微電解氣浮機處理廢水技術分析

【資料簡介】

  印染廢水具有COD高、可生化性差、水質變化大、難降解以及色度深等特點，是當前水系環境的重要污染源和工業廢水處理的難點和焦點之一。采用傳統的生化方法或其他單項處理技術處理此類廢水難以達到良好的處理效果。

  微電解技術是一種基于原電池原理以電化學反應為主的具有復雜反應過程的廢水處理技術，該技術由于具有適用范圍廣、處理效果好、操作方便、成本低廉等優點而得到廣泛的應用。但傳統的微電解材料一般為鐵屑、焦炭、活性炭等不規整碎料，在應用過程中存在板結、溝流等問題；另外，目前絕大多數研究者采用靜態燒杯試驗進行鐵炭微電解應用技術研究及材料性能研究，這些研究都是間歇性試驗且樣本處理量很小，無法模擬工業中的連續處理過程，嚴重制約了該技術的發展和實際應用。

  本研究以咸陽某廠實際印染廢水的氨氮、COD、色度為主要控制指標，對鐵炭微電解規整化材料的加工條件進行了研究，并考察了自制的鐵炭微電解處理系統對該廢水的連續處理效果，以期為該技術的實際應用提供借鑒。

  1 材料與方法
 
  1.1 試驗材料及試劑
 
  活性炭粉，工業，西安煤炭公司；鐵粉，工業，湖南輝領金屬材料有限公司；黏合劑，工業，保定京素生物科技有限公司；TiO2，分析純，天津市天力化學試劑有限公司；H2SO4，分析純，成都市科龍化工試劑廠；NaOH，分析純，天津市天力化學試劑有限公司。

  1.2 廢水水質
  試驗用水取自咸陽某印染廠，該廠主要生產印染布。該廠廢水排放量約為220 m3/d，主要為印染工藝各個工序排放的廢水，主要含有染料、漿料、助劑、油劑、酸堿、纖維雜質及無機鹽等，其水質：COD 410～600 mg/L，氨氮10～12 mg/L，色度125倍，pH 7.76～8.30。

  1.3 試驗方法
  將活性炭粉、鐵粉、黏合劑、多種催化劑（TiO2等）按照一定的比例混合，形成規整的球狀后，經馬弗爐高溫熔煉制成鐵炭微電解規整化材料。研究過程采用單因素方法優化微電解材料的制備條件。經檢測該材料直徑為30 mm，密度為1 560 kg/m3，孔隙率為65%~70%。其SEM如圖 1所示。

 

  圖 1 微電解材料的SEM （×3 000）

  由圖 1可以看出，該微電解材料具有架構式微孔結構，均勻的水氣流通道，這樣廢水與該材料可充分接觸，使處理效果增強。按參考文獻〔8〕 評價該材料性能。

  本研究微電解連續處理系統流程見圖 2。

 

  圖 2 微電解處理系統流程

  微電解反應裝置由2個有效容積約為5.6 L的微電解反應器（直徑14 cm，高54 cm）串聯而成，兩柱體內置3 kg自制的鐵炭微電解材料，水力停留時間約為8 h。實驗過程中先在配水箱內用質量分數為98%的硫酸調節廢水pH至3左右，廢水經1#和2#微電解反應器處理后進入絮凝沉降槽，在沉降槽中用氫氧化鈉調節廢水pH至10～11，絮凝沉降一段時間后，上清液進入集水箱。

  1.4 分析方法
  COD采用5B-3C快速測定儀測定；pH采用pHS-3C型酸度計測定；色度采用稀釋倍數法（GB/ T 11903—1989）測定；氨氮采用5B-2N快速測定儀測定；孔隙率采用Quantachrome NOVA2000孔隙度分析儀測定；SEM采用FEI公司Quanta 200環境掃描電子顯微鏡進行測定。

  2 結果與討論：
 
  2.1 微電解材料的制備
 
  近年來的相關研究表明，TiO2含量、黏合劑含量、鐵炭比和燒結溫度對微電解材料的性能有很大的影響〔9, 10〕。因此，本研究以上述4個參數為影響因素，以氨氮、COD及色度為控制指標優化微電解材料的制備條件。試驗原水COD為541.9 mg/L，氨氮為11.275 mg/L，色度為125倍。

  2.1.1 TiO2含量的確定
  在鐵炭比為3∶1（質量比，下同），無黏合劑，燒結溫度為900 ℃的條件下，考察了不同TiO2含量下制備的微電解材料對印染廢水的處理效果，結果如圖 3所示。

 

  圖 3 TiO2含量對廢水處理效果的影響

  由圖 3可知，隨TiO2含量的增加，綜合處理效果逐漸變差。這是因為隨著TiO2含量的增加，微電解材料的有效成分相對降低，導致處理效果逐漸變差。另外TiO2自身為吸附劑，對廢水污染物有一定的吸附效果，但當其達到飽和時，吸附能力減弱，對廢水的處理效果也將變差。試驗結果表明，當TiO2質量分數為6%時，制備的微電解材料對廢水的綜合處理效果明顯，氨氮、COD、色度去除率分別為89.4%、63.0%、80.0%。

  2.1.2 黏合劑含量的確定
  為增強微電解材料的硬度，同時提高微電解材料的使用壽命，在微電解材料制備過程中加入少量由高分子材料及多種化工原料按照一定比例混合配制而成的黏合劑。該黏合劑具有親水性、絡合性、速凝性、氧化還原等性能，與膨潤土相比具有黏結力強的特點。在鐵炭比為3∶1，燒結溫度為900 ℃，TiO2質量分數為6%的條件下，考察了不同黏合劑含量下制備的微電解材料對印染廢水的處理效果，結果如圖 4所示。

 

  圖 4 黏合劑含量對廢水處理效果的影響

  由圖 4可以看出，隨黏合劑含量的增加，廢水的綜合處理效果逐漸變差。當黏合劑質量分數為2.0%時，制備的微電解材料對廢水的綜合處理效果較好，氨氮、COD、色度去除率分別為80.5%、69.4%、85.0%。

   2.1.3 鐵炭比的確定
   在燒結溫度為900 ℃，TiO2質量分數為6%，黏合劑質量分數為2.0%的條件下，考察了不同鐵炭比下制備的微電解材料對印染廢水的處理效果，結果如表 1所示。

  由表 1可以看出，當鐵炭比為1∶1時，制備的微電解材料對廢水的綜合處理效果明顯，氨氮、COD、色度去除率分別為85.0%、77.1%、85.0%。減少活性炭的量，可以加大鐵與水的接觸面積，從而一定程度上提升了處理效果；另一方面，鐵炭比減小，活性炭的含量增加，使得電富集作用得到增強，也會一定程度上提升處理效果〔11〕，2種情況均對處理效果產生影響。整體來說，鐵炭比在1∶1時處理效果*。

  2.1.4 燒結溫度的確定
  在TiO2質量分數為6%，黏合劑質量分數為2.0%，鐵炭比為1∶1的條件下，考察了不同燒結溫度下制備的微電解材料對印染廢水的處理效果，結果如表 2所示。

由表 2可以看出，當燒結溫度為800 ℃時，制備的微電解材料對廢水的綜合處理效果較好，氨氮、COD、色度去除率分別為89.7%、78.0%、90.0%。試驗結果表明，燒結溫度過低，材料的骨架不牢，使用壽命短；燒結溫度過高，材料中的鐵屑會不同程度地被氧化，另外溫度過高從經濟角度考慮也不合適〔12〕。綜合考慮，選擇燒結溫度為800 ℃。綜上研究結果，處理該印染廢水的微電解材料的制備條件：TiO2質量分數為6%，黏合劑質量分數為2.0%，鐵炭比為1∶1，燒結溫度為800 ℃。

2.2 微電解處理系統的連續運行效果
由于燒杯試驗為間歇性且廢水處理量較小，無法模擬工業中的連續處理過程，為此，本研究以自制的微電解處理系統，在22 d的連續運行狀態下對印染廢水進行處理。微電解處理系統的連續運行效果如圖 5所示。

 

圖 5 微電解處理系統的連續運行結果

由圖 5可知，在運行初期的5 d內，氨氮去除率明顯增大，COD去除減小后增大，se度去除率則保持不變，出水氨氮低于2.5 mg/L；在運行的第6～10 天，氨氮、COD去除率逐漸降低；當運行至11～22 d時，自制的微電解處理系統對廢水的處理效果基本趨于穩定。整個運行階段微電解處理系統對廢水的氨氮、COD去除率分別穩定在80%、70%以上，色度去除率穩定在90%，出水氨氮降至3 mg/L以下。

運行結果表明，整個系統經歷10 d的啟動階段后進入平穩運行階段，且保持出水穩定，系統處理效果良好。

3.結論
 
研究結果表明，優化條件下自制所得的鐵炭微電解材料對咸陽某廠實際印染廢水具有良好的處理效果。在此基礎上考察了鐵炭微電解處理系統的連續運行效果，結果表明，系統穩定運行期間，出水穩定，系統處理效果良好，zui終出水氨氮均降至3 mg/L以下。