鐵屑炭粒微電解法處理模擬有機廢水研究

陳 武，張雪光，梅 平 (長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州 434023)

王 曉 (中國石油天然氣第一建設有限公司，河南 洛陽 471003)

牛霜杰 (勝利油田有限公司東辛采油廠,山東 東營 257000)

陳 武，張雪光，梅 平 (長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州 434023)

王 曉 (中國石油天然氣第一建設有限公司，河南 洛陽 471003)

牛霜杰 (勝利油田有限公司東辛采油廠,山東 東營 257000)

以廢鐵屑和活性炭制作了微電解反應器，對鐵屑-炭粒微電解法處理含甲基橙和苯酚的模擬有機廢水試驗的效率和影響因素，得到了鐵炭微電解處理模擬有機廢水的最佳條件。結(jié)果表明，廢水pH值、鐵炭混合比、處理時間、廢水礦化度等因素對鐵炭微電解法去除廢水COD和色度有顯著影響，在最佳條件廢水pH為3.0，處理時間為70min，鐵炭質(zhì)量比為6∶1，CaCl2加量為3.0g/L下處理模擬有機廢水，COD去除率為72.5%，脫色率為98%。因此，微電解法可作為有機廢水有效的預處理方式。

鐵屑；活性炭；微電解法；有機廢水；COD；色度

目前有機污染是水環(huán)境污染最典型的特征，其主要污染途徑是工業(yè)、農(nóng)業(yè)等有機廢水的排放。特別是由于工業(yè)的發(fā)展，排入水體中的有機物種類增多，成份更復雜，治理難度加大，使傳統(tǒng)的處理方法如吸附法、生化法、混凝沉降法等已經(jīng)難以滿足凈化處理的經(jīng)濟和技術(shù)要求，導致有機廢水排放達標率不高，造成全國各大水系均受到了不同程度有機污染，使受納水體缺氧，水生物死亡，水體發(fā)黑發(fā)臭，使水體失去使用價值，有毒的有機物甚至會通過食物鏈危害人們的生活和身體健康[1,2]。因此，人們開發(fā)了一些新的有機廢水處理技術(shù)，如濕式氧化法、超臨界水氧化法、臭氧氧化法、酶催化法、生物法、納米光催化劑等[3]。但這些技術(shù)也已表現(xiàn)出一些很難克服的缺點，如生物法只能處理可生物降解的有機物；濕式空氣氧化法和超臨界氧化法需要高溫高壓設備，處理條件苛刻；化學氧化法處理成本高；酶催化法的酶活性問題仍需解決；而利用納米光催化劑降解有機物，分離回收催化劑問題仍待解決[4～7]。

微電解法是近年來國內(nèi)水處理研究的熱點之一，它不僅工藝簡單，操作方便、運行費用低，還具有以廢治廢的意義。用于處理有機廢水能有效地去除廢水的色度及降低COD(化學耗氧量)，可提高廢水的可生化性，在國內(nèi)該法主要是作為生物處理的前端處理步驟。張群綢等[8]、樊金紅等[9]、郝瑞霞等[10]和蔡天明等[11]利用不同形式的微電解法直接處理或與生物曝氣等工藝組合處理硝基苯廢水、印染廢水等都獲得了較高的脫色率和COD去除率。筆者以廢鐵屑和活性炭制作微電解裝置處理模擬有機廢水，對展鐵炭微電解法處理有機廢水的效率和影響因素進行了研究*長江大學博士科研啟動基金項目。。

1 試驗材料和方法

1.1試驗水樣

將一定量的甲基橙、苯酚溶于去離子水得到模擬有機廢水，模擬廢水的pH為6.5、CODCr為4683.66mg/L、色度為1500，試驗過程中將其稀釋后使用。

1.2試驗裝置

1.3試驗方法

在試驗中取一定量的模擬廢水放入微電解反應器中，在不同的條件下進行處理，每隔一定時間取樣測定處理后水樣的色度和COD值，評價微電解水處理效果。COD的測定按中華人民共和國標準方法進行，色度采用稀釋倍數(shù)法測定[12]。

2 結(jié)果和討論

2.1鐵屑炭粒混合比例對微電解處理廢水效率的影響

圖1 鐵屑炭?；旌媳壤c廢水處理效率關系

為了得到鐵屑與炭?；旌系淖罴驯壤韵♂尯蟮哪M有機廢水(CODCr為1860.6mg/L，色度為800)為處理對象，用微電解反應器處理70min,鐵屑炭?；旌媳壤龑ξ㈦娊馓幚韽U水效率的影響如圖1所示。

從圖1可知，鐵炭混合比例對COD去除率和脫色率有顯著影響，總的趨勢是隨著鐵炭質(zhì)量比的增大，COD去除率和脫色率也逐漸增大。在鐵炭質(zhì)量比為3∶1～6∶1之間COD去除率和脫色率幾乎是呈線性增加，這是由于隨著鐵量的不斷加入，使體系內(nèi)原電池的數(shù)量增多，處理效率提高。當鐵炭質(zhì)量比在6∶1增加到7∶1時，COD去除率和脫色率總體上升趨于平緩，所以試驗中將鐵炭比控制在6∶1～7∶1。

2.2微電解時間與處理廢水效率關系

將鐵炭質(zhì)量比按6∶1混合填充成固定床微電解反應器，處理模擬有機廢水(CODCr為1860.6mg/L，色度為800)，微電解時間與處理廢水效率的關系如圖2所示。

從圖2可知，隨著反應時間的延長，脫色率和COD去除率均呈明顯的升高趨勢，且脫色率明顯高于COD去除率。這是由于活性炭具有很強的吸附作用，首先將溶液中的有色有機物吸附而去除，反應時間延長，原電池反應逐漸加劇，COD去除率大幅提高。但當反應時間超過60～75min后，脫色率和COD去除率增加幅度變小，這是由于鐵表面逐漸被氧化的緣故，原電池反應也基本到達終點，對脫除色度和COD已無明顯作用。從經(jīng)濟省時的角度考慮，確定微電解時間為60～70min。

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2.3廢水pH值對微電解處理廢水效率的影響

將鐵炭質(zhì)量比按6∶1混合填充成固定床微電解反應器，處理模擬有機廢水(CODCr為1860.6mg/L，色度為800)60min，廢水pH與處理效率的關系如圖3所示。

圖2 微電解時間與處理廢水效率的關系 圖3 廢水pH與處理效率的關系

從圖3看出，pH值不同，COD去除率和脫色率也隨之變化，廢水pH值越小，處理效果越好。但pHgt;4時，曲線己趨平緩。故將進pH值控制在3～4的范圍內(nèi)，此時的COD去除率和脫色率都比較高。pH值過低，一方面，加重了對微電解處理設備的侵蝕和后續(xù)處理的負荷和成本，另一方面，溶鐵量增大，過量Fe2+會影響處理水的色度和CODCr測定，從而掩蓋了微電解法去除有機物的部分效果。過量H+的還會與Fe和Fe(OH)2反應，破壞絮凝體。因此，試驗研究中將進水的pH值控制在3～4的范圍內(nèi)。

2.4廢水礦化度對微電解處理廢水效率的影響

為了研究廢水的礦化度對微電解處理廢水效果的影響，調(diào)節(jié)廢水(CODCr為1860.6mg/L，色度為800)pH為4，并分別向廢水中加入不同量的Al2(SO4)3、CaCl2、NaCl，用鐵炭質(zhì)量比為6∶1微電解反應器處理60min，取處理后的水樣測COD、色度，不同電解質(zhì)投加量與處理效果的關系如圖4、圖5所示。

圖4 不同電解質(zhì)投加量與COD去除率的關系 圖5 不同電解質(zhì)投加量與脫色率的關系

從圖4、圖5可以看出，向廢水中投加Al2(SO4)3、CaCl2對提高微電解脫色率和COD去除率有顯著效果，并且都比投加NaCl的效果明顯。這是因為Al2(SO4)3是一種無機混凝劑，它投加到水中后，Al3+及其水解聚羥陽離子通過電中和，壓縮雙電層等作用使有機分子形成的帶負電的膠體或懸浮顆粒發(fā)生脫穩(wěn)，相互凝聚，最終沉降下來，這就是混凝脫色過程。但投加過多時，處理效率反而下降。加入CaCl2后，在鐵炭微電解反應中有利于Fe2+、Fe3+形成絮凝體，從而提高脫色率和COD去除率，其原理與Al2(SO4)3類似。由于CaCl2是許多化工廠丟棄的廢渣，來源廣泛且廉價易得，不僅能節(jié)省處理費用而且能收到以廢治廢的效果。因此，綜合考慮水處理效果和成本，確定向模擬有機廢水中加CaCl2提高微電解水處理效率，其較適投加量取2.50g/L為宜。

2.5鐵炭使用次數(shù)對微電解處理廢水效率的影響

圖6 鐵炭使用次數(shù)與COD去除率和脫色率間的關系

在上述試驗得到的根據(jù)前面的所得到的較佳條件，不更換微電解反應器中的鐵屑和炭粒，處理模擬有機廢水(CODCr為1860.6mg/L，色度為800)7次，分別取每次處理后的水樣測其COD和色度，得到鐵炭使用次數(shù)與COD去除率和脫色率間的關系如圖6所示。

由圖6可以看出，在隨著反應次數(shù)的增加，處理效果逐漸下降，這是因為在不斷的使用過程中，鐵屑表面在電極反應的作用下不斷溶出Fe2+，其水解產(chǎn)物Fe(OH)2持續(xù)產(chǎn)生并覆蓋在鐵屑表面，使原電池化學作用減弱，從而出現(xiàn)“疲勞”現(xiàn)象，脫色率就下降。另一個導致脫色率下降的原因是鐵屑的比重較大，在反應器內(nèi)易發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象。因此，在實際應用中一定要考慮到這個問題，在處理廢水一段時間后就要對溶解的鐵屑進行補充，同時還要對部分鐵屑加酸活化，使其得到充分發(fā)揮作用。

2.6正交試驗

為了得到鐵炭-微電解法處理經(jīng)稀釋的模擬有機廢水(CODCr為1860.6mg/L，色度為800)的最佳條件，選擇鐵炭混合比、廢水pH、處理時間和CaCl2加量作為考察因素，以脫色率作為考察指標，做了L9(34)正交試驗，結(jié)果如表1所示。

表1 鐵炭-微電解法處理模擬有機廢水 L9(34)正交試驗

由表1可知，各因素對鐵炭微電解法處理模擬有機廢水脫色率的影響程度由大到小依次為：微電解時間、廢水pH、鐵炭質(zhì)量比、CaCl2加量。同時，從表1還可得出，A7B2C2D2可能是較好的水平組合，即微電解處理模擬有機廢水的最佳條件是電解時間為70min，pH值為3.0，鐵炭質(zhì)量比為6∶1，CaCl2加量為3.0g/L。在此條件下處理模擬有機廢水，COD去除率為72.5%。脫色率為98%。使處理后的水樣BOD/COD值大大提高，使廢水可生化性大為增加。此外，這種情況也說明在一定反應時間內(nèi)，鐵炭微電解氧化有機物的能力是有限的。因此，微電解法只能作為高濃有機廢水的預處理，該法必須與其他水處理工藝結(jié)合使用，才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

3 結(jié)論與建議

1)鐵炭微電解法處理模擬有機廢水的效率受鐵炭混合比、處理時間、廢水pH值的影響大，微電解對廢水的脫色率和COD去除率均隨反應時間增大、pH值的降低而增大，向廢水中投加Al2SO4、CaCl2比加NaCl更能顯著提高鐵炭微電解法處理廢水的效率。

2)通過 L9(34)正交試驗得到了微電解處理模擬有機廢水的最佳條件，即廢水pH值為3.0，電解時間為70min，鐵炭比為6∶1，CaCl2加量為3.0g/L。在此條件下處理模擬有機廢水，COD去除率為72.5%，脫色率為98%。

3)鐵炭微電解法處理模擬有機廢水只能部分去除模擬廢水中的有機物，提高廢水的BOD/COD比值，使廢水可生化性增加。因此，鐵炭微電解法不能單獨用來處理高濃有機廢水，只能與其他工藝結(jié)合處理廢水。

4)在鐵炭微電解法處理廢水過程中要注意填充的鐵炭板結(jié)和鐵屑的補充與活化問題，此外制備反應器要注意防腐問題。

5)鐵炭微電解法的主要原料為工業(yè)廢料，原料易得，價格便宜。采用該法處理廢水，設備簡單，操作方便，處理較好。而且是以廢治廢，復合國家節(jié)能減排的環(huán)保要求，因此是一種值得研究推廣的廢水凈化方法。

[1]吳曉芙，胡曰利.有機廢水處理中的環(huán)境生物技術(shù)及其進展[J].中南林學院學報，2003，23(6):41.

[2]周明華，吳祖成，汪大翚.電化學高級氧化工藝降解有毒難生化有機廢水[J].化學反應工程與工藝，2001，17(3):263～271.

[3]李炳煥，黃艷娥，劉會媛.電化學催化降解水中有機污染物的研究進展[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設備，2002，3(2):23～27.

[4]溫東輝，祝萬鵬.高濃度難降解有機廢水的催化氧化技術(shù)發(fā)展[J].環(huán)境科學，1994，15(5):88～91.

[5]Do J S，Chen C P. In Situ Oxidative Degradation of Formaldehyde with Electrogenerated Hydrogen Peroxide[J].J Electrochem Soc.，1993，(140):1633.

[6]Katoh M，Nishiki Y，Nakamatsu S.Polymer Electrolyte-type Electrochemical Ozone Generator with an Oxygen Cathode[J]. J Appl. Electrochem，1994，(24):489.

[7]Wu J，Taylor K E. Optimization of the reaction conditions for enzymatic removal of phenol from waste water in the presence of polyethylene glycol[J]. Water Res，1993，(27):1701～1706.

[8]張群綢.微電解法預處理硝基苯廢水研究[J].新疆環(huán)境保護，2005，(3)：9～11.

[9]樊金紅.催化鐵內(nèi)電解法預處理硝基苯廢水[J].環(huán)境科學與技術(shù)，2005，(5)：58～61.

[10]郝瑞霞.鐵屑過濾法預處理可生化性差的印染廢水[J].化工環(huán)保，1999，(3)：135～139.

[11]蔡天明.微電解-水解酸化/接觸氧化工藝處理染化廢水的研究[J].環(huán)境工程，1999，(8)：27～30.

[12]國家環(huán)保局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].第3版.北京:中國環(huán)境科學出版，1989.354～356.

[編輯] 洪云飛

X703.1；O646

A

1673-1409(2009)01-N034-04

2008-11-28

陳武(1967-)，男，1990年大學畢業(yè)，博士，副教授，現(xiàn)主要從事水污染控制技術(shù)方面的教學與研究工作。