鐵炭微電解預(yù)處理高濃度酵母廢水

王洪磊+周元祥+楊二亮+陳川

摘要： 對(duì)高濃度酵母廢水進(jìn)行鐵炭微電解預(yù)處理，研究了反應(yīng)條件和反應(yīng)機(jī)理。對(duì)進(jìn)水pH值、鐵用量、鐵炭比和反應(yīng)時(shí)間對(duì)處理效果的影響的單因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到最佳反應(yīng)條件為： 進(jìn)水pH值為3，鐵投加量40 g/L，鐵炭比2∶1，反應(yīng)時(shí)間3 h，COD去除率可達(dá)40%以上。

關(guān)鍵詞：鐵炭微電解； 預(yù)處理； 高濃度； 酵母廢水

中圖分類號(hào)：X787 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2017）2-0018-03

1 引言

以廢糖蜜作生長(zhǎng)碳源，以硫酸銨、氯化鈉、硫酸鎂、磷酸銨等作營(yíng)養(yǎng)鹽生產(chǎn)酵母的工藝，由于酵母不能完全利用廢糖蜜中的有機(jī)物，剩余的有機(jī)物以及酵母在生長(zhǎng)代謝過(guò)程中產(chǎn)生的新有機(jī)物均進(jìn)入廢水中，產(chǎn)生大量高濃度的有機(jī)廢水。酵母廢水有機(jī)物濃度高，廢水中的焦糖化合物還使得酵母廢水顏色較深，為深褐色；同時(shí)酵母廢水中還含有高濃度的微生物代謝產(chǎn)物、無(wú)機(jī)鹽類、硫酸根等，導(dǎo)致廢水降解性較差[1]。

鐵炭微電解工藝使用范圍廣、工藝簡(jiǎn)單，對(duì)于高COD、高鹽度以及色度較高的工業(yè)廢水的處理較其他工藝效果好。難生物降解的廢水經(jīng)鐵炭微電解工藝處理后B/C大大提高，有利于提高后續(xù)生物處理效果[2]。

根據(jù)酵母廢水高COD、高色度以及可生化性差的特點(diǎn)，采用鐵炭微電解法對(duì)該酵母廢水進(jìn)行預(yù)處理。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 廢水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)中的廢水來(lái)自廣西某酵母廢水廠，該廢水具有高COD、高色度以及可生化性差的特點(diǎn)，廢水具體水質(zhì)：COD為4982.7 mg/L，pH值為5.4。

2.2 儀器和試劑

實(shí)驗(yàn)儀器包括COD消解儀、精密pH計(jì)、電子天平、可見(jiàn)分光光度計(jì)、六聯(lián)電動(dòng)攪拌器等。

實(shí)驗(yàn)藥品和試劑包括鑄鐵屑、活性炭粒、重鉻酸鉀、硫酸、硫酸銀、氫氧化鈉和鹽酸等。

2.3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

鐵屑的清洗：將所需鐵屑置入10%的NaOH溶液中浸泡并小火加熱10 min以除油，然后用清水沖洗干凈，使用前再用3%的稀鹽酸浸泡30 min以去除鐵屑表面的金屬氧化物，再用清水沖洗后干燥待用[3]。

活性炭粒的清洗：將所需活性炭粒用待處理廢水浸泡2 h，使活性炭粒達(dá)到吸附飽和，消除由于活性炭粒吸附作用導(dǎo)致的對(duì)COD去除效果的干擾，然后干燥備用。

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

以燒杯為反應(yīng)器，取200 mL酵母廢水，置于500 mL的燒杯中，調(diào)節(jié)pH到預(yù)定值，加入一定量經(jīng)預(yù)處理的活性炭粒及鐵屑，置于六聯(lián)電動(dòng)攪拌器上反應(yīng)一定時(shí)間后，調(diào)節(jié)pH值至9，沉淀一段時(shí)間后取上清液進(jìn)行分析。

2.5 分析方法

COD采用快速消解分光光度法（HJ/T 399-2007），pH 值采用pH S＼|3C型精密pH計(jì)測(cè)定（ GB6920- 1986）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 單因素試驗(yàn)

3.1.1 pH值對(duì)處理效果的影響

調(diào)節(jié)pH值為1、2、3、4、5，其他條件為：鐵用量40 g/L，鐵炭質(zhì)量比2∶1，反應(yīng)時(shí)間1 h。

3.1.2 鐵用量對(duì)處理效果的影響

調(diào)節(jié)進(jìn)水pH值為3，鐵炭質(zhì)量比2∶1，反應(yīng)時(shí)間為1 h，鐵用量分別為20、40、60、80、100 g/L，實(shí)驗(yàn)結(jié)果COD去除率隨著鐵用量的增加而增加。當(dāng)鐵用量少于40 g/L時(shí)，COD去除率增加迅速，再提高鐵用量時(shí)，COD去除率增加緩慢，所以最佳鐵用量為40 g/L。

這是因?yàn)殍F用量較少時(shí)，形成的原電池的不足，導(dǎo)致COD的去除率較低。隨著鐵用量的增加，形成的原電池的數(shù)量隨之增加，不斷產(chǎn)生具有很高化學(xué)活性的新生態(tài)[H]、Fe2+等活性基團(tuán)，有利于氧化還原反應(yīng)進(jìn)行，從而提高了對(duì)廢水的處理能力。當(dāng)鐵用量到一定值時(shí)，廢水與鐵屑的接觸面積達(dá)到最大值，多余的鐵沒(méi)有參與微電解反應(yīng)。而且，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，整個(gè)體系的pH值逐漸增加，抑制原電池反應(yīng)，導(dǎo)致COD去除率增加緩慢。

3.1.3 鐵炭比對(duì)處理效果的影響

調(diào)節(jié)進(jìn)水pH值為3，鐵用量為40 g/L，反應(yīng)時(shí)間為1 h， Fe /C分別取1∶1、1∶2、2∶1、3∶1、4∶1

由圖3可知，隨著鐵炭比的增大，COD去除率先增加后減少，在Fe/C=2∶1時(shí)處理效果達(dá)到最佳。

這是因?yàn)樵阼F用量一定的情況下，當(dāng)活性炭用量過(guò)少時(shí)，就無(wú)法形成足夠多的原電池，導(dǎo)致COD去除率較低；當(dāng)活性炭用量過(guò)多時(shí)，會(huì)使單位體積內(nèi)含有的鐵的量變少，抑制原電池的電極反應(yīng)，更多的表現(xiàn)為吸附作用而不是微電解反應(yīng)，使COD去除率較低。在最適合的鐵炭比條件下，原電池反應(yīng)才能進(jìn)行得更好，達(dá)到最佳處理效果。

3.1.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)處理效果的影響

調(diào)節(jié)進(jìn)水pH值為3，鐵用量為40 g/L，鐵炭質(zhì)量比2∶1，分別取反應(yīng)時(shí)間為 0. 5、 1、 2 、3、4 、5 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，在開(kāi)始的3 h，COD去除率增加較快，在3～5 h COD去除率降低。

這是因?yàn)殡S著微電解反應(yīng)時(shí)間的增加，新生態(tài)的[H]、Fe2+等活性基團(tuán)大量產(chǎn)生，促進(jìn)了與廢水中有機(jī)物的氧化還原反應(yīng)，使COD去除率不斷升高。同時(shí)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)體系的pH值逐漸升高，以及鐵由于長(zhǎng)時(shí)間置于有氧環(huán)境下發(fā)生鈍化，抑制了原電池的電極反應(yīng)，使COD去除率降低。

3.2 反應(yīng)機(jī)理

鐵炭微電解處理廢水的機(jī)理主要是：鐵和炭存在著相差較大的氧化還原電位， 當(dāng)將兩者共同投入到電解質(zhì)溶液中時(shí)，兩者間會(huì)通過(guò)原電池反應(yīng)發(fā)生如下的電極反應(yīng) [5，6]。

陽(yáng)極反應(yīng)：

Fe- 2e Fe2+

E（Fe2+/Fe） = -0. 44 V；

陰極反應(yīng)：

2H++ 2e 2[H] H2

E（ H+/H2 ） = 0 V

當(dāng)有O2存在時(shí)：

O2+4H++4e 2H2O（酸性溶液）

E（O2）=1.23 V

O2+2H2O+4e 4OH-（堿性及中性溶液）

E（O2/OH-）=0.40 V

由上述電極反應(yīng)可知，在反應(yīng)的pH值低時(shí)，氧的電極電位提高，微電池電位差的加大，可促進(jìn)電極反應(yīng)的進(jìn)行，生成具有較高化學(xué)還原活性的產(chǎn)物，提高廢水的可生化性。而且，電極反應(yīng)所產(chǎn)生的新生態(tài)[H]，能與廢水中的許多組分發(fā)生氧化還原反應(yīng)，改變這些組分的結(jié)構(gòu)和特性，從而達(dá)到降解有機(jī)物的目的。

微電解反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生Fe2+和Fe3+。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液pH值逐漸升高，形成Fe（OH）2、Fe（OH）3絮狀沉淀。反應(yīng)式如下：

Fe2++2OH- Fe（OH）2

4Fe2++ 8OH-+O2+2H2O Fe（OH）3

Fe3++3OH- Fe（OH）3

Fe（OH）2、Fe（OH）3是膠體絮凝劑，具有較強(qiáng)的吸附能力，可以吸附廢水中某些污染物。

4 結(jié)論

（1）鐵炭微電解對(duì)高濃度酵母廢水處理效果良好，COD的去除率可達(dá)到40%以上。

（2）通過(guò)對(duì)進(jìn)水pH值、鐵用量、鐵炭質(zhì)量比和反應(yīng)時(shí)間等條件對(duì)酵母廢水處理效果的影響的研究，得到最佳反應(yīng)條件為：進(jìn)水pH為3，鐵用量40 g/L，鐵炭質(zhì)量比2∶1，反應(yīng)時(shí)間3 h。

參考文獻(xiàn)：

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Pretreatment of Highly Concentrated Yeast

Wastewater by Iron-carbon Micro-electrolysis

Wang Honglei， Zhou Yuanxiang， Yang Erliang， Chen Chuan

（School of Resources and Environmental Engineering，Hefei University of Technology，

Hefei，Anhui 230009，China）

Abstract： In this paper， the pretreatment of highly concentrated yeast wastewater by iron-carbonmicro-electrolysis was studied，as well as thereaction conditionsand mechanism.Factors of pH，iron dosage，F(xiàn)e /C and reaction time were observed in the experiment. The optimum reaction conditions were as follows： pH value of 3，iron dosage of 40 g /L，F(xiàn)e /C of 2：1 reaction time of 3 h. The removal rate of COD was above 40%.

Key words： iron-carbon micro-electrolysis； pretreatment； high concentration； yeast wastewater； reaction kinetics