電絮凝-三維電極技術(shù)處理含鎳電鍍廢水

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（1.環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州 510655；2.廣州華科環(huán)保工程有限公司，廣東 廣州 510655）

【環(huán)境保護】

電絮凝-三維電極技術(shù)處理含鎳電鍍廢水

賀框1，項赟1，杜建偉1,*，馬英2

（1.環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州 510655；2.廣州華科環(huán)保工程有限公司，廣東 廣州 510655）

分別研究了電絮凝技術(shù)和三維電極技術(shù)對含鎳電鍍廢水的去除效果。在初始pH為3、初始鎳濃度為120.7 mg/L、電流密度為6 mA/cm2、反應(yīng)25 min的條件下，電絮凝技術(shù)的鎳去除率在90%以上?？疾炝擞绊懭S電極處理的因素，包括活性炭吸附、攪拌、電壓和進水鎳濃度。在操作電壓為6 V、反應(yīng)120 min的條件下，三維電極技術(shù)可將初始鎳濃度為10 mg/L和20 mg/L的電鍍廢水分別降低至0.1 mg/L和0.2 mg/L以下。利用電絮凝-三維電極聯(lián)合技術(shù)處理含鎳電鍍廢水，運行7個周期內(nèi)出水總鎳濃度均低于0.15 mg/L。

電鍍廢水；鎳；電絮凝；三維電極；處理

First-author’s address: South China Institute of Environmental Sciences, MEP, Guangzhou 510655, China

電鍍行業(yè)是制造業(yè)中不可或缺的一環(huán)，但在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的廢水[1]。電鍍廢水成分復(fù)雜，不但含有大量的重金屬，還含有大量的有機物、配位劑等物質(zhì)，如果不能得到有效處理，會對生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生嚴重的危害[2]。鍍鎳因具有質(zhì)地堅硬、耐腐蝕、可焊接等特性而得到廣泛的應(yīng)用[3]。鎳離子及其化合物具有極強的生物毒性，屬于第一類污染物，我國《電鍍污染物排放標準》(GB 21900–2008)中“表3”對鎳的排放限值僅為0.1 mg/L。隨著“表3標準”的逐步實施，傳統(tǒng)的化學沉淀、離子交換、吸附等處理方法難以達到排放限值的要求。實現(xiàn)含鎳廢水的達標排放已成為電鍍行業(yè)面臨的重大問題[4]。

電絮凝技術(shù)是在通電的條件下，利用可溶性陽極產(chǎn)生金屬陽離子并水解、聚合后形成絮凝劑，進而去除廢水中的污染物[5]。與其他處理技術(shù)相比，電絮凝技術(shù)具有反應(yīng)時間短、處理效率高、化學藥劑添加少等特點，但其電流效率隨污染物濃度的降低而逐漸降低，因而不適合低濃度電鍍廢水的處理[6]。

電催化氧化法通過陽極氧化降解有機物或產(chǎn)生活性基團來氧化有機物，同時廢水中的重金屬離子在陰極還原沉積[7]。三維電極法是在傳統(tǒng)的電催化氧化法的基礎(chǔ)上改進而來，通過在陽極和陰極之間填充可帶電的粒子電極形成第三極。三維電極法具有比表面積大、傳質(zhì)效果好、電流效率高的特點，可以有效地處理低濃度的電鍍廢水[8]。

實現(xiàn)含鎳電鍍廢水的達標排放是困擾電鍍行業(yè)的一個難題。本文分別考察了電絮凝法和三維電極法對含鎳電鍍廢水的處理效果，并研究了電絮凝-三維電極聯(lián)合技術(shù)對含鎳電鍍廢水的處理效果。

1 實驗

1. 1水樣

以廣東省某電鍍廠化學鍍鎳廢水為處理對象。為保證水質(zhì)穩(wěn)定，采用同一批電鍍廢水，其中鎳離子濃度為120.7 mg/L。

1. 2實驗裝置

電絮凝裝置如圖1所示，主要包括槽體、電極板、直流穩(wěn)壓電源。槽體為有機玻璃，尺寸為10 cm × 10 cm × 10 cm。以鐵板作為陽極，鋁板作為陰極，面積均為10 cm × 10 cm。

三維電極裝置如圖2所示，主要由槽體、電極板、粒子電極和磁力攪拌器組成。槽體為有機玻璃，陰極板和陽極板均為石墨板，面積為10 cm × 10 cm；以粒徑為2 mm左右的活性炭為粒子電極，有效填充體積為10 cm × 10 cm × 10 cm；采用隔膜板將粒子電極與磁力攪拌器隔開，隔膜板上布滿直徑1.5 mm的微孔。實驗采用直流穩(wěn)壓電源供電，攪拌強度為50 r/min。

圖1 電絮凝反應(yīng)裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of electrocoagulation reactor

圖2 三維電極反應(yīng)裝置示意圖Figure 2 Schematic diagram of three-dimensional electrode reactor

1. 3分析方法

采用PinAAcle 900T型原子吸收分光光度計對廢水中總鎳的濃度進行檢測。

2 結(jié)果與討論

2. 1電絮凝技術(shù)處理含鎳電鍍廢水的影響因素

2. 1. 1 電流密度

在電絮凝過程中，電流密度直接影響陽離子的產(chǎn)生量，進而影響電絮凝過程。實驗比較了電流密度為2、4、6和8 mA/cm2時的電鍍廢水處理效果，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，鎳離子的去除效果隨電流密度的增加而增加，電流密度為6 mA/cm2時，反應(yīng)25 min后可去除廢水中90%的鎳離子。這是因為隨著電流密度的增大，陽極溶解產(chǎn)生的絮體增多。但電流密度為8 mA/cm2時鎳離子的去除效果僅略高于6 mA/cm2時。這可能是電流密度過大，溶出的Fe3+過多，無法及時擴散到溶液中而造成陽極表面鈍化。另外，電流密度過大也可能導致焦耳效應(yīng)，使部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而降低了電流效率[9]。

2. 1. 2 進水pH

實驗研究了pH為2 ～ 6時電絮凝技術(shù)對電鍍廢水中鎳離子的去除效果，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，pH為3時效果最好，鎳離子的去除效果隨pH的增大呈下降趨勢。這一方面是因為在酸性條件下有利于陽極Fe3+離子的溶出，另一方面是因為隨著溶液pH的增大，溶液中的鎳離子容易與廢水中的EDTA等配位劑形成配合離子，難以通過絮凝沉淀的方法去除[10]。

2. 2三維電極法處理含鎳電鍍廢水的影響因素

2. 2. 1 活性炭吸附

由于新使用的活性炭能吸附廢水中的污染物，對鎳離子的去除有一定的貢獻，因此必須先研究活性炭吸附所產(chǎn)生的影響。用去離子水調(diào)節(jié)電鍍廢水的鎳離子濃度為20 mg/L，比較了通電與不通電的條件下，

圖3 電流密度對總鎳去除率的影響Figure 3 Effect of current density on removal of total nickel

圖4 進水pH對總鎳去除率的影響Figure 4 Effect of initial pH on removal of total nickel

圖5 活性炭吸附對總鎳去除率的影響Figure 5 Effect of activated carbon adsorption on removal of total nickel

圖6 磁力攪拌對總鎳去除率的影響Figure 6 Effect of magnetic agitation on removal of total nickel

2. 2. 3 電壓

電壓對電鍍廢水的處理效果如圖7所示，初始鎳離子濃度為20 mg/L，反應(yīng)120 min。隨著電壓的增大，三維電極對電鍍廢水的處理效果明顯提高，但其漲幅明顯減小，因此選擇合適的電壓對提高廢水處理效果和降低能耗而言至關(guān)重要。

2. 2. 4 進水濃度

考察了進水鎳離子濃度對出水鎳離子濃度的影響，運行時間為120 min，實驗結(jié)果如圖8所示。進水鎳離子濃度低于10 mg/L時，出水鎳離子濃度在0.1 mg/L以下；進水鎳離子濃度低于20 mg/L時，出水鎳離子濃度在0.2 mg/L以內(nèi)。當進水鎳離子濃度超過25 mg/L時，出水鎳離子濃度急速上升。因此，控制進水鎳離子濃度在20 mg/L以下，才可使三維電極處理后的出水鎳離子濃度達到國家排放標準，或者與生活廢水混合后達到排放標準。從2.1節(jié)可以看出，在廢水初始pH為3，電流密度6 mA/cm2，反應(yīng)時間為25 min的條件下，電絮凝技術(shù)可以去除廢水中 90%以上的鎳離子，使出水鎳離子濃度低于20 mg/L，滿足三維電極系統(tǒng)的進水要求。

圖7 電壓對總鎳去除效率的影響Figure 7 Effect of voltage on removal of total nickel

圖8 進水鎳離子濃度對出水總鎳濃度的影響Figure 8 Effect of initial concentration on total nickel concentration of effluent

2. 3 電絮凝與三維電極聯(lián)合處理含鎳電鍍廢水

從上述電絮凝和三維電極處理含鎳電鍍廢水的實驗結(jié)果可以看出，電絮凝技術(shù)可以快速高效地處理高濃度的含鎳電鍍廢水，使其中的鎳離子濃度迅速降低；三維電極技術(shù)則具有比表面積大，傳質(zhì)效果好的特點，可以有效處理低濃度的含鎳電鍍廢水。因此考察了電絮凝-三維電極聯(lián)合技術(shù)處理含鎳電鍍廢水的效果，即利用電絮凝技術(shù)對含鎳電鍍廢水進行預(yù)處理，出水經(jīng)沉淀池沉淀后，通過蠕動泵注入三維電極裝置作進一步處理。調(diào)節(jié)電鍍廢水初始pH為3，電絮凝時電流密度6 mA/cm2、反應(yīng)時間 25 min，三維電極在電壓6 V和磁力攪拌的條件下運行120 min。實驗連續(xù)運行7個周期，電絮凝出水和三維電極出水的總鎳濃度如表1所示。

表1 電絮凝-三維電極聯(lián)合處理含鎳電鍍廢水的效果Table 1 Effectiveness of the combined treatment of nickel-containing electroplating wastewater by electrocoagulation and three-dimensional electrode technique

從表1可以看出，電絮凝出水總鎳濃度在5 ～ 14 mg/L之間波動，三維電極出水總鎳濃度均低于0.15 mg/L。電絮凝-三維電極聯(lián)合技術(shù)可有效處理含鎳電鍍廢水，出水與其他廢水混合后總鎳濃度能低于 0.1 mg/L，達到GB 21900–2008的“表3”標準。

3 結(jié)論

(1) 電絮凝技術(shù)可快速高效地處理含鎳電鍍廢水，在操作電流密度為6 mA/cm2，進水初始pH為3，反應(yīng)25 min的情況下，可去除電鍍廢水中90%以上的鎳。

(2) 三維電極法具有比表面積大、傳質(zhì)效果好、電流效率高的特點，在操作電壓為6 V、磁力攪拌的條件下，可有效處理低濃度的含鎳電鍍廢水，將初始鎳離子濃度分別為10 mg/L和20 mg/L的電鍍廢水分別降低至0.1 mg/L和0.2 mg/L以下。

(3) 采用電絮凝-三維電極技術(shù)聯(lián)合處理電鍍廢水，連續(xù)運行7個周期，電絮凝出水鎳離子濃度維持在5 ～ 14 mg/L之間，三維電極出水鎳離子濃度低于0.15 mg/L?？梢姴捎秒娦跄?三維電極聯(lián)合技術(shù)可以有效處理含鎳電鍍廢水。雖然部分出水略高于GB 21900–2008的“表3”標準，但與其他廢水混合后可以實現(xiàn)電鍍廢水的達標排放。

[1] 石泰山. 淺談電鍍廢水回用率[J]. 電鍍與涂飾, 2014, 33 (17): 764-766.

[2] 王軍俠, 唐小宇, 張衛(wèi)濤. 淺談電鍍廢水的主要成分和危害[J]. 中國化工貿(mào)易, 2014, 6 (16): 75-76.

[3] 戴文燦, 周發(fā)庭. 電鍍含鎳廢水治理技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J]. 工業(yè)水處理, 2015, 35 (7): 14-18.

[4] 王剛, 張路路, 尹倩婷, 等. 廣東省電鍍廢水處理技術(shù)現(xiàn)狀與達標分析[J]. 電鍍與涂飾, 2014, 33 (20): 891-895.

[5] KAPALKA A, FóTI G, COMNINELLIS C. Basic principles of the electrochemical mineralization of organic pollutants for wastewater treatment [M] // COMNINELLIS C, CHEN G H. Electrochemistry for the Environment [M]. New York: Springer, 2010: 1-23.

[6] MOLLAH M Y A, SCHENNACH R, PARGA J R, et al. Electrocoagulation (EC) — science and applications [J]. Journal of Hazardous Materials, 2001, 84 (1): 29-41.

[7] CHEN G H. Electrochemical technologies in wastewater treatment [J]. Separation and Purification Technology, 2004, 38 (1): 11-41.

[8] 劉晗, 李振山. 活性炭三維電極處理含鋅廢水的能耗特征研究[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保, 2013, 39 (5): 4-7.

[9] PICARD T, CATHALIFAUD-FEUILLADE G, MAZET M, et al. Cathodic dissolution in the electrocoagulation process using aluminium electrodes [J]. Journal of Environmental Monitoring, 2000, 2 (1): 77-80.

[10] MAKETON W, ZENNER C Z, OGDEN K L. Removal efficiency and binding mechanisms of copper and copper–EDTA complexes using polyethyleneimine [J]. Environmental Science & Technology, 2008, 42 (6): 2124-2129.

[ 編輯：溫靖邦 ]

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第十二講──影響鍍層燒焦的因素

第十三講──鍍層的結(jié)合力

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Treatment of nickel-containing electroplating wastewater by the combination of electrocoagulation and three-dimensional electrode technique

// HE Kuang, XIANG Yun, DU Jian-wei*, MA Ying

The treatment of nickel-containing wastewater discharged from electroplating process was conducted by electrocoagulation and three-dimensional electrode technique, respectively. The removal efficiency of nickel by electrocoagulation is higher than 90% at pH 3 and current density 6 mA/cm2within 25 min for an influent containing 120.7 mg/L of nickel. The factors affecting the three-dimensional electrode treatment such as activated carbon adsorption, agitation, voltage and initial nickel concentration were examined. The nickel concentration after three-dimensional electrode treatment at a voltage of 6 V for 120 min is decreased to less than 0.1 mg/L for an influent containing 10 mg/L of nickel and to less than 0.2 mg/L for that containing 20 mg/L of nickel. The combination of electrocoagulation and three-dimensional electrode technique for treating the nickel-containing electroplating wastewater was studied, achieving total nickel concentration of effluent below 0.15 mg/L within seven operation cycles.

electroplating wastewater; nickel; electrocoagulation; three-dimensional electrode; treatment

10.19289/j.1004-227x.2017.03.007

X781.1; X703.1

：A

：1004 – 227X (2017) 03 – 0160 – 05

2016–11–16

2017–02–07

國家科技重大專項項目（2014ZX07204-008）子課題：電鍍廢水中毒害污染物全過程控制技術(shù)研究與工程示范（2014ZX07204-008-002）。

賀框（1990–），男，山東菏澤人，碩士，主要從事重金屬及有毒有害物質(zhì)防控研究。

杜建偉，高級工程師，(E-mail) dujianwei@scies.org。