印染廢水具有COD高、可生化性差、水質(zhì)變化大、難降解以及色度深等特點(diǎn)，是當(dāng)前水系環(huán)境的重要污染源和工業(yè)廢水處理的難點(diǎn)和焦點(diǎn)之一。采用傳統(tǒng)的生化方法或其他單項(xiàng)處理技術(shù)處理此類(lèi)工業(yè)廢水難以達(dá)到良好的處理效果〔1,2〕。

微電解技術(shù)是一種基于原電池原理以電化學(xué)反應(yīng)為主的具有復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程的廢水處理技術(shù)，該技術(shù)由于具有適用范圍廣、處理效果好、操作方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用〔3,4〕。但傳統(tǒng)的微電解材料一般為鐵屑、焦炭、活性炭等不規(guī)整碎料，在應(yīng)用過(guò)程中存在板結(jié)、溝流等問(wèn)題;另外，目前絕大多數(shù)研究者采用靜態(tài)燒杯試驗(yàn)進(jìn)行鐵炭微電解應(yīng)用技術(shù)研究及材料性能研究，這些研究都是間歇性試驗(yàn)且樣本處理量很小，無(wú)法模擬工業(yè)中的連續(xù)處理過(guò)程，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用〔5,6,7〕。

本研究以咸陽(yáng)某廠實(shí)際印染廢水的氨氮、COD、色度為主要控制指標(biāo)，對(duì)鐵炭微電解規(guī)整化材料的加工條件進(jìn)行了研究，并考察了自制的鐵炭微電解處理系統(tǒng)對(duì)該廢水的連續(xù)處理效果，以期為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供借鑒。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料及試劑

活性炭粉，工業(yè)級(jí)，西安煤炭公司;鐵粉，工業(yè)級(jí)，湖南輝領(lǐng)金屬材料有限公司;黏合劑，工業(yè)級(jí)，保定京素生物科技有限公司;TiO2，分析純，天津市天力化學(xué)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(xué)試劑有限公司。

1.2廢水水質(zhì)

試驗(yàn)用水取自咸陽(yáng)某印染廠，該廠主要生產(chǎn)印染布。該廠廢水排放量約為220m3/d，主要為印染工藝各個(gè)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(zhì)及無(wú)機(jī)鹽等，其水質(zhì)：COD410～600mg/L，氨氮10～12mg/L，色度125倍，pH7.76～8.30。

1.3試驗(yàn)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(guī)整的球狀后，經(jīng)馬弗爐高溫熔煉制成鐵炭微電解規(guī)整化材料。研究過(guò)程采用單因素方法優(yōu)化微電解材料的制備條件。經(jīng)檢測(cè)該材料直徑為30mm，密度為1560kg/m3，孔隙率為65%~70%。其SEM如圖1所示。

圖1微電解材料的SEM(×3000)

由圖1可以看出，該微電解材料具有架構(gòu)式微孔結(jié)構(gòu)，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(qiáng)。按參考文獻(xiàn)〔8〕評(píng)價(jià)該材料性能。

本研究微電解連續(xù)處理系統(tǒng)流程見(jiàn)圖2。

圖2微電解處理系統(tǒng)流程

微電解反應(yīng)裝置由2個(gè)有效容積約為5.6L的微電解反應(yīng)器(直徑14cm，高54cm)串聯(lián)而成，兩柱體內(nèi)置3kg自制的鐵炭微電解材料，水力停留時(shí)間約為8h。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中首先在配水箱內(nèi)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的硫酸調(diào)節(jié)廢水pH至3左右，廢水經(jīng)1#和2#微電解反應(yīng)器處理后進(jìn)入絮凝沉降槽，在沉降槽中用氫氧化鈉調(diào)節(jié)廢水pH至10～11，絮凝沉降一段時(shí)間后，上清液進(jìn)入集水箱。

1.4分析方法

COD采用5B-3C快速測(cè)定儀測(cè)定;pH采用pHS-3C型酸度計(jì)測(cè)定;色度采用稀釋倍數(shù)法(GB/T11903—1989)測(cè)定;氨氮采用5B-2N快速測(cè)定儀測(cè)定;孔隙率采用QuantaomeNOVA2000孔隙度分析儀測(cè)定;SEM采用FEI公司Quanta200環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行測(cè)定。

2結(jié)果與討論

2.1微電解材料的制備

近年來(lái)的相關(guān)研究表明，TiO2含量、黏合劑含量、鐵炭比和燒結(jié)溫度對(duì)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(gè)參數(shù)為影響因素，以氨氮、COD及色度為控制指標(biāo)優(yōu)化微電解材料的制備條件。試驗(yàn)原水COD為541.9mg/L，氨氮為11.275mg/L，色度為125倍。

2.1.1TiO2含量的確定

在鐵炭比為3∶1(質(zhì)量比，下同)，無(wú)黏合劑，燒結(jié)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(duì)印染廢水的處理效果，結(jié)果如圖3所示。

圖3TiO2含量對(duì)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?yàn)殡S著TiO2含量的增加，微電解材料的有效成分相對(duì)降低，導(dǎo)致處理效果逐漸變差。另外TiO2自身為吸附劑，對(duì)廢水污染物有一定的吸附效果，但當(dāng)其達(dá)到飽和時(shí)，吸附能力減弱，對(duì)廢水的處理效果也將變差。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，制備的微電解材料對(duì)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(qiáng)微電解材料的硬度，同時(shí)提高微電解材料的使用壽命，在微電解材料制備過(guò)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(luò)合性、速凝性、氧化還原等性能，與膨潤(rùn)土相比具有黏結(jié)力強(qiáng)的特點(diǎn)。在鐵炭比為3∶1，燒結(jié)溫度為900℃，TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(duì)印染廢水的處理效果，結(jié)果如圖4所示。

圖4黏合劑含量對(duì)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(dāng)黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，制備的微電解材料對(duì)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(jié)溫度為900℃，TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(duì)印染廢水的處理效果，結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，當(dāng)鐵炭比為1∶1時(shí)，制備的微電解材料對(duì)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(qiáng)，也會(huì)一定程度上提升處理效果〔11〕，2種情況均對(duì)處理效果產(chǎn)生影響。整體來(lái)說(shuō)，鐵炭比在1∶1時(shí)處理效果最佳。

2.1.4燒結(jié)溫度的確定

在TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%，鐵炭比為1∶1的條件下，考察了不同燒結(jié)溫度下制備的微電解材料對(duì)印染廢水的處理效果，結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，當(dāng)燒結(jié)溫度為800℃時(shí)，制備的微電解材料對(duì)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(yàn)結(jié)果表明，燒結(jié)溫度過(guò)低，材料的骨架不牢，使用壽命短;燒結(jié)溫度過(guò)高，材料中的鐵屑會(huì)不同程度地被氧化，另外溫度過(guò)高從經(jīng)濟(jì)角度考慮也不合適〔12〕。綜合考慮，選擇燒結(jié)溫度為800℃。綜上研究結(jié)果，處理該印染廢水的微電解材料的制備條件：TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%，鐵炭比為1∶1，燒結(jié)溫度為800℃。

2.2微電解處理系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行效果

由于燒杯試驗(yàn)為間歇性且廢水處理量較小，無(wú)法模擬工業(yè)中的連續(xù)處理過(guò)程，為此，本研究以自制的微電解處理系統(tǒng)，在22d的連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)印染廢水進(jìn)行處理。微電解處理系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行效果如圖5所示。

圖5高效微電解處理系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行結(jié)果

由圖5可知，在運(yùn)行初期的5d內(nèi)，氨氮去除率明顯增大，COD去除率先減小后增大，色度去除率則保持不變，出水氨氮低于2.5mg/L;在運(yùn)行的第6～10天，氨氮、COD去除率逐漸降低;當(dāng)運(yùn)行至11～22d時(shí)，自制的高效微電解處理系統(tǒng)對(duì)廢水的處理效果基本趨于穩(wěn)定。整個(gè)運(yùn)行階段高效微電解處理系統(tǒng)對(duì)廢水的氨氮、COD去除率分別穩(wěn)定在80%、70%以上，色度去除率穩(wěn)定在90%，出水氨氮降至3mg/L以下。

運(yùn)行結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)歷10d的啟動(dòng)階段后進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行階段，且長(zhǎng)期保持出水穩(wěn)定，系統(tǒng)處理效果良好。

3結(jié)論

研究結(jié)果表明，優(yōu)化條件下自制所得的鐵炭微電解材料對(duì)咸陽(yáng)某廠實(shí)際印染廢水具有良好的處理效果。在此基礎(chǔ)上考察了鐵炭微電解處理系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行效果，結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間，出水穩(wěn)定，系統(tǒng)處理效果良好，最終出水氨氮均降至3mg/L以下。

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