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循环曝气微电解污水处理技术

发布日期:2019-07-24来源:

循环曝气微电解污水处理技术
  印染废水具有水量大、有机污染物含量高、色度深、碱性高、水质变化大等特点,此外由于染料分子结构复杂、变化多样,因此其生化性差、不易脱色,属难处理的工业废水。目前印染废水的处理方法有氧化法、吸附法、反渗透法、电解法、絮凝沉淀法、混凝-生化法等[1-3]。其中铁碳微电解法因其工艺简单、操作方便、运行费用低等优点,已越来越多地用于印染废水的预处理。微电解的基本原理是利用铁屑和活性炭,形成无数微小的原电池,其中Fe为阳极,C为阴极,在电极反应中得到具有较强活性的新生态[H],与有机物发生氧化还原作用[4-5]。
  在微电解工艺中进行曝气处理,则可以提高废水中氧含量,增加电子受体的数量,扩大电极反应的电势差,提高氧化还原电位,从而强化微电解的作用。此外曝气可以加快废水和铁碳接触面的更新,加速铁的溶出,促进铁碳表面物质的去除,提高微电解反应速度,同时促进微电解产物氧化从而有利于提高絮凝作用[6-7]。
  1·实验部分
  1.1实验材料
  实验中所用印染废水取自青岛凤凰印染有限公司,外观为深蓝色,实际排放水温约为50℃,色度为1 600倍,ρ(COD)为2 210 mg/L。铁屑为工业废弃刨铁花,平均粒径在8~10 mm之间。铁屑使用前先用NaOH溶液(质量分数为10%)浸泡洗去表面油污,然后冲洗干净,放入质量分数为5%的HCl溶液浸泡至有大量气泡产生以去除表面氧化物。活性炭为棒状颗粒,长度在10 mm左右。
  1.2实验装置
  实验装置示意图见图1,在Φ200 mm×500 mm圆柱形有机玻璃反应器中,填入一定体积比的废铁屑与活性炭作为微电解床,微电解床的有效高度约为400 mm。印染废水通过水泵由反应器底部逆流与微电解反应床接触,再由顶部出口回流至恒温水浴池,以保证反应过程中温度保持一致。在反应器下方放置曝气头,调节曝气量。


  1.3分析方法
  COD的测定采用重铬酸钾法;色度测定采用稀释倍数法;pH值由pHS-3C精密酸度计测定。
  2·结果与讨论
  2.1曝气对降解效果的影响
  在进水pH值为7,V(Fe)∶V(C)为1∶1,循环时间4 h,循环流速5 L/min,反应温度为50℃时,调节曝气量分别为0,0.5,1.0和2.0 m3/h,考察曝气量对处理效果的影响,其结果见表1。


  由表1可以看出,曝气大大提高了循环微电解工艺处理印染废水的效果。未进行曝气处理时,废水色度和COD的去除率仅有58.2%和33.8%,当向反应器中曝气达1.0 m3/h时,色度和COD的去除率分别上升到70.7%和40.1%,这说明对循环微电解工艺起到了明显的强化作用。然而,进一步增大曝气量则对去除效果影响不大,这可能是由于大量的气泡影响了废水与铁炭的接触,此外过度的搅拌作用也影响了Fe(OH)3和Fe(OH)2絮凝体的形成。因此,综合考虑去除效果和曝气过程中的动力消耗,确定反应中最佳的曝气量为1.0 m3/h。
  2.2循环时间对降解效果的影响
  在进水pH值为7,V(Fe)∶V(C)为1∶1,曝气量为1.0 m3/h,循环流速5 L/min,反应温度为50℃时,调节废水在反应器中的循环时间分别为0.5,1,2,4,5,6,7和8 h,考察循环时间对处理效果的影响,其结果见图2。


  由图2可以看出,染料废水色度和COD的去除主要发生在反应前6 h,在此阶段色度和COD的去除率分别达到80%和52.4%。继续延长反应时间,两者几乎不再变化。这是由于随着反应时间的延长,活性炭的吸附已经达到了饱和。同时曝气作用也加剧了铁屑表面的腐蚀,长时间的曝气微电解反应造成铁屑氧化、板结,不但无法继续形成原电池反应,废水中溶出Fe2+和Fe3+的量也相应减少。因此实验中确定最佳循环时间为6 h。
  2.3 pH值对降解效果的影响
  在V(Fe)∶V(C)为1∶1,曝气量为1.0 m3/h,循环时间为6 h,循环流速5 L/min,反应温度为50℃时,调节进水pH值分别为1,3,5,7,9,11和13,考察pH值对处理效果的影响,其结果见图3。


  由图3可以看出,pH值是影响处理效果的重要因素之一。但是各种印染废水降解情况和pH值之间的关系并不完全一致,这说明染料分子结构的不同,其受pH值的影响也是不一样的[8]。在本实验中,当pH值为3时,印染废水中色度和COD的去除率达到最高,而随着pH值的进一步升高,二者均呈下降的趋势。这是由于在偏酸性的条件下微电解床发生以下反应:O2+4H++4e-→2H2O,E0(O2)=1.23 V,在中性或碱性条件下发生反应为O2+2H2O+4e-→4OH-,E0(O2/OH-)=0.41V,而在废水降解过程中起到主要作用的为酸性条件下的反应。
  2.4铁炭体积比对降解效果的影响
  在进水pH值为3,曝气量为1.0 m3/h,循环时间为6 h,循环流速5 L/min,反应温度为50℃时,调节V(Fe)∶V(C)为3∶1,2∶1,1∶1,1∶2,1∶3,考察铁炭体积比对处理效果的影响,其结果见图4。


  由图4可以看出,铁屑与活性炭的体积比对印染废水的降解有较大的影响。在微电解床中添加活性炭颗粒,不仅可以加剧电化学反应,还能在一定程度上防止铁屑板结,因此随着活性炭体积的增加,处理效果逐渐提高,在铁炭体积比为1∶1时,色度和COD的去除率分别达到92%和61.6%。当活性炭添加过量则会抑制去除效果,虽然活性炭较高的比表面积可以有效吸附脱除污染物,然而铁屑量的相对降低阻碍了微电解反应的进行。因此,实验中确定最佳铁炭体积比为1∶1。
  2.5反应温度对降解效果的影响
  在进水pH值为3,V(Fe)∶V(C)为1∶1,曝气量为1.0 m3/h,循环时间为6 h,循环流速5 L/min时,调节反应温度分别为40,45,50,55和60℃,考察反应温度对处理效果的影响,其结果见图5。


  由图5可以看出,随着反应温度的升高,废水的去除效率也逐渐提高。当温度由40℃上升到60℃的过程中,色度和COD的去除率从85.0%和52.2%提高到95.0%和65.8%,这是因为温度升高促进了传质速率和电化学反应速度,有利于降解反应的进行。然而考虑到实际废水排放水温在50℃左右,提供过高的温度需要外部加热,而在55℃时的去除效果与60℃时相差不多,因此确定最佳反应温度为55℃。
  2.6循环流量对降解效果的影响
  在进水pH值为3,V(Fe)∶V(C)为1∶1,曝气量为1.0 m3/h,循环时间为6 h,反应温度为55℃,调节废水循环流速分别为1,3,5,7和9 L/min,考察循环流速对处理效果的影响,其结果见表2。
    
  由表2可以看出,废水色度和COD的去除率随着循环流量的提高而下降。其原因是循环量提高,印染废水在微电解床中的停留时间相对减少,造成废水无法与铁屑和活性炭完全接触。此外,提高循环流速还需要更多的动力消耗。因此,综合考虑确定最佳循环流速为1 L/min。
  3·结论
  采用曝气循环微电解法对印染废水预处理,取得了令人满意的效果。在曝气量为1.0 m3/h,循环时间6 h,进水pH值为3,V(Fe)∶V(C)为1∶1,反应温度为55℃,循环流速1 L/min的最佳条件下,废水中色度及COD去除率分别达到95.0%和68.0%。该工艺是一种廉价、简便的预处理方法,本研究对该工艺的进一步实际应用具有一定的指导作用。

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