微电解材料制备废水处理工艺

常治辉 原创 | 2015-03-27 07:19 | 收藏 | 投票

印染废水具有COD高、可生化性差、水质变化大、难降解以及色度深等特点,是当前水系环境的重要污染源和工业废水处理的难点和焦点之一。采用传统的生化方法或其他单项处理技术处理此类废水难以达到良好的处理效果〔1, 2〕。

微电解技术是一种基于原电池原理以电化学反应为主的具有复杂反应过程的废水处理技术,该技术由于具有适用范围广、处理效果好、操作方便、成本低廉等优点而得到广泛的应用〔3, 4〕。但传统的微电解材料一般为铁屑、焦炭、活性炭等不规整碎料,在应用过程中存在板结、沟流等问题;另外,目前绝大多数研究者采用静态烧杯试验进行铁炭微电解应用技术研究及材料性能研究,这些研究都是间歇性试验且样本处理量很小,无法模拟工业中的连续处理过程,严重制约了该技术的发展和实际应用〔5, 6, 7〕。

本研究以咸阳某厂实际印染废水的氨氮、COD、色度为主要控制指标,对铁炭微电解规整化材料的加工条件进行了研究,并考察了自制的铁炭微电解处理系统对该废水的连续处理效果,以期为该技术的实际应用提供借鉴。

1 材料与方法
 
1.1 试验材料及试剂
 
活性炭粉,工业级,西安煤炭公司;铁粉,工业级,湖南辉领金属材料有限公司;黏合剂,工业级,保定京素生物科技有限公司;TiO2,分析纯,天津市天力化学试剂有限公司;H2SO4,分析纯,成都市科龙化工试剂厂;NaOH,分析纯,天津市天力化学试剂有限公司。

1.2 废水水质
试验用水取自咸阳某印染厂,该厂主要生产印染布。该厂废水排放量约为220 m3/d,主要为印染工艺各个工序排放的废水,主要含有染料、浆料、助剂、油剂、酸碱、纤维杂质及无机盐等,其水质:COD 410~600 mg/L,氨氮10~12 mg/L,色度125倍,pH 7.76~8.30。

1.3 试验方法
将活性炭粉、铁粉、黏合剂、多种催化剂(TiO2等)按照一定的比例混合,形成规整的球状后,经马弗炉高温熔炼制成铁炭微电解规整化材料。研究过程采用单因素方法优化微电解材料的制备条件。经检测该材料直径为30 mm,密度为1 560 kg/m3,孔隙率为65%~70%。其SEM如图 1所示。

 

图 1 微电解材料的SEM (×3 000)

由图 1可以看出,该微电解材料具有架构式微孔结构,均匀的水气流通道,这样废水与该材料可充分接触,使处理效果增强。按参考文献〔8〕 评价该材料性能。

本研究微电解连续处理系统流程见图 2。

 

图 2 微电解处理系统流程

微电解反应装置由2个有效容积约为5.6 L的微电解反应器(直径14 cm,高54 cm)串联而成,两柱体内置3 kg自制的铁炭微电解材料,水力停留时间约为8 h。实验过程中首先在配水箱内用质量分数为98%的硫酸调节废水pH至3左右,废水经1#和2#微电解反应器处理后进入絮凝沉降槽,在沉降槽中用氢氧化钠调节废水pH至10~11,絮凝沉降一段时间后,上清液进入集水箱。

1.4 分析方法
COD采用5B-3C快速测定仪测定;pH采用pHS-3C型酸度计测定;色度采用稀释倍数法(GB/ T 11903—1989)测定;氨氮采用5B-2N快速测定仪测定;孔隙率采用Quantachrome NOVA2000孔隙度分析仪测定;SEM采用FEI公司Quanta 200环境扫描电子显微镜进行测定。

2 结果与讨论
 
2.1 微电解材料的制备
 
近年来的相关研究表明,TiO2含量、黏合剂含量、铁炭比和烧结温度对微电解材料的性能有很大的影响〔9, 10〕。因此,本研究以上述4个参数为影响因素,以氨氮、COD及色度为控制指标优化微电解材料的制备条件。试验原水COD为541.9 mg/L,氨氮为11.275 mg/L,色度为125倍。

2.1.1 TiO2含量的确定
在铁炭比为3∶1(质量比,下同),无黏合剂,烧结温度为900 ℃的条件下,考察了不同TiO2含量下制备的微电解材料对印染废水的处理效果,结果如图 3所示。

 

图 3 TiO2含量对废水处理效果的影响

由图 3可知,随TiO2含量的增加,综合处理效果逐渐变差。这是因为随着TiO2含量的增加,微电解材料的有效成分相对降低,导致处理效果逐渐变差。另外TiO2自身为吸附剂,对废水污染物有一定的吸附效果,但当其达到饱和时,吸附能力减弱,对废水的处理效果也将变差。试验结果表明,当TiO2质量分数为6%时,制备的微电解材料对废水的综合处理效果明显,氨氮、COD、色度去除率分别为89.4%、63.0%、80.0%。

2.1.2 黏合剂含量的确定
为增强微电解材料的硬度,同时提高微电解材料的使用寿命,在微电解材料制备过程中加入少量由高分子材料及多种化工原料按照一定比例混合配制而成的黏合剂。该黏合剂具有亲水性、络合性、速凝性、氧化还原等性能,与膨润土相比具有黏结力强的特点。在铁炭比为3∶1,烧结温度为900 ℃,TiO2质量分数为6%的条件下,考察了不同黏合剂含量下制备的微电解材料对印染废水的处理效果,结果如图 4所示。

 

图 4 黏合剂含量对废水处理效果的影响

由图 4可以看出,随黏合剂含量的增加,废水的综合处理效果逐渐变差。当黏合剂质量分数为2.0%时,制备的微电解材料对废水的综合处理效果较好,氨氮、COD、色度去除率分别为80.5%、69.4%、85.0%。

2.1.3 铁炭比的确定
在烧结温度为900 ℃,TiO2质量分数为6%,黏合剂质量分数为2.0%的条件下,考察了不同铁炭比下制备的微电解材料对印染废水的处理效果,结果如表 1所示。

由表 1可以看出,当铁炭比为1∶1时,制备的微电解材料对废水的综合处理效果明显,氨氮、COD、色度去除率分别为85.0%、77.1%、85.0%。减少活性炭的量,可以加大铁与水的接触面积,从而一定程度上提升了处理效果;另一方面,铁炭比减小,活性炭的含量增加,使得电富集作用得到增强,也会一定程度上提升处理效果〔11〕,2种情况均对处理效果产生影响。整体来说,铁炭比在1∶1时处理效果最佳。

2.1.4 烧结温度的确定
在TiO2质量分数为6%,黏合剂质量分数为2.0%,铁炭比为1∶1的条件下,考察了不同烧结温度下制备的微电解材料对印染废水的处理效果,结果如表 2所示。

由表 2可以看出,当烧结温度为800 ℃时,制备的微电解材料对废水的综合处理效果较好,氨氮、COD、色度去除率分别为89.7%、78.0%、90.0%。试验结果表明,烧结温度过低,材料的骨架不牢,使用寿命短;烧结温度过高,材料中的铁屑会不同程度地被氧化,另外温度过高从经济角度考虑也不合适〔12〕。综合考虑,选择烧结温度为800 ℃。综上研究结果,处理该印染废水的微电解材料的制备条件:TiO2质量分数为6%,黏合剂质量分数为2.0%,铁炭比为1∶1,烧结温度为800 ℃。

2.2 微电解处理系统的连续运行效果
由于烧杯试验为间歇性且废水处理量较小,无法模拟工业中的连续处理过程,为此,本研究以自制的微电解处理系统,在22 d的连续运行状态下对印染废水进行处理。微电解处理系统的连续运行效果如图 5所示。

 

图 5 高效微电解处理系统的连续运行结果

由图 5可知,在运行初期的5 d内,氨氮去除率明显增大,COD去除率先减小后增大,色度去除率则保持不变,出水氨氮低于2.5 mg/L;在运行的第6~10 天,氨氮、COD去除率逐渐降低;当运行至11~22 d时,自制的高效微电解处理系统对废水的处理效果基本趋于稳定。整个运行阶段高效微电解处理系统对废水的氨氮、COD去除率分别稳定在80%、70%以上,色度去除率稳定在90%,出水氨氮降至3 mg/L以下。

运行结果表明,整个系统经历10 d的启动阶段后进入平稳运行阶段,且长期保持出水稳定,系统处理效果良好。

3 结论
 
研究结果表明,优化条件下自制所得的铁炭微电解材料对咸阳某厂实际印染废水具有良好的处理效果。在此基础上考察了铁炭微电解处理系统的连续运行效果,结果表明,系统稳定运行期间,出水稳定,系统处理效果良好,最终出水氨氮均降至3 mg/L以下。

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