在染料生產(chǎn)廢水處理方面，采用鐵、炭腐蝕電池工藝(微電解)作為物化預(yù)處理方法，無論在試驗(yàn)研究還是在生產(chǎn)實(shí)踐的應(yīng)用方面，都取得了令人滿意的效果［1～3］，不僅COD去除率達(dá)40%～60%，色度去除率達(dá)60%～80%，而且提高了廢水的可生化性［4］，為后續(xù)生化處理和處理后達(dá)標(biāo)排放奠定了基礎(chǔ)。但工程實(shí)踐也表明，目前采用的微電解塔普遍存在著表面易鈍化、填料結(jié)塊等諸多弊端，影響了預(yù)處理效果。
　　
近年來，國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)微電解塔改進(jìn)性試驗(yàn)及工程實(shí)踐的報(bào)道，如方彬的流化床電偶反應(yīng)器［5］等。我們?cè)诜治隽擞嘘P(guān)工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，提出了鐵、炭流化床接觸氧化還原的新概念，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，該處理方法既克服了傳統(tǒng)鐵、炭微電解反應(yīng)器填料易鈍化、結(jié)塊的缺點(diǎn)，又能進(jìn)一步提高對(duì)染料廢水的預(yù)處理效果，而且非常方便于對(duì)傳統(tǒng)工藝的改造。

1　試驗(yàn)裝置和方法

1.1　試驗(yàn)裝置
　　
采用100 mm×1 800 mm的有機(jī)玻璃柱作為流化床反應(yīng)器，有效容積為12 L。反應(yīng)器底部設(shè)1個(gè)砂芯布?xì)忸^，氣源采用空氣壓縮機(jī)。反應(yīng)器內(nèi)置適量的鐵、炭混合物，反應(yīng)器出水進(jìn)入反應(yīng)沉淀器，上清液排出。
　　
試驗(yàn)流程及裝置如圖1所示。

1.2　試驗(yàn)水質(zhì)
　　
試驗(yàn)用水取自揚(yáng)州某染料化工廠，其主要產(chǎn)品為弱酸性、分散、硫化、活性等多種染料。根據(jù)生產(chǎn)工藝推斷，廢水中含有大量帶有顯色基團(tuán)(—NN—、—NO等)及極性基團(tuán)(—SO3Na、—OH等)的芳烴、雜環(huán)類有機(jī)化合物及NaCl、Na2SO4、Na2S等無機(jī)鹽。
　　
廢水水質(zhì)見表1。

測(cè)定項(xiàng)目的分析方法采用《水和廢水標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)分析方法》(第3版)。

1.3　試驗(yàn)條件和方法
　　
試驗(yàn)用填料為碾碎成0.5～1.0 mm的鑄鐵屑和粒徑為1.0～2.0 mm的顆?；钚蕴?。為消除活性炭吸附對(duì)試驗(yàn)帶來的影響，將活性炭在原廢水中浸泡48 h。鐵、炭混合物的濕填充容積為反應(yīng)器總有效容積的50%。
　　
采用連續(xù)試驗(yàn)法。控制進(jìn)氣量的大小，使鐵、炭填料混合并保持一定的流化狀態(tài)。按不同的停留時(shí)間，控制反應(yīng)器進(jìn)水流量，反應(yīng)器出水經(jīng)用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值后，進(jìn)入反應(yīng)沉淀器。檢測(cè)沉淀器出水的pH值、CODCr和色度指標(biāo)。

2　基本原理
　　
鐵、炭流化床法對(duì)廢水的處理是基于電化學(xué)反應(yīng)的氧化還原和電池反應(yīng)產(chǎn)物的絮凝及新生絮體的吸附等的協(xié)同作用，其中電化學(xué)反應(yīng)的氧化還原作用是主要的[6]。
　　
染料廢水中含鹽量較高，是良好的電解質(zhì)。當(dāng)鐵、炭顆粒懸浮于廢水中時(shí)，在廢水中形成無數(shù)個(gè)微原電池。其中，電位低的鐵成為陽(yáng)極，電位高的炭成為陰極，在酸性條件下發(fā)生下列電化學(xué)反應(yīng)：
　　
陽(yáng)極(Fe)，F(xiàn)e-2e→Fe2+
　　　　　　　　　
E0(Fe2+/Fe)=-0.44 V
　　
陰極(C)，2H++2e→2［H→］H2↑E0(O2)=1.23 V
　　
電極反應(yīng)產(chǎn)生的新生態(tài)的［H］和Fe2+可使有機(jī)物中的大分子轉(zhuǎn)化為小分子，使部分環(huán)狀有機(jī)物斷環(huán)，降低了廢水的CODCr值。同時(shí)，破壞了發(fā)色基團(tuán)(如—NN—等)，使廢水脫色。
　　
當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)鐵炭填料處于流化狀態(tài)下，由于鐵屑顆粒間以及鐵屑顆粒與炭粒間的相互磨擦，使得鐵屑表面難以形成一層不溶性的阻礙電化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行的鈍化膜，電化學(xué)反應(yīng)便能持續(xù)不斷地發(fā)生。
　　
隨著電化學(xué)反應(yīng)的繼續(xù)，鐵屑填料逐漸被消耗，直至最后形成被出水水流帶走的細(xì)小顆粒。根據(jù)出水含鐵量的計(jì)算結(jié)果，定期投加顆粒鐵屑填料，可使反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行。
　　
電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量的Fe2+，在充氧條件下，發(fā)生下列反應(yīng)［7］：
　　　　　　　　
4Fe2++8OH-+O2+2H2O=4Fe(OH)3
　　
當(dāng)調(diào)節(jié)反應(yīng)器出水pH值至偏堿性時(shí)，生成大量的Fe(OH)3絮狀物，這些絮狀物具有很強(qiáng)的混凝和吸附作用，能使廢水中微小的分散顆粒及脫穩(wěn)膠體、有機(jī)物絮凝沉淀，進(jìn)一步降低廢水的CODCr值和色度。

3　試驗(yàn)結(jié)果及討論
　　
為得到合適的操作條件及分析影響脫色率和COD去除率的主要因素，進(jìn)行了前期單因素條件影響試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了4因素3水平的正交試驗(yàn)，每組試驗(yàn)均為連續(xù)進(jìn)水和連續(xù)出水，且不回流。

3.1　條件試驗(yàn)
　　
條件影響試驗(yàn)結(jié)果見圖2～5。
　　
由圖2可知，降低廢水的pH值，促進(jìn)了電極反應(yīng)，從而提高了COD的去除率。同時(shí)，陽(yáng)極(鐵)溶解性增大，出水含鐵量增加，色度去除率降低。
　　
停留時(shí)間對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響可從圖3看出，停留時(shí)間越長(zhǎng)，氧化還原等作用進(jìn)行得越完全，COD去除率越高，但停留時(shí)間的延長(zhǎng)，導(dǎo)致處理出水含鐵量增加，色度去除率降低。

由圖4可知，當(dāng)膨脹率(混合填料懸浮后的體積與原體積之比)增大，填料與廢水接觸面積增大，加劇了接觸氧化、電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，COD去除率增加。同時(shí)，出水含鐵量增加，色度去除率降低。當(dāng)膨脹率繼續(xù)增加到一定值后，上述變化不明顯。
　　
根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)，鐵作為陽(yáng)極在反應(yīng)過程中消耗，而炭不直接參加電極反應(yīng)，只作為電子得失的載體。由圖5可知，當(dāng)增加鐵、炭比，COD去除率增加，同時(shí)水中的含鐵量增加，色度去除率隨之降低。當(dāng)鐵、炭比繼續(xù)增大，COD的去除率無明顯提高。

3.2　正交試驗(yàn)
　　
根據(jù)條件試驗(yàn)，確定影響鐵、炭流化床處理效果的主要因素有進(jìn)水pH值、停留時(shí)間、膨脹率、鐵炭比。為尋求最佳運(yùn)行參數(shù)，采用了4因素3水平正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，為保證試驗(yàn)的可靠性，每組試驗(yàn)均采用4次平行測(cè)定，結(jié)果取均值。
　　
正交試驗(yàn)結(jié)果見表2，正交試驗(yàn)分析見表3。

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果的分析表明，影響COD去除率的因素依次為原水pH值、停留時(shí)間、填料鐵炭比、填料膨脹率；影響色度去除率的因素依次為：原水pH值、停留時(shí)間、填料膨脹率、填料鐵炭比。在表2所列各試驗(yàn)中，以A1B1C2D3條件下的處理效果最佳，運(yùn)行穩(wěn)定，出水始終清澈透明。因此，根據(jù)多指標(biāo)正交試驗(yàn)的綜合評(píng)分直觀分析法，確定鐵、炭流化床較佳的處理?xiàng)l件為：原水pH值為4.0，停留時(shí)間為10 min，膨脹率為20%，鐵炭比為2∶1。

4　結(jié)語(yǔ)
　　
鐵、炭流化床處理染料廢水適宜的運(yùn)行條件為：進(jìn)水pH值為4，膨脹率為20%，鐵炭混合比為2∶1，水力停留時(shí)間為10 min。當(dāng)進(jìn)水CODCr濃度為3 750 mg/L，色度為1 500倍時(shí)，COD及色度的去除率分別達(dá)到77%和90%，作為預(yù)處理過程對(duì)后續(xù)生化處理創(chuàng)造了較好的條件。
　　
采用鐵、炭流化床反應(yīng)器對(duì)染料廢水進(jìn)行預(yù)處理，克服了固定床鐵炭反應(yīng)器表面易鈍化、填料易結(jié)塊及運(yùn)行效果隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而逐步降低的不足。
　　
在對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)作適當(dāng)調(diào)整后，可以方便地將傳統(tǒng)的固定床工藝改造為流化床工藝。這樣，不僅可提高預(yù)處理效果，而且大大方便了設(shè)施操作和運(yùn)行管理。

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