鐵碳微電解法處理涂料廢水的試驗(yàn)研究

楊　欣，武福平

（1.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

鐵碳微電解法處理涂料廢水的試驗(yàn)研究

楊欣1，武福平2

（1.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

采用鐵碳微電解法對涂料清洗廢水處理，研究了靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中鐵碳比、固液比及pH值對COD去除的影響，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)水質(zhì)變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中，鐵碳比為2:1時(shí)COD去除率最高，達(dá)到43.71%，固液比越高，COD去除率越高，pH越低，COD去除率越高，pH為1，接觸時(shí)間2 h時(shí)，COD去除率最高，達(dá)到57.14%。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中,COD去除率達(dá)到63.3%，前60 min NHN去除速率較低，隨著停留時(shí)間的增長，微電解對NH+4-N的去除效果越來越好，120 min時(shí)去除率為33.5%。

涂料廢水；鐵碳微電解；COD去除率

0　引言

涂料廢水常常伴隨以下特點(diǎn)：間歇性排放，水質(zhì)和水量波動(dòng)比較大；廢水水量少但污染物組成十分復(fù)雜，含多種有毒、難以生化降解處理的高分子和有機(jī)化合物；廢水的固體物含量高。該類廢水處理難度較大，主要處理工藝為物化處理法[1-2]，生物處理法[3-5]和物化法與生化法組合的工藝[6-9]。

微電解法在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用，并且在節(jié)能、提高污水可生化性、去除高濃度污染物、脫色等方面做出了顯著貢獻(xiàn)[10-13]。由于其在經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性上顯示出較大的優(yōu)勢，常被優(yōu)先選用為組合工藝中的預(yù)處理工藝來處理高濃度、難生物降解的有機(jī)廢水，如垃圾填埋場滲濾液、醫(yī)藥廢水等[12-14]。采用鐵-碳微電解法處理涂料廢水，旨在了解鐵碳微電解法對該類廢水的處理效果及通過實(shí)驗(yàn)確定合理的運(yùn)行參數(shù)。

1　廢水水質(zhì)、實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1廢水水質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)涂料清洗廢水是某乳膠漆生產(chǎn)公司在更換產(chǎn)品時(shí)清洗生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品包裝過程中洗滌濾布產(chǎn)生的。廢水主要成分為淀粉，聚乙烯醇，和少量聚醋酸乙烯，主要水質(zhì)指標(biāo)如下：COD 400～800 mg/L， pH 7～8，BOD5/COD 0.08～0.125，NH+4-N 30～38 mg/L。

1.2實(shí)驗(yàn)材料

鐵碳混合物采用海綿鐵和無煙煤。海綿鐵粒徑為2～4 mm，預(yù)處理方法為先用清水淘洗，接著用10%氫氧化鈉溶液浸泡10 min，去除表面有機(jī)物，再用清水沖洗干凈，用2%鹽酸浸泡20 min，最后用清水沖洗干凈備用。無煙煤粒徑為0.8～1.2 mm，直接用清水淘洗后晾干備用。

1.3實(shí)驗(yàn)裝置

1.3.1微電解靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)備若干個(gè)具塞250 mL的錐形瓶，分別加入一定量涂料廢水，并將一定體積比的海綿鐵與無煙煤的混合填料各10 g分別加入其中，置于搖床上反應(yīng)一個(gè)周期(2 h)，倒出反應(yīng)液，使廢水與混合物分離，取15 mL廢水離心分離20 min，測定水樣水質(zhì)。

1.3.2微電解動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

微電解動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置由高位水箱、有機(jī)玻璃柱，出水儲水箱等組成(見圖1)。有機(jī)玻璃柱直徑為60 mm，中間采用法蘭連接，填料層高度為100 cm，下部為石英砂，高度為10 cm，上部為海綿鐵/無煙煤混合物，高度為90 cm。

實(shí)驗(yàn)廢水由人工加入高位水箱，通過控制流量以控制水力停留時(shí)間，在玻璃柱內(nèi)進(jìn)行完鐵碳微電解反應(yīng)后經(jīng)過石英砂過濾，最后進(jìn)入儲水箱。實(shí)驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行。

1.4分析方法

圖1　動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置圖

2　實(shí)驗(yàn)過程及分析

2.1微電解靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

2.1.1鐵碳比對COD去除率的影響

本實(shí)驗(yàn)初期對海綿鐵與無煙煤混合物的比例進(jìn)行確定，分別取海綿鐵與無煙煤混合物八份(鐵和碳的體積比分別為1∶1、1.5∶1、2∶1、2.5∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測定反應(yīng)液COD。結(jié)果見圖2。

圖2　不同鐵碳比下的COD去除率

根據(jù)圖2，發(fā)現(xiàn)不同鐵碳比對COD均有一定的去除能力，但COD去除率并不與鐵碳比的升高或降低成正比，當(dāng)鐵碳比從1∶1增加至2∶1時(shí)，COD去除率從39.52%提升至43.71%。鐵碳比為2∶1和2.5∶1時(shí)，COD去除率差距很小，鐵碳比為3∶1至6∶1時(shí)，COD去除率范圍為31.06%～34.09%，但比1∶1～2.5∶1時(shí)要低，其中鐵碳比為3∶1和6∶1時(shí)COD去除率基本一樣，鐵碳比為2∶1時(shí)COD去除率最高。故通過實(shí)驗(yàn)選定鐵碳比為2∶1。

2.1.2pH對COD去除率的影響

pH能夠影響鐵碳微電解處理效果，有研究者發(fā)現(xiàn)不同pH條件對鐵碳微電解處理廢水均存在一定影響[16-17]。為了了解pH對COD去除的影響，在鐵碳比為為2∶1的條件下，分別測定了pH為1、 3、5、7、9、11、13時(shí)COD的去除率(見圖3)，從圖3可以看出，pH越低，COD去除率越高，pH=1時(shí)，COD去除率最高，可達(dá)到57.14%。羅旌生、曾抗美等[11]利用鐵碳微電解法處理染料生產(chǎn)廢水也得到類似結(jié)論。若pH過低，在一定程度上會降低氧化還原反應(yīng)的速度，降低原電池的效應(yīng)，而且會阻礙Fe(OH)2和Fe(OH)3的生成，F(xiàn)e與酸反應(yīng)導(dǎo)致出水Fe2+和Fe3+過高引起溶液色度過高，且需要后續(xù)處理投加大量的堿，不利于控制成本[18]。本實(shí)驗(yàn)pH從7至13，COD去除率在32.03%～38.09%范圍內(nèi)，差距并不明顯，綜合上述原因，故不對原水pH(7～8)進(jìn)行調(diào)整。

圖3　不同pH下的COD去除率

2.1.3固液比對COD去除率的影響

在鐵碳微電解反應(yīng)中，鐵碳混合物的投加量(m)與反應(yīng)體系中待處理廢水的體積(V)之比為固液比(g/L)。利用上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論，即：Fe:C=2∶1，保持原水pH，研究不同固液比對COD去除的影響。為了了解固液比對COD去除的影響，本實(shí)驗(yàn)采用停留時(shí)間為2 h，固液比分別為50∶1、100∶1、200∶1、300∶1、400∶1、500∶1時(shí)，測定出水COD的情況。結(jié)果見圖4。

圖4　不同固液比下的COD去除率

從圖4看出，鐵-碳微電解反應(yīng)的處理效率隨鐵屑用量增加而提高。但是鐵屑用量如果超過一定的數(shù)值之后，去除率增加并不明顯。故認(rèn)為鐵屑量足夠時(shí)，鐵屑量一般不會成為鐵-碳微電解法處理的重要影響因素，但若鐵屑用量很大，需從經(jīng)濟(jì)角度考慮，故固液比不能太高。綜上分析固液比選為100∶1。

2.2微電解動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

在前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，即鐵碳比為2∶1，固液比為100∶1，原水pH不調(diào)節(jié)，進(jìn)行了以2 h為一個(gè)運(yùn)行周期的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，得到不同反應(yīng)時(shí)間內(nèi)COD、 NHN去除率及pH的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。 31.06%～43.71%，COD去除率并不與鐵碳比的變化成正比，鐵碳比為2:1 COD去除率最高，達(dá)到43.71%。

圖5　一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)水質(zhì)變化

（2）pH越低，COD去除率越高，pH=1時(shí)，去除率最高，達(dá)到57.14%。

（3）固液比越高，COD去除率越高。

（4）在一個(gè)運(yùn)行周期(2 h)內(nèi)，COD去除率達(dá)到63.3%。鐵-碳微電解發(fā)生氧化還原反應(yīng)的時(shí)間段即為COD去除的時(shí)間段，pH變化曲線與COD去除率變化曲線基本相似。前60 min NHN去除速率較慢，隨著停留時(shí)間的增長，微電解對NHN的去除效果越來越好，120 min時(shí)去除率達(dá)到33.5%。

從圖5可看出，前30 min內(nèi)pH升高較快，該階段氧化還原反應(yīng)劇烈且迅速，與COD去除率變化規(guī)律基本一致，在鐵碳微電解反應(yīng)中，陰極反應(yīng)產(chǎn)生大量[H]和[O]，[H]和[O]均能與廢水中許多成分發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使有機(jī)大分子斷鏈降解，去除部分有機(jī)物，廢水COD降低，出水時(shí)COD去除率達(dá)到63.3%。pH變化曲線與COD去除率變化曲線存在較大相似，鐵-碳發(fā)生氧化還原反應(yīng)的時(shí)間段即為COD去除的時(shí)間段。

王鋒，周恭明[12]采用鐵-碳微電解法處理老齡垃圾填埋場滲濾液，顯示微電解中的鐵屑對NHN有較好的去除效果。趙振振、蔣建國等[14]利用鐵碳微電解法對垃圾填埋場滲濾液進(jìn)行處理，結(jié)論顯示鐵碳微電解對NHN也有一定的去除能力，但去除率只有約19%。本實(shí)驗(yàn)亦了解了鐵碳微電解法對涂料廢水中NH+4-N的去除能力。從一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)NH+4-N去除率變化來分析，前60 min NHN去除速率較慢，可能是由于原水中NH+4-N濃度低，隨著微電解反應(yīng)的進(jìn)行，微電解使廢水中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成NHN，再被去除，所以隨著反應(yīng)時(shí)間的增長，溶液中NHN越來越多，微電解對NHN去除效果越來越好，120min時(shí)去除率達(dá)到33.5%。NHN去除可能是[O]的氧化性所致，但是由于鐵碳微電解法主要是利用新生態(tài)[H]和Fe2+的還原能力，故對NHN去除能力依然有限。

3　結(jié)論

（1）鐵碳比從1:1～6:1時(shí)，COD去除率變化不大，為

[1]曾德芳,袁繼祖.改性累托石復(fù)合絮凝劑在涂料廢水處理中的應(yīng)用[J].涂料工業(yè),2005,35(5):59-61.

[2]賀迅,曾光明.微生物絮凝劑與聚合氯化鋁復(fù)配處理涂料廢水的響應(yīng)面優(yōu)化[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2014,8(7):2760-2764.

[3]陳詠波.混凝-厭氧-好氧工藝處理涂料廢水[J].工業(yè)用水與廢水,2012,43(5):77-79.

[4]Bahado¨r K.Ko¨rbahti,Abdurrahman Tanyola.Electrochemical treatment of industrial paint wastewater in acontinuous tubular reactor[J].Chemical Engineering Journal,2009,148(2):444–451.

[5]張振宇,顧禮煒,馬三劍,等.水解酸化-氧化溝工藝處理涂料廢水[J].中國給水排水,2014,30(16):95-98.

[6]瞿素蓮,金海明.膜生物反應(yīng)器處理涂料工廠廢水[J].凈水技術(shù), 2004,23(4):20-22.

[7]趙雪,陳志根,劉鋒,等.曝氣生物濾池在處理涂料廢水中的應(yīng)用[J].涂料工業(yè),2007,37(12):42-45.

[8]陳詠波.混凝-厭氧-好氧工藝處理涂料廢水[J].工業(yè)用水與廢水,2012,43(5):77-79.

[9]劉航,諶永紅.涂料廢水處理的研究[J].工業(yè)水處理,2004,24(7): 48-50.

[10]賴波,秦紅科,周岳溪,等.鐵碳微電解預(yù)處理ABS凝聚干燥工段廢水[J].環(huán)境科學(xué),2011,32(4):1055-1059.

[11]羅旌生,曾抗美,左晶瑩,等.鐵碳微電解法處理染料生產(chǎn)廢水[J].水處理技術(shù),2005,31(11):67-70.

[12]王鋒,周恭明.鐵-碳微電解法預(yù)處理老齡垃圾填埋場滲濾液的研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2004,5(3):63-65.

[13]葉杰旭,李偉,何志橋,等.微電解/混凝/臭氧氧化強(qiáng)化生物工藝處理制藥廢水[J].中國給水排水,2014,30(10):72-75.

[14]趙振振,蔣建國,黃云峰.零價(jià)鐵法處理垃圾填埋場滲濾液[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2006,46(12):1987-1990.

[15]國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[16]吳傲立,鮑建國,龔珞軍.鐵碳微電解預(yù)處理汽車電泳涂裝廢水[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2014,8(9):3843-3847.

[17]賴波,秦紅科,周岳溪,等.鐵碳微電解預(yù)處理ABS凝聚干燥工段廢水[J].環(huán)境科學(xué),2011,32(4):1055-1059.

[18]渠光華,張智,尹曉靜,等.鐵炭微電解法預(yù)處理超高鹽榨菜腌制廢水[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2011,5(12):2761-2767.

X788

A

1009-7716（2016）02-0163-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.045

2015-10-29

國家自然基金資助項(xiàng)目(51068014)

楊欣（1984-），女，甘肅蘭州人，講師，從事水處理理論與技術(shù)研究工作。