電絮凝法和 Fenton試劑法處理染料車間廢水的性能?

梁吉艷,楊蘊哲,王 新,王惠豐,嬌 通

(沈陽工業(yè)大學理學院,遼寧 沈陽 110023)

染料生產廢水由于具有色度高、COD高、生物降解性差、成分復雜等特點而成為化工廢水處理難點之中的難點[1-3].如何開發(fā)經(jīng)濟有效的染料生產廢水處理工藝正在得到越來越多的關注[4-7].本文采用Fenton試劑法和電絮凝法處理染料生產車間廢水,以 COD去除率為考察指標,對兩種方法的處理效果進行了比較,對 Fenton試劑法的最佳工藝條件進行了實驗探索并對處理成本進行了計算,為染料生產車間實廢水的處理工藝的設計提供了依據(jù).

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗水樣為湖北某化工集團染料生產車間廢水,水樣水質見表1.實驗過程所采用藥劑分別為 H2O2(質量分數(shù)為 30%,分析純),FeSO4· 7H2 O(分析純),NaOH溶液和 H2 SO4調節(jié) p H值.

表1 實驗水樣水質Tab.1 Characters of water samples

1.2 實驗過程

1.2.1 電絮凝實驗

電絮凝實驗在自制的電解槽中進行,實驗裝置參見文獻 [8].分別采用鐵電極、鋁電極進行電解實驗,實驗時間為 60 min.每間隔 10 min取樣 5 m L,離心 20 min(3 000 r/min)后分別測定 COD.

1.2.2 Fenton試劑氧化實驗

Fenton試劑氧化實驗在自制的恒溫水浴裝置中進行,根據(jù)實驗設計需要加入不同投加量的硫酸亞鐵、過氧化氫,反應一定時間后分別測定 COD.

1.3 分析計算方法

1.3.1 分析方法

COD值測定采用北京哈納科儀科技有限公司的 COD測定儀(H199721);BOD值測定采用北京哈納科儀科技有限公司的 BOD測定儀(HA1997),采用 p H計(320-S,瑞士梅特勒-托勒多)用儀器測定 p H值,采用稀釋倍數(shù)法測定色度值,SS值采用重量法測定.

1.3.2 COD去除率計算

根據(jù)式(1)計算 COD去除率.

式中:C0表示處理前水樣的 COD值,mg/L;Ci表示處理后實驗水樣的 COD值,mg/L.

1.3.3 Fenton試劑氧化法成本計算

根據(jù)式(2)計算 Fenton試劑處理成本.

式中:C表示處理每 t COD所需成本,元 /t COD;C1表示去除每 t COD所需 H2O2成本,元 /t COD,(本實驗中 30% H2O2按市價 1 200元 /t計算);C2表示表示去除每 t COD所需硫酸亞鐵成本,元 /t COD,(本實驗中硫酸亞鐵按市價 60元 /t計算).

2 結果與討論

2.1 電絮凝處理

2.1.1 鐵電極電絮凝處理

圖1表示在室溫,攪拌速度400 r/min,原始水樣p H條件下,以鐵為陽極的電絮凝處理水樣30 min時電流密度對 COD去除率的影響.由圖可知,實驗開始階段,COD去除率隨電流密度的增大而增大,當電流密度達到12.5 mA/cm2時,COD去除率達到最大,此時COD去除率為20.54%;隨著電流密度的進一步增大,COD去除率開始降低.電流密度達到12.5 mA/cm2時,廢水中可絮凝的物質的絮凝量達到最大,COD去除率同時也達到最大;雖然電流密度繼續(xù)增大,但已沒有可絮凝的物質,而產生的大量的鐵離子對 COD去除率產生負影響,導致COD去除率降低.電絮凝反應中,電能耗是很重要的影響因素,因此,從考慮成本的角度出發(fā),將鐵電極電絮凝的反應時間設定為 30 min.由圖2可知,COD去除率在 30 min的反應時間里,與反應時間正相關,即 COD去除率隨著反應時間的增加而增大,30 min時達到最大為 20.54%.

圖1 鐵電極電絮凝電流密度對 COD去除率的影響Fig.1 Effect of current density on COD remov al efficiency by using iron anode

圖2 鐵電極電絮凝停留時間對 COD去除率的影響Fig.2 Effect of detention time on COD removal efficiency by using iron anod e

2.1.2 鋁電極電絮凝處理

以鋁為陽極電絮凝處理水樣的效果見圖3和圖4.圖3是在室溫,攪拌速度 400 r/min,原始水樣pH條件,電絮凝處理水樣 50 min時考察電流密度對 COD去除率的影響.由圖可知,COD去除率隨電流密度的增大而增大.當電流密度達到 8.33 mA/cm2時,COD去除率達到最大,此時的 COD去除率為37.57%.因此,鋁電極電絮凝反應最佳電流密度為 8.33 mA/cm2.鋁陽極電絮凝處理時間對 COD去除率的影響見圖4.圖4的實驗條件為室溫,攪拌速度 400 r/min,原始水樣 p H條件,電流密度為8.33 mA/cm2.由圖可知在反應前 30 min時,COD去除率隨反應時間的增加而降低,二者負相關;30 min后,COD去除率隨反應時間增加而增大,二者正相關.鋁電極電絮凝反應時,由于電流密度很大,反應很迅速,實驗反應初期,產生大量的鋁離子,由于鋁離子的沉降性較差,攪拌使絮體破碎,對COD的去除產生負影響,導致去除率降低;隨著反應的繼續(xù)進行,通過鋁離子的絮凝作用,水樣中的可絮凝物質隨大量的鋁離子一同絮凝,COD去除率升高.

圖3 鋁電極電流密度對 COD去除率的影響Fig.3 Effect of current density on COD removal efficiency by using aluminum anode

圖4 鋁電極停留時間對 COD去除率的影響Fig.4 Effect of detention time on COD removal efficiency by using aluminum anode

2.2 Fenton試劑氧化處理

2.2.1 硫酸亞鐵投加量實驗

硫酸亞鐵投加量對 COD去除率的影響見圖5.實驗條件為:室溫,攪拌速度 400 r/min,原始水樣p H,過氧化氫投加量為 6 mL/L.由圖可知,硫酸亞鐵投加量達到 600 mg/L時,COD去除率達到最大,此時 COD的去除率為 74.62% 由此確定硫酸亞鐵最佳投加量為 600 mg/L.圖6的實驗條件為:室溫,攪拌速度 400 r/min,原始水樣 p H,過氧化氫投加量為 6 mL/L,硫酸亞鐵投加量 600 mg/L.由圖可知,COD去除率隨反應時間的增加而增大,處理 60 min后增長放緩,90 min時的去除率為 74.62%.正常情況下,Fenton試劑氧化反應時間很短,但由于本實驗所處理水樣水質的特殊性,實驗反應需要的時間較長,考慮到時效性以及 COD隨著水樣停留時間的變化趨勢,實驗只進行 90 min.

圖5 硫酸亞鐵投加量對 COD去除率的影響Fig.5 Effect of FeSO4 dose on the COD removal efficiency

圖6 投加硫酸亞鐵時時間對 COD的影響Fig.6 Effect of FeSO4 adding time on the COD removal efficiency

2.2.2 過氧化氫投加量實驗

過氧化氫投加量對 COD去除率的影響見圖7.實驗條件:室溫,攪拌速度 400 r/min,原始水樣 p H,過氧化氫投加量為6 mL/L,硫酸亞鐵投加量為 200 mg/L.由圖7可知,過氧化氫投加量達到 6 mL/L之前,COD去除率隨過氧化氫投加量的增加而增大,二者呈正相關;過氧化氫投加量達到6 mL/L之后,COD去除率隨過氧化氫投加量的增加而降低,二者呈負相關.在過氧化氫投加量達到6 mL/L之前,水樣中可被氧化的物質隨著過氧化氫投加量的增加而不斷被氧化,COD去除率逐漸增大,6 mL/L時被氧化量達到最大;過氧化氫量繼續(xù)增加,但水樣中已經(jīng)沒有可被繼續(xù)氧化的物質.由于過氧化氫的負影響,COD去除率降低.因此,過氧化氫最佳投加量確定為6 mL/L,COD最大去除率為 42.19%.

圖7 過氧化氫投加量對 COD去除率的影響Fig.7 Effect of H2O2 dose on the COD removal efficiency

圖8 過氧化氫停留時間對 COD的影響Fig.8 Effect of detention time on the COD when added H2 O2

圖9 p H值對 COD去除率的影響Fig.9 Effect of p H on the COD removal efficiency

圖8的實驗條件是室溫,中速攪拌,p H為2.21,硫酸亞鐵投加量為 200 mg/L,過氧化氫投加量為 6 mL/L.由圖可知,反應前 15 min,COD值與反應時間呈正相關.反應 15 min后,COD值與反應時間負相關.前 15 min,COD值與反應時間正相關,是因為 OH·具有強氧化能力,使染料廢水中的某些中間體破裂,同時產生大量的可氧化性物質,因而 COD值增加[9];但是隨著反應時間的進行,廢水中氧化性物質逐漸減少,因此 COD值又逐漸降低.

2.2.3 最佳 p H值的確定

圖9的實驗條件是室溫,中速攪拌,過氧化氫投加量為 6 mL/L,硫酸亞鐵投加量為 600 mg/L.由圖可知,當 p H為 2.21,反應時間為 90 min時,COD去除率達到最大,為 74.62%.當 p H值低于 2.21時,COD去除率隨著 p H的增大而增大,二者正相關;當 p H高于 2.21時,COD去除率隨 p H值的增加而降低.Fenton試劑氧化實驗要求酸性環(huán)境,而最佳 p H范圍為 2～ 4之間[9-10].因此,針對本實驗所處理的特殊水樣,Fenton試劑氧化實驗的最佳pH為2.21.

2.2.4 Fenton試劑氧化藥劑成本計算

根據(jù)本實驗的最佳處理條件,不需另外投加藥劑調整 p H,因此所需藥劑成本需計算硫酸亞鐵和過氧化氫的成本.經(jīng)計算去除每 t COD需投加硫酸亞鐵 0.65 t,需投加過氧化氫 0.006 5 t,由式 (2)計算可知每 t COD需 39.1元.

3 結 論

針對來自湖北某化工集團染料生產車間的實際廢水,在實驗室條件下采用 Fenton試劑氧化和電絮凝法對廢水進行處理.實驗結果表明:

1)鐵電極電絮凝實驗,COD去除率為 20.54%,最佳電流密度為 12.5 mA/cm2;鋁電極電絮凝實驗,COD去除率為 37.57%,最佳電流密度為 8.33 m A/cm2.

2)采用 Fenton試劑氧化實驗處理的最佳實驗條件為:硫酸亞鐵最佳投加量為 600 mg/L,過氧化氫最佳投加量為 6 mL/L,最佳 p H為 2.21,實驗反應時間為 90 min,此時 COD去除率為 74.62%,處理成本為 39.1元 /t COD.

3)電絮凝方法中無論從電能耗還是從時 COD去除率方面考慮采用鋁電極均優(yōu)于鐵電極,Fenton試劑氧化法去除 COD效率明顯高于電絮凝法.

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