%。铁-碳微电解发生氧化还原反应的时间段即为COD去除的时间段，pH变化曲线与COD去除率变化曲线基本相似。前60 min NHN去除速率较慢，随着停留时间的增长，微电解对NHN的去除效果越来越好，120 min时去除率达到33.5%。

从图5可看出，前30 min内pH升高较快，该阶段氧化还原反应剧烈且迅速，与COD去除率变化规律基本一致，在铁碳微电解反应中，阴极反应产生大量[H]和[O]，[H]和[O]均能与废水中许多成分发生氧化还原反应，使有机大分子断链降解，去除部分有机物，废水COD降低，出水时COD去除率达到63.3%。pH变化曲线与COD去除率变化曲线存在较大相似，铁-碳发生氧化还原反应的时间段即为COD去除的时间段。

王锋，周恭明[12]采用铁-碳微电解法处理老龄垃圾填埋场渗滤液，显示微电解中的铁屑对NHN有较好的去除效果。赵振振、蒋建国等[14]利用铁碳微电解法对垃圾填埋场渗滤液进行处理，结论显示铁碳微电解对NHN也有一定的去除能力，但去除率只有约19%。本实验亦了解了铁碳微电解法对涂料废水中NH+4-N的去除能力。从一个运行周期内NH+4-N去除率变化来分析，前60 min NHN去除速率较慢，可能是由于原水中NH+4-N浓度低，随着微电解反应的进行，微电解使废水中的有机氮转化成NHN，再被去除，所以随着反应时间的增长，溶液中NHN越来越多，微电解对NHN去除效果越来越好，120min时去除率达到33.5%。NHN去除可能是[O]的氧化性所致，但是由于铁碳微电解法主要是利用新生态[H]和Fe2+的还原能力，故对NHN去除能力依然有限。

3　结论

（1）铁碳比从1:1～6:1时，COD去除率变化不大，为

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