微波紫外高級氧化裝置處理印染廢水的研究

陳冠環(huán)，蘭善紅，羅曉珊

(東莞理工學(xué)院 生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，廣東 東莞 523808)

微波紫外高級氧化裝置處理印染廢水的研究

陳冠環(huán)，蘭善紅*，羅曉珊

(東莞理工學(xué)院 生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，廣東 東莞 523808)

利用微波激發(fā)紫外光化學(xué)氧化和催化氧化協(xié)同作用研發(fā)的新型MW/UV/TiO2反應(yīng)器，以活性艷紅X-3B模擬廢水為處理對象，考察了曝氣量、循環(huán)水流量、印染廢水初始pH值和濃度等四個(gè)因素對印染廢水處理效果的影響，結(jié)果表明在曝氣量2.5 m3/h，水流量2 m3/h，廢水濃度200 mg/L，初始pH值為8的條件下CODcr和脫色率分別為51.06%和98.57%。

MW/UV/TiO2反應(yīng)器；光催化；光氧化；活性艷紅X-3B

我國是紡織品生產(chǎn)和出口的大國，全行業(yè)中大規(guī)模企業(yè)數(shù)量和累計(jì)工業(yè)總值不斷上升，而巨大的經(jīng)濟(jì)收益的同時(shí)亦會產(chǎn)生大量的廢水[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，紡織行業(yè)是工業(yè)廢水排放大戶，我國紡織業(yè)每年排放約25億噸廢水，其中印染廢水占全國總紡織廢水排放量的80%[2]，隨著染料的品種和數(shù)量日益增加，染料生產(chǎn)產(chǎn)生的印染廢水已成為重點(diǎn)污染源之一。

印染廢水是國內(nèi)外難處理的工業(yè)廢水之一，其具有難降解性有機(jī)物濃度高、色度高、無機(jī)鹽含量高、成分復(fù)雜、可生化性差、脫色困難、水質(zhì)變化范圍大等等特點(diǎn)。在早期國內(nèi)外對印染廢水使用的主要方法包括物理方法、物理化學(xué)法、化學(xué)法、生物法等[3]，但是種種方法的治理效果一直不能令人滿意。近年來，光催化氧化技術(shù)在印染廢水的治理中取到了一定的突破,王星敏等人通過研究光催化氧化技術(shù)對印染廢水降解的原理和作用過程[4]，該技術(shù)在處理難降解性有機(jī)物廢水具有良好的發(fā)展前景。劉戀等人通過研究MW/UV/TiO2機(jī)理對印染廢水小試的研究表明了其高效性[5]，為了探索其在實(shí)際應(yīng)用上的處理效率，我們研發(fā)了一套微波紫外高級氧化裝置來處理印染廢水，該裝置采用微波激活無極紫外光與催化產(chǎn)生臭氧氧化的協(xié)同作用[6]，對印染廢水進(jìn)行處理，取得了良好的效果。

1 實(shí)驗(yàn)儀器及方法步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)水樣及實(shí)驗(yàn)試劑

1.1.1 實(shí)驗(yàn)水樣

本實(shí)驗(yàn)采取的水樣為實(shí)驗(yàn)室配制的活性艷紅X-3B模擬印染廢水。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

實(shí)驗(yàn)所用試劑詳見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)試劑

表1(續(xù))

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)所用儀器詳見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)裝置如圖1，包括水箱(0.5 m3)、鼓風(fēng)機(jī)、空氣流量計(jì)、微波發(fā)生器、MW/UV/TiO2反應(yīng)器、控制箱、溶氣泵以及電源。MW/UV/TiO2反應(yīng)器為不銹鋼制的密閉容器，反應(yīng)器內(nèi)安裝涂有TiO2的金屬網(wǎng)且金屬網(wǎng)內(nèi)安裝有四根波長為185 nm的微波無極紫外燈管、反應(yīng)器底部安裝有曝氣裝置，曝氣空隙為微米級，微波發(fā)生器安裝在MW/UV/TiO2反應(yīng)器頂部。實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置成回流形式，在溶氣泵的作用下廢水在水箱與MW/UV/TiO2反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行循環(huán)處理。

圖1 微波紫外高級氧化裝置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，本實(shí)驗(yàn)微波發(fā)生器固定功率為800W，使用四根波長為185 nm的微波無極紫外燈管，燈管呈正方形布置于MW/UV/TiO2反應(yīng)器，處理水量為每次500 L，處理一定時(shí)間后在不同時(shí)間分別取樣測定CODcr、和吸光度A540 nm，計(jì)算其脫色率和CODcr去除率。

(1)配制印染廢水濃度為100 mg/L，通過流量控制開關(guān)調(diào)節(jié)印染廢水流量為2 m3/h和調(diào)節(jié)初始pH值為8。通過流量控制開關(guān)分別調(diào)節(jié)曝氣量為1.5，2.5，3.5 m3/h進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(2)通過流量控制開關(guān)調(diào)節(jié)曝氣量為2.5 m3/h，印染廢水流量為2 m3/h和調(diào)節(jié)初始pH值為8。分別配制印染廢水濃度為50，100，200，500 mg/L進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(3)配制印染廢水濃度為100 mg/L，通過流量控制開關(guān)調(diào)節(jié)曝氣量為2.5 m3/h和印染廢水流量為2 m3/h。分別調(diào)節(jié)印染廢水的初始pH值為6，8，10進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(4)配制印染廢水濃度為100 mg/L，通過流量控制開關(guān)調(diào)節(jié)曝氣量為2.5 m3/h和調(diào)節(jié)初始pH值為8。通過流量控制分別調(diào)節(jié)印染廢水流量為1，2，4 m3/h進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.4 實(shí)驗(yàn)分析測試方法

1.4.1 活性艷紅X-3B模擬廢水的紫外-可見光吸收光譜圖

圖2 活性艷紅X-3B可見光吸光光譜圖

由圖2可知，活性艷紅X-3B有2個(gè)吸收峰，分別為波長510 nm、吸光度值為0.894和波長為540 nm、吸光度值為0.910，由波譜分析可知活性艷紅X-3B溶液的特征吸收峰在540 nm處，本實(shí)驗(yàn)通過測定實(shí)驗(yàn)前后活性艷紅X-3B在540 nm處的吸收峰值來計(jì)算其廢水的脫色率A%。

1.4.2 CODcr去除率

測定CODcr采用重鉻酸鉀微波快速消解法測定印染廢水經(jīng)微波紫外高級氧化裝置處理前后的CODcr0和CODcr，依下式計(jì)算CODcr去除率CODcr%。

1.4.3 脫色率[7]

由于活性艷紅X-3B溶液在低濃度時(shí)符合朗博-比耳定律，配制濃度為100 mg/L的活性艷紅溶液用紫外-可見分光光度計(jì)在400～700 nm內(nèi)每隔10nm波長測一次吸光度，繪制吸光度-波長變化曲線，結(jié)果表明活性艷紅X-3B在波長為540 nm的可見光有最大吸收峰。因此使用紫外-可見光分光光度計(jì)(540 nm)測定水樣的吸光度，以A%表示脫色率，A0表示原水吸光度，A表示處理后水樣的吸光度。

脫色率計(jì)算公式：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 循環(huán)水流量因素的影響

印染廢水經(jīng)循環(huán)水流量分別為1,2和4 m3/h處理，所取得水樣測出CODcr去除率變化曲線和脫色率變化曲線如圖3和4所示。

圖3 循環(huán)水流量對CODcr去除率變化曲線

圖4 循環(huán)水流量對脫色率變化曲線

由圖3和4可知，在其他條件相同的情況下，改變循環(huán)水流量對印染廢水的去除效果有明顯的影響。在CODcr的去除方面，反應(yīng)10h之后，循環(huán)水流量為2 m3/h時(shí)的CODcr去除效果最好，此時(shí)CODcr去除率為51.06%，水流量為4 m3/h次之，水流量為1 m3/h時(shí)的CODcr去除效果最差，CODcr去除率僅有29.12%。在脫色方面，循環(huán)水流量為2 m3/h的脫色效果顯著，脫色率為98.57%，而水流量為1 m3/h的脫色效果較差，脫色率僅有78.39%。由分析可知，循環(huán)水流量為2 m3/h時(shí)，CODcr和色度的去除效率較高。由于印染廢水在設(shè)備里是通過溶氣泵作用下在MW/UV/TiO2反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行循環(huán)處理，通過調(diào)節(jié)循環(huán)水流量的大小可控制廢水在MW/UV/TiO2反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間，當(dāng)循環(huán)水流量過小時(shí)，廢水的停留時(shí)間長，廢水中的溶氧量有限，降低了反應(yīng)器光催化氧化的效果。當(dāng)循環(huán)水流量過大時(shí)，廢水的停留時(shí)間過短，廢水中的溶氧未能最大地轉(zhuǎn)化為臭氧，也會降低光催化氧化的效果。所以，過高和過低的循環(huán)水流量均會降低本設(shè)備處理印染廢水的去除效率。

2.2 曝氣量因素的影響

印染廢水經(jīng)曝氣量分別為1.5，2.5和3.5 m3/h處理所取得水樣測出CODcr去除率變化曲線和脫色率變化曲線如圖5和6所示。

圖5 曝氣量對CODcr去除率變化曲線

圖6 曝氣量對脫色率變化曲線

從圖5和圖6可以看出，在其他條件不變的情況下，改變曝氣量對印染廢水的CODcr和色度的去除效果造成影響。在CODcr的去除方面，反應(yīng)10h曝氣量為1.5，2.5和3.5 m3/h時(shí)的CODcr去除率分別為40.76%,51.06%和33.42%。在色度的去除方面，曝氣量為2.5 m3/h的色度去除效果最好，反應(yīng)10h的脫色率可達(dá)到98.57%，并且在反應(yīng)5h后廢水的脫色接近飽和，而曝氣量為1.5 m3/h和3.5 m3/h的實(shí)驗(yàn)組脫色效果較差，反應(yīng)10h脫色率僅86.72%和80.71%。當(dāng)設(shè)備的曝氣量過小時(shí)，廢水的溶氧量低，其在MW/UV/TiO2反應(yīng)器內(nèi)生成的臭氧量少，不利于設(shè)備對印染廢水的降解，適當(dāng)增大曝氣量可以增加MW/UV/TiO2反應(yīng)器內(nèi)的溶氧量，提高設(shè)備對印染廢水的降解效果，但曝氣量不宜太高，由于曝氣量太高會導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)的氣泡變大，氣泡的比表面積降低，不利于臭氧的產(chǎn)生，降低反應(yīng)器的處理效率，當(dāng)曝氣量大于3.5 m3/h時(shí)，會使溶氣泵負(fù)壓，無法進(jìn)行印染廢水的循環(huán)。

2.3 印染廢水濃度因素的影響

濃度分別為50，100，200和500 mg/L的印染廢水實(shí)驗(yàn)所得水樣測出CODcr去除率變化曲線和脫色率變化曲線如圖7和8所示。

由圖7和圖8可以看出，在其他條件相同的條件下，印染廢水的初始濃度對CODcr去除率和脫色率均有較大的影響。在CODcr的去除方面，在濃度為100 mg/L和200 mg/L時(shí)，反應(yīng)10 h，其CODcr去除效果最優(yōu)，CODcr去除率分別達(dá)到51.06%和59.38%，而印染廢水濃度為500 mg/L時(shí)的CODcr去除率僅44.2%，說明印染廢水濃度過高不利于CODcr的去除。在脫色方面，隨著印染廢水濃度的升高，脫色效果降低，反應(yīng)10 h，在印染廢水濃度200 mg/L和500 mg/L的脫色率分別為90.14%和73.69%，而印染廢水濃度為100 mg/L的脫色率高達(dá)98.57%，說明高濃度印染廢水不利于脫色，由于高濃度的印染廢水中含有難降解的有機(jī)物濃度高，而本設(shè)備是通過廢水在MW/UV/TiO2反應(yīng)器內(nèi)不斷循環(huán)中逐步降解有機(jī)物，故高濃度的印染廢水需要更長的停留時(shí)間才能將其有機(jī)物濃度降解到較低水平，這大大的增加了設(shè)備的運(yùn)行周期。所以在實(shí)際應(yīng)用上，低濃度印染廢水更有利于本裝置處理，為保證廢水的處理效率，高濃度廢水處理前應(yīng)當(dāng)進(jìn)行稀釋處理。

圖7 廢水濃度對CODcr去除率變化曲線

圖8 廢水濃度對脫色率變化曲線

2.4 印染廢水初始pH值因素的影響

圖9 廢水初始pH值對CODcr去除率變化曲線

圖10 廢水初始pH值對脫色率變化曲線

初始pH值分別為6,8和10的印染廢水實(shí)驗(yàn)所得水樣測出CODcr去除率變化曲線和脫色率變化曲線如圖9和10所示。

由圖9、圖10可以看出，在其他條件相同的情況下，在CODcr的去除方面，初始pH值為8時(shí)的CODcr去除效果最優(yōu)，CODcr去除率為51.06%，pH值為6和10時(shí)的CODcr去除效果較差，分別為34.44%和39.60%。在色度去除方面上，pH值對脫色效果影響不大，pH值為8和pH值為10的脫色效果均較好，反應(yīng)10 h脫色率分別為98.57%和97.13%，pH值為6時(shí)脫色率下降，僅91.07%。由結(jié)果分析可知，pH值為8時(shí)CODcr和脫色效果均最優(yōu)，強(qiáng)堿的條件下雖然脫色效果稍好，但不利于CODcr的去除。熊重鐸等人通過微波無極的光催化氧化對印染廢水的降解的研究表明，堿性條件下對難降解性有機(jī)物有較好的降解效果[8]，亦證實(shí)了弱堿性條件下有利于本設(shè)備對印染廢水的降解。而實(shí)際印染廢水多為弱堿性，所以在實(shí)際應(yīng)用中，本裝置處理印染廢水可免去調(diào)節(jié)pH值的環(huán)節(jié)，降低運(yùn)營成本。

3 結(jié)論

(1)適當(dāng)增大的曝氣量可以增加MW/UV/TiO2反應(yīng)器內(nèi)的溶氣量，提高設(shè)備的處理效果，在曝氣量為2.5 m3/h時(shí)CODcr和脫色效果最好，CODcr去除率和脫色率分別為51.06%和98.57%，但曝氣量不宜太高，當(dāng)曝氣量大于3.5 m3/h時(shí)，會使溶氣泵負(fù)壓，無法進(jìn)行印染廢水的循環(huán)。

(2)MW/UV/TiO2反應(yīng)裝置在pH為弱堿性的條件下對印染廢水的處理效果最好，過堿或者酸性的印染廢水會降低本裝置的CODcr和脫色效率。

(3)廢水的最佳循環(huán)水流量為2 m3/h，過高和過低的循環(huán)水流量均會影響本設(shè)備的處理效率。印染廢水濃度為100、200 mg/L，處理10 h后，CODcr的去除率為51.06%和59.38%，脫色率分別為98.57%、90.14%。綜合考慮，確定最優(yōu)條件為曝氣量2.5 m3/h，水流量2 m3/h，廢水濃度100 mg/L，初始pH值為8。

[1] 李 鈴.范榮桂,黃大青,等.高級氧化技術(shù)在紡織印染廢水處理中的應(yīng)用[J].三峽環(huán)境與生態(tài),2008,1(2): 1-2.

[2] 范榮桂,黃大青,方遼衛(wèi),等.高級氧化技術(shù)在紡織印染廢水處理中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境工程,2011,18(2): 1-4.

[3] 單國華,賈麗霞.印染廢水及其處理方法研究進(jìn)展[J].針織工業(yè),2009,9(7): 1-2.

[4] 王星敏,陳勝福.印染廢水的光催化氧化處理新進(jìn)展[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,21(3): 2-3.

[5] 劉 戀.MW/UV/TiO2方法處理典型活性染料廢水研究[D].武漢:武漢紡織大學(xué),2011: 23-29.

[6] 李文杰.臭氧氧化和 VUV/US 耦合深度處理印染廢水尾水的對比研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2014:12-20.

[7] 裴 華.微波無極紫外光處理活性艷紅 X-3B 染料廢水中試研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2005:19-27.

[8] 熊重鐸.蒽醌染料茜素綠模擬廢水的微波無極紫外光催化氧化降解過程的研究[D].上海:東華大學(xué),2015:36-40.

(本文文獻(xiàn)格式：陳冠環(huán)，蘭善紅，羅曉珊.微波紫外高級氧化裝置處理印染廢水的研究[J].山東化工,2017,46(11):170-173.)

The Treatment of Printing and Dyeing Wastewater with Microwave and Ultraviolet Advanced Oxidation Device

ChenGuanhuan,LanShanhong,LuoXiaoshan

(School of Envrionment and Civil Engineering,Dongguan University of Technology,Dongguan 523808,China)

According to the synergies of Microwave Photochemical Oxidation and Catalytic Oxidation,our team invented a new MW/UV/TiO2reactor,which is focused on reactive brilliant red X-3B dyeing simulated wastewater. It analyses the effect by separately changing four factors—aeration quantity,cycle water flow,the initial pH of wastewater and concentration.The results show that removal efficiency of CODcr and color was 51.06% and 98.57% when we controlled the conditions of aeration quantity for 2.5 m3/h,water flow for 2 m3/h,concentration for 100 m3/h and the initial pH for 8.

MW/UV/TiO2reactor;photocatalysis;photooxidation;reactive red X-3B

2017-04-05

廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)(pdjh2016b0501)；2016年廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201611819053)

陳冠環(huán)，男；通訊作者:蘭善紅(1972—)，男，江西信豐人，教授，主要從事環(huán)境污染治理技術(shù)研究。

X788

A

1008-021X(2017)11-0170-04