微电解-JS试剂法处理印染废水的研究

2022-03-09张天芳

湖南有色金属 2022年1期

张天芳

（1.株洲市城市排水有限公司霞湾污水处理厂，湖南株洲 412000；2.株洲市水务投资集团有限公司技术创新中心，湖南株洲 412000）

纺织业中棉、毛、化纤等纺织品在生产过程会排出一定量的废水，主要产生于纺织品预处理、染色、印花等工序中，称之为印染废水［1］。因印染生产工艺复杂且生产品种多样，所以印染废水具有浓度高、色度大、成分复杂、变化大、处理难度大等特点［2］。印染废水常用的处理技术有：化学法（混凝、氧化等）、物理法（吸附等）、生物法等［3］。化学法处理印染废水的的不足之处在于需要根据水质中污染物的浓度变化而改变药剂投加量及投加条件，当废水中污染物浓度升高时将导致生产运营成本升高；物理吸附法的不足之处主要在于吸附材料存在吸附饱和，其对污染物的吸附去除效率随时间的延长而降低，吸附剂再生后产生的废液会产生二次污染，且再生后的吸附剂对污染物的吸附去除效率会降低；生物法的不足之处在于，微生物生存环境要求高，印染废水多为难降解高分子有机物，同时具有一定毒性，传统的微生物很难适应水质波动大的印染废水，与此同时，生物法构筑物占地面积大，对操作人员素质要求高［4～6］。因此，印染废水采用单一的处理方法很难满足当前的环保排放要求，需根据水质特点将多种处理方法进行组合，寻找新的工艺路径。

本研究提出了微电解-JS试剂法处理印染废水的工艺。印染废水首先通过酸化絮凝预处理，再利用自制高活性微电解填料协同自行开发的JS试剂处理，最后通过加入石灰调节pH值并进行混凝沉淀。该工艺具备占地面积少、适应性强、药剂投加量少、投资少等优点。该研究以COD、SS为特征指标，分别考察了预处理中酸化的pH值、微电解的曝气时间、JS试剂的反应投加量以及混凝反应的pH值对印染废水的处理效果，印染废水经过该工艺处理后达到《污水综合排放标准》（GW 8978-1996）中一级排放标准。

1 试验材料与方法

1.1 试验废水

印染废水取自某厂调理池废水，该废水为黑紫色液体，有异味。主要成分为分散染料、渗透剂、自来水，少量的布屑及树脂，水质分析表见表1。

表1 印染废水水质分析表

1.2 高活性微电解填料制备

1.将废铁屑经10%NaOH碱洗30 min去油，之后采用体积分数10%H2SO4对其进行酸洗活化，时间为30 min，放置于干燥箱中80℃干燥3 h。

2.按一定配比称取原料，通过粉碎机粉碎混合确保原料粒径均一，粒径控制在：0.104～0.074 mm，其配比为：60%经活化后铁屑、20%的活性碳粉、15%的有色金属或稀土金属催化剂、5%的造孔剂。

3.向制备好的原料中加入适量水，搅拌均匀后捏制成型，放置于干燥箱中80℃干燥3 h。

4.将制备成型的填料装入坩埚，置于气氛炉中，抽真空后烧结1 h，烧结温度为1 200℃，升温速率为15℃／min。烧结完成，待炉自然冷却后取出，即为高活性微电解填料。

1.3 JS试剂

JS试剂是一种自行开发的水处理剂，其主要作用为强化微电解反应中的氧化还原反应，加速有机物断链等反应速率。

1.4 微电解-JS试剂法处理印染废水工艺流程

微电解-JS试剂法处理印染废水流程如图1所示，主要步骤如下：

图1 微电解-JS试剂法处理印染废水流程图

1.预处理：取适量印染废水加入硫酸，调整废水pH值，加入一定量的絮凝剂搅拌一定的时间，静置絮凝沉淀，抽滤。

2.微电解-JS试剂处理：在经预处理后的滤液中加入适量高活性微电解填料，加入适量JS试剂，并通过曝气处理一定时间。

3.混凝处理：经上述处理后的印染废水中加入石灰调节pH值进行混凝反应，加入絮凝剂搅拌一定的时间，静置絮凝沉淀，抽滤。

1.5 微电解-JS试剂法处理印染废水性能评价

衡量处理印染废水最主要的指标分别为是COD、SS和色度。考察微电解-JS试剂处理印染废水能力则用COD和SS的去除率来进行评价，分别用XCOD、XSS来表示，其公式分别如公式（1）和公式（2）：

式中：C0（COD）与C0（SS）分别表示废水中COD与SS反应前的浓度／mg·L-1；C1（COD）与C1（SS）分别表示废水中COD、SS反应后的浓度／mg·L-1。

1.6 试验分析方法

COD采用重铬酸钾法（GB 11914-89），SS采用蒸发称重法（GB 11901-89），pH采用pH自动定位滴定仪测定。

2 结果与讨论

2.1 预处理pH值对微电解-JS试剂法处理印染废水的影响

取印染废水200 mL加入稀硫酸，分别调整废水pH值2.0、3.0、4.0、5.0、6.0，搅拌10 min后加入PAM絮凝沉降，原水开始絮凝成团，结束搅拌后静置，絮凝物逐渐沉降，至水变清澈。抽滤后检测水中COD及SS，结果见表2。

表2 预处理pH值对印染废水预处理效果的影响

通过试验结果和试验现象分析，当pH值降低到2时，废水中COD脱除率最高31.9%，SS脱除率最高60.5%，预处理出水较清澈，色度明显降低，且有利于后续的微电解工序降低废水COD与高效脱色。分析原因主要是降低原水pH值后原水中染色剂和增稠剂分子键断裂，分子性能失去稳定性，与此同时在絮凝剂的作用下，污染物颗粒絮凝成团后沉降。

当废水pH值为2时，废水中COD及SS脱除率最高，但与原水pH值为3时COD去除率与SS脱除率相差不大，综合考虑降低pH值消耗的硫酸成本，该废水预处理采用加入硫酸调节pH值为3。

2.2 微电解曝气时间对微电解-JS试剂法处理印染废水的影响

取经预处理后印染废水200 mL和等体积的高活性微电解填料置于500 mL的烧杯中，加入2 mL JS试剂，分别曝气30 min，60 min，90 min，120 min和150 min，取处理后的印染废水，经过滤后检测净化水中COD及SS。

从表3中可以看出，废水中COD与SS的脱除率随着曝气时间的延长而升高，当曝气时间达到120 min时，废水中COD脱除率最高86.9%，SS脱除率最高66.0%。但继续延长曝气时间，废水中COD与SS脱除率反而下降，这是由于随着反应时间的延长，高活性微电解填料中铁的消耗增加，Fe2+增多，检测时消耗了氧化剂，导致检测结果偏高。分析微电解反应能有效降低废水中COD及SS的原因主要有：

表3 微电解曝气时间对微电解-JS试剂法处理印染废水的影响

1.高活性微电解填料中的氧化还原反应可有效降解印染废水中COD。

铁是活泼金属，当废水呈酸性时主要发生如下反应：

Fe+2H+→Fe2++H2

铁在废水中可发生氧化还原反应，可将金属活动性顺序表中铁后面的金属置换出来，同理，铁还可以将部分离子或有机化合物还原成毒性较小的还原态。例如，分散染料常含有硝基、卤素原子、氰基、氨基，其中的硝基苯可被金属铁还原成胺基，还原成胺基后色度明显降低。与此同时，如果废水本身含有氧化剂或投加氧化剂（如H2O2），此时水中被氧化形成的Fe2+可被进一步氧化为Fe3+，Fe3+是一种优良的絮凝剂，可对废水中的悬浮物起到絮凝沉淀作用。

2.高活性微电解填料在与废水的反应中还会形成原电池反应，能有效地降解废水中的COD，破坏废水中发色物质的发色结构。微电解填料发生的原电池反应主要分为微观电池与宏观电池。微电解填料中的碳化铁是一种分散在填料内的极小颗粒，当填料浸入水中时，纯铁为阳极，碳化铁及杂质则为阴极，可发生成千上万个细小微电极反应，形成微观电池。纯铁与活性碳等宏观阴极材料发生反应又可以形成宏观电池。基本电极反应如下：

阳极反应：

Fe-2e→Fe2+

阴极反应：

2H++2e→H2

当有O2时，阴极反应为：

O2+4H++4e→2H2O（酸性溶液）

3.高活性微电解填料是一种多孔性的材料，除具有较大的比表面积外，其表面还含有大量不饱和键和含氧活性基团，具有较强的活性，能吸附废水中的无机或有机污染物，净化废水，从而降低印染废水中的COD与SS。

所以可以看出高活性微电解填料能有效降低废水中COD及SS，但随着曝气时间的延长，微电解反应会达到一个平衡点，故选择微电解处理废水的曝气时间为120 min。

2.3 JS试剂投加量对微电解-JS试剂法处理印染废水的影响

取经预处理后印染废水200 mL和等体积的铁碳填料于500 mL的烧杯中，分别加入JS试剂0.05 mL、0.1 mL、0.15 mL、0.2 mL、0.25 mL，曝气120 min取出铁碳填料，取处理后的印染废水，经过滤后检测净化水中COD及SS，结果见表4。

表4 JS试剂投加量对微电解-JS试剂法处理印染废水的影响

由表4可知，随着JS试剂的加入，COD及SS的脱除率逐步上升，当JS试剂加入量达到0.2 mL时，废水中COD脱除率最高86.5%，SS脱除率最高66.0%。但随着药剂量的增加，去除效果反而下降，说明JS试剂的使用量有一个平衡点。JS试剂作为一种自行开发的试剂，具有氧化性，可断开染料分子中的不饱和键，形成分子量较小、毒性较小的有机物或无机物，从而降解有机物，并破坏发色基团使染料失去发色能力。然而过量的JS试剂在检测时会被强氧化剂进一步氧化，消耗试剂中氧化剂的量，导致检测结果较高。故JS试剂最佳投加量为0.2 mL。

2.4 混凝反应pH值对微电解-JS试剂法处理印染废水的影响

取经微电解处理后印染废水200 mL，加入适量石灰分别调节pH值为7、8、9、10、11，混凝反应30 min，加入PAM絮凝沉淀，过滤后检测净化水中COD及SS，结果见表5。

表5 混凝反应pH值对微电解-JS试剂法处理印染废水的影响

从表5可以看出，混凝反应过程中，随着混凝反应pH值的升高，废水中的COD、SS的去除率逐渐上升，当pH值达到9时，再升高pH值，COD、SS的去除率变化不大。这说明通过混凝反应升高pH值有利于废水中COD、SS的进一步去除，由于无论是净化水回用还是外排都要求pH值在6～9，且综合考虑到成本，所以混凝反应pH值确定为9。

石灰是一种传统廉价的混凝剂，石灰在水中的有效成分主要为Ca（OH）2，预处理中投加的稀硫酸使水中含有大量的游离SO2-4，在混凝反应中Ca2+会与游离SO2-4反应，生成难溶于水的CaSO4。与此同时，在酸性条件下，用高活性微电解填料处理废水时，会产生Fe2+和Fe3+。Fe2+和Fe3+是很好的絮凝剂，当石灰把溶液pH调至碱性后会形成Fe（OH）2和Fe（OH）3絮凝沉淀。Fe（OH）3是一种性质优良的胶体絮凝剂，可以将废水中原有的以及微电解反应产生的不溶悬浮物吸附凝聚。

反应式如下：

这些物质都能吸附有机物与悬浮物，最终通过泥水分离去除，从而降低废水中的COD与SS。

3 微电解-JS试剂法处理印染废水成本分析

印染废水工艺处理消耗药剂主要为高活性微电解填料、JS试剂、稀硫酸、石灰及絮凝剂PAM，根据小试试验，各药剂的消耗量、价格、成本估算见表6。

表6 印染废水处理新工艺处理药剂消耗量及价格

高活性微电解填料属于消耗性产品，更换周期需根据废水情况（废水中污染物含量、pH值），一般年消耗量在15%左右，合计约40万元／a（以处理量1 000 m3／d计算），即高活性微电解填料成本约为1.09元／m3。日常运行需投加稀H2SO4、JS试剂、石灰、絮凝剂等药剂。在进水COD浓度非偏高的情况下（≤1 000 mg／L）药剂成本约为5.525元／m3，另外曝气所产生的成本约为0.15元／m3，所以本工艺处理废水成本约为7.565元／m3。

相对其它印染废水处理方法，微电解-JS试剂方法具有操作方便、节能环保，耐冲击负荷能力强，污染物去除效率高的优点。