鐵碳微電解處理含鉻廢水的試驗研究

周杰，陳禾逸，魏俊, *，劉祥虎

（1.浙江海拓環(huán)境技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310052；2.溫州市環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江 溫州 325330）

目前，國內(nèi)處理含Cr(VI)等重金屬電鍍廢水的方法主要有化學法、離子交換法、電解法、吸附法、膜分離法和生物法[1]。這些方法各有利弊，適用條件也不盡相同。鐵碳微電解法是一種經(jīng)典的廢水處理方法，對廢水水質(zhì)變化的適應性較強，反應時間短，去除Cr(VI)和重金屬配位離子的效果好。鐵碳微電解一般采用鑄鐵屑和活性炭(或焦炭)，材料浸于廢水中時便發(fā)生內(nèi)部和外部兩方面的電解反應。所以微電解處理廢水實際上是內(nèi)部和外部雙重電解的過程[2]。

目前，筆者公司在寧波地區(qū)處理電鍍廢水(特別是含鉻廢水)時，運行成本較高、出水色度較大、生化指標難以達標、電導率過高、回用水難以穩(wěn)定運行，使筆者公司在電鍍廢水處理技術(shù)方面失去了優(yōu)勢。為贏得市場競爭力，需要對原有的電鍍廢水處理技術(shù)進行創(chuàng)新和改造，因此，在寧波地區(qū)進行鐵碳微電解處理含鉻廢水的實驗研究。本文以杭聯(lián)某電鍍廠的電鍍含鉻廢水為原水，采用自制鐵碳微電解裝置，研究了鐵碳微電解工藝對廢水中Cr(VI)、Cu2+、Ni2+的去除效果，比較了鐵碳微電解和常規(guī)焦亞硫酸鈉工藝處理含鉻廢水的成本。

1 實驗

1.1 材料與裝置

鐵屑選用含碳量高的廢鑄鐵屑，使用前先對鐵屑進行預處理，依次用3%(質(zhì)量分數(shù))NaOH 溶液、3%(體積分數(shù))鹽酸去除鐵屑表面油污和氧化物后，水洗至中性。采用粒度為8～10 目的活性炭顆粒，與鐵屑按體積比1∶2 混合均勻后，填裝進鐵碳柱中。鐵碳柱采用直徑為300 mm 的UPVC 管，以鵝卵石為墊層，鐵碳層高度為0.5～1.0 m，采用下進上出的水流方式，通過閥門控制進水流量。具體裝置見圖1。

1.2 廢水水質(zhì)

試驗原水為杭聯(lián)某電鍍廠的電鍍含鉻廢水，水質(zhì)有所波動，具體組成見表1。

1.3 離子含量測定

圖1 實驗裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of experimental setup

采用二苯碳酰二肼分光光度法測定Cr(VI)含量； 采用二乙氨基二硫代甲酸鈉萃取光度法測定Cu2+含量；采用丁二酮肟光度法測定Ni2+含量；采用鄰菲啰啉分光光度法測定總鐵含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵碳微電解對Cr(VI)的去除效果

鐵碳微電解法對Cr(VI)去除效果的影響如圖2所示。圖中是裝置連續(xù)運行35 d 的檢測結(jié)果，取樣時間為每天的14∶00(圖中第3 和第4 天未測進水六價鉻含量)。

表1 廢水的組成Table 1 Composition of wastewater

圖2 鐵碳微電解對廢水中Cr(VI)去除效果的影響Figure 2 Influence of iron-carbon microelectrolysis on removal of Cr(VI) from wastewater

從圖2知，鐵碳微電解對Cr(VI)的去除效果較為理想，經(jīng)鐵碳微電解處理后，含鉻廢水的Cr(VI)去除率高達99.98%，出水Cr(VI)含量小于0.1 mg/L，低于GB 21900-2008《電鍍污染物排放標準》中的Cr(VI)排放限值(0.2 mg/L)。圖中15 d、16 d 時出水鉻含量突然升高，是因為在試驗過程中，前一天進水管閥門未關閉，廢水回流使鐵碳柱內(nèi)無水，鐵碳未浸沒在廢水中，引起部分短路，造成出水中鉻含量升高，經(jīng)處理后，系統(tǒng)得以恢復。從圖2還可看出，進水pH 對六價鉻的去除率無多大影響。

2.2 鐵碳微電解對其他金屬離子的去除

圖3為鐵碳微電解處理對含鉻廢水中Cu2+、Ni2+的去除效果。從圖3可知，鐵碳微電解在處理前期對銅的去除效果明顯，有時出水可直接達標，但12 d 以后，銅的去除率降至10%～50%，鎳的去除率更低，還不到30%。這是因為銅的標準電極電勢比鎳正，所以Cu2+與Fe 進行置換反應時的電動勢總大于Ni2+與Fe 進行置換反應時的電動勢，前者對應的吉布斯函數(shù)比后者小；根據(jù)熱力學定律，溶液中總是優(yōu)先進行 Cu2+的置換反應[3]。隨Cu2+置換反應的進行，溶液中Cu2+逐漸減少，Ni2+的置換反應才開始。從圖3還可看出，Ni2+的置換率是隨銅離子含量改變而波動。

圖3 鐵碳微電解對廢水中金屬離子去除效果的影響Figure 3 Influence of iron-carbon microelectrolysis on removal of metal ions from wastewater

2.3 進出水中總鐵量的變化

與常規(guī)焦亞硫酸鈉工藝相比，由于鐵離子的存在，鐵碳微電解會導致污泥產(chǎn)量增加，嚴重影響污泥資源化和運行成本。圖4為裝置在運行過程中，進出水總鐵量的變化情況。

圖4 進出水總鐵含量變化曲線Figure 4 Variation curves for total iron content of inflow and outflow

從圖4可知，采用鐵碳微電解工藝處理含鉻廢水時，雖然對鉻的去除效果較為理想，但處理后水中的鐵含量增加，遠遠高于GB 21900-2008 的總鐵排放限值(≤3 mg/L)。后續(xù)處理中，可通過調(diào)節(jié)pH 來沉降廢水中的鐵離子和其他離子，以保證出水達標排放。

2.4 處理成本分析

一個工藝的好壞，不僅要看處理效果，而且要考慮經(jīng)濟效益。焦亞硫酸鈉是一種典型的Cr(VI)還原劑[4]，為進一步說明鐵碳微電解在處理含鉻廢水上的優(yōu)越性，在進水pH 為1.8～2.5、Cr(VI)為200～300 mg/L的條件下，比較了分別采用鐵碳微電解和焦亞硫酸鈉工藝處理含鉻廢水時的成本。因為是小試試驗，含鉻廢水僅占電鍍廢水的一小部分，且人工等變動和反應裝置等成本變化不大，所以藥劑成本可近似代表處理成本，2 種工藝處理廢水的成本如圖5所示。

圖5 不同工藝處理廢水的成本Figure 5 Cost of wastewater treatment by different processes

從圖5可知，焦亞硫酸鈉工藝處理含鉻廢水的成本為1.5～2.0 元/t，鐵碳微電解的處理成本僅0.1～0.5 元/t。與焦亞硫酸鈉工藝相比，鐵碳微電解法處理的成本可降低75%以上，說明采用鐵碳微電解處理含鉻廢水具有經(jīng)濟上的優(yōu)越性。

3 結(jié)論

(1) 采用鐵碳微電解法處理含鉻廢水時，出水Cr(VI)含量低于0.1 mg/L，去除率高達99.98%，說明鐵碳微電解法對Cr(VI)的去除效果較為理想。

(2) 鐵碳微電解對電鍍廢水中Cu2+、Ni2+的去除不理想，銅的去除率僅為10%～50%，鎳的去除率則低于30%。

(3) 采用鐵碳微電解法處理含鉻廢水時，總鐵含量增加，需通過后續(xù)處理調(diào)節(jié)pH 來沉降廢水中的鐵離子和其他離子，才能保證出水達標排放。

(4) 與焦亞硫酸鈉工藝相比，鐵碳微電解處理含鉻廢水的成本可減少75%以上。

[1]鄧小紅,宋仲容.電鍍含鉻廢水處理技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].重慶文理學院學報(自然科學版),2008,27 (5):70-73.

[2]姜興華,劉勇健.鐵碳微電解法在廢水處理中的研究進展及應用現(xiàn)狀[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2009,35 (1):18,26-27.

[3]劉定富,葛麗穎.鐵粉置換法分離電鍍廢水中的銅和鎳[J].環(huán)?？萍?2009,15 (1):1-3.

[4]楊廣平,張勝林,張林生.含鉻廢水還原處理的條件及效果研究[J].電鍍與環(huán)保,2005,25 (2):38-40.