顏料廢水的脫色工藝實(shí)驗研究
中國污水處理工程網(wǎng) 時(shí)間：2011-12-2 15:39:19
污水處理技術(shù) | 匯聚全球環(huán)保力量，降低企業(yè)治污成本
1 廢水基本概況
甘肅某顏料廠(chǎng)每天生產(chǎn)5噸偶氮類(lèi)顏料，其中黃色顏料2噸、紅色顏料3噸（兩種品牌3144W和4B230）。生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生兩類(lèi)廢水：一類(lèi)為母液廢水，主要為顏料生產(chǎn)化學(xué)反應過(guò)程中產(chǎn)生，以反應釜及初期漂洗水為主；另一類(lèi)廢水為漂洗顏料及沖洗設備，沖洗地面等廢水。根據實(shí)際生產(chǎn)用水量測算，每生產(chǎn)一噸顏料產(chǎn)生30m3母液廢水，同時(shí)產(chǎn)生100 m3沖洗廢水。根據2008年12月27日現場(chǎng)所取的1號（4B230紅母液）、2號（3144W紅母液）、3號（黃母液）3個(gè)母液水樣，經(jīng)實(shí)驗分析檢測主要廢水指標如下：
1號（4B2 3 0紅母液）：pH值6 ,色度2 5 0 0倍，CODCr為7275.6mg/l，pH值為6.0，蒸發(fā)殘渣為39966mg/l；
2號（3144W紅母液）：pH值6，色度3750倍，CODCr為3859.3mg/l，pH值為6.0，蒸發(fā)殘渣為32000mg/l；
3號（黃母液）：pH值2.8， 色度80倍，CODCr為5163.0mg/l，pH值為2.8，蒸發(fā)殘渣為10882mg/l。
對照國家污水綜合排放標準（GB8978-1996）所規定的染料生產(chǎn)行業(yè)污水排放的相關(guān)指標（1998年1月1日后建設的單位）一級標準如下：pH=6-9、色度為50、CODCr為100mg/L、氨氮為15mg/L。僅對照廢水水樣檢測的幾個(gè)指標該生產(chǎn)廢水已經(jīng)嚴重超過(guò)國家限定的排放標準。黃母液的CODCr超標近百倍，紅母液4B230色度超標50倍，pH也嚴重超標。根據以上廢水水質(zhì)判斷甘谷宏達顏料廠(chǎng)的生產(chǎn)廢水必須經(jīng)過(guò)嚴格的處理后才可排放入環(huán)境，因而合理有效的污水處理工程必須盡快建設并投入運營(yíng)。
2 選擇工藝
有機顏料廢水具有有機物含量高、高色度、高含鹽量、有機物難生化降解等特點(diǎn) ,再加上廢水間歇性排放、水質(zhì)水量隨時(shí)間變化較大 ,給廢水處理工藝的設計、運行管理增加許多困難。目前 ,國內外處理這類(lèi)廢水的主要方法有:活性碳吸附、生物降解、離子交換、膜分離、化學(xué)氧化、絮凝沉淀法等。
鐵碳微電解技術(shù)處理工業(yè)廢水，因其工藝簡(jiǎn)單、操作方便且可達到以廢治廢的目的而在近年來(lái)受到廣泛重視。利用鐵碳微電解工藝處理印染廢水、混合工業(yè)廢水 、化工廢水的研究逐漸增多，投入生產(chǎn)運行的裝置也常有報道。廢水經(jīng)過(guò)微電解預處理后，廢水中對微生物有抑制作用的成分減少，可降解的成分增多。微電解在幾乎完全去除色度的同時(shí)還能對廢水有機物、毒性亦有一定的降低，增強了后續生化工藝對污染物的去除效果，可生化性大大提高。其合理地與生化工藝相組合可實(shí)現工業(yè)廢水達標排放的目的，且組合工藝結構十分簡(jiǎn)捷，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。由于單純的物理化學(xué)處理工藝難以使顏料生產(chǎn)廢水直接處理達標，因而微電解處理工藝只作為難生化處理有機顏料廢水的預處理手段。
3 實(shí)驗部分
3.1 實(shí)驗原理
微電解法是根據金屬腐蝕原理，利用鐵碳形成的原電池對廢水進(jìn)行處理的方法，又稱(chēng)內電解法、鐵屑過(guò)濾法等。由于在酸性無(wú)氧條件下廢水經(jīng)微電解處理時(shí)，新生態(tài)氫能與顏料廢水中的許多組分發(fā)生氧化還原作用，使物質(zhì)的結構發(fā)生變化，大分子分解為小分子，難降解物質(zhì)轉化為易降解物質(zhì)，這些物質(zhì)替代原有的難降解物質(zhì)存在于微電解出水中。這是多種反應共同作用的結果，主要有電極反應產(chǎn)生的氧化還原作用以及電極反應產(chǎn)物的電凝聚、吸附作用，鐵碳微電解法在作用過(guò)程中電極上發(fā)生了如下的反應 ：
反應過(guò)程中生成的Fe2+具有較高的化學(xué)還原活性，可使某些組分還原。在酸性溶液中，電極反應產(chǎn)生的新生態(tài)[H]與廢水中的有機污染物發(fā)生反應，使其結構被破壞(如破壞廢水的發(fā)色和助色集團，使其失去發(fā)色能力；大分子物質(zhì)分解為小分子的中間體，使某些難生化降解的化學(xué)物質(zhì)轉變成容易生化處理的物質(zhì))，同時(shí)反應產(chǎn)生的鐵系氫氧化合物是良好的絮凝劑，可對廢水中的懸浮物以及部分溶解性有機物通過(guò)絮凝沉降而與水分離，多種效應綜合作用的結果致使廢水中的色度及部分有機物被去除。另外，在微原電池周?chē)妶?chǎng)的作用下，廢水中的膠體狀態(tài)存在的污染物可在很短時(shí)間內完成電泳沉積過(guò)程，附聚在濾料表面。
3.2 實(shí)驗與討論
3.2.1 實(shí)驗材料
⑴ 鐵屑采用機械加工廢鐵屑，鐵屑為長(cháng)方體片狀，厚度1mm左右，長(cháng)度約為2-5mm左右，寬度為2mm左右，經(jīng)酸洗、堿洗后使用；
⑵ 碳粒采用污水處理實(shí)驗后廢棄的15# 活性碳(木質(zhì)再造碳)，用自來(lái)水清洗干凈，用待處理的顏料廢水浸泡72h以上，使之達到吸附飽和［注：鐵炭比為1:1］。
3.2.2 實(shí)驗內容
現按產(chǎn)生廢水的比例將1號、2號、3號母液水3：3：4混合（pH約為3.5）后倒入鐵碳反應柱。反應柱為自制圓形塑料柱，直徑35mm，高400mm。注入實(shí)驗用水淹沒(méi)填料，控制濾速，保證反應進(jìn)行30min，60min，90min分別取水，然后加堿調pH至8—9，曝氣一個(gè)小時(shí)，經(jīng)沉淀過(guò)濾后取水測其色度和CODCr的值。實(shí)驗中為檢驗pH值對其脫色效果的影響，分別將混合之后的原水調pH至2～5之間再進(jìn)行鐵碳微電解反應。
3.2.3 實(shí)驗結果
實(shí)驗結果顯示進(jìn)水pH以及停留時(shí)間HRT對脫色效果均有較大影響，進(jìn)水pH為3或4和不調pH的條件下出水色度均穩定在2—8之間，CODCr去除率基本保持在40%左右，另一方面同等實(shí)驗條件下隨反應時(shí)間的延長(cháng)，出水的色度和CODCr去除率稍呈上升趨勢，考慮到延長(cháng)反應時(shí)間會(huì )增加水處理設備的容積，提高處理費用，所以可選擇反應時(shí)間為30min，同時(shí)不需調節進(jìn)水pH值，保持其混合后原水pH3.5，這樣在降低操作費用，減少工程上不必要的復雜工序的同時(shí)，既不影響原水的脫色效果，也不會(huì )因向廢水中引入更多鹽類(lèi)而不利于后續的生化處理。
4 結果分析與結論
本試驗進(jìn)水在室溫20℃左右條件下，用稀釋后的鹽酸和氫氧化鈉溶液調節原水的pH分別為2、2.5、3、3.5、4、4.5、5，在微電解柱內分別停留30、60、90min，出水加氫氧化鈉溶液調節pH至8.5 左右，充分曝氣一小時(shí)后沉淀，取上清液測定CODCr及色度。（微電解柱出水呈弱酸性，pH 為6-7）結果見(jiàn)圖。
（1）在其他反應條件保持不變的情況下，pH在3—3.5左右的區間內，隨著(zhù)pH的增大，色度和COD去除率呈現上升趨勢（COD去除率相對較明顯）；但在3.5-4的區間內，隨著(zhù)pH的增大，COD去除率反而呈下降趨勢。
（2）在反應初始階段，隨著(zhù)停留時(shí)間HRT的增長(cháng)，色度的去除率增加，反應1 h后趨于平穩，基本穩定在99.7%以上;COD的去除率在反應初始階段0.5h—1h之間亦呈上升趨勢，基本穩定在45%以上。由此得出結論：停留時(shí)間小于1h隨著(zhù)停留時(shí)間的增大色度和COD去除率逐漸增大，停留時(shí)間大于1h，則隨停留時(shí)間的增長(cháng)，其去除率增大的趨勢緩慢。
5 工程運用分析
5.1 工程上運用時(shí)要注意以下幾點(diǎn)
⑴ 鐵屑在電解過(guò)程中逐漸消耗導致處理效率下降［進(jìn)水1噸約消耗60g鐵］，為保證脫色率，需定期添加，使之保持在鐵碳比約1：1；
⑵ 為避免反應過(guò)程微電解柱中產(chǎn)生的微量沉淀與消耗完的鐵泥會(huì )導致出水速度的降低和儲水量的減少，故3個(gè)月至半年考慮反沖洗一次或翻池一次；
⑶ 工程上可考慮用石灰水調pH至8-9，價(jià)格便宜且能起到助凝和降低廢水鹽度的作用，提高生化性；
⑷ 過(guò)濾后的殘渣量比較少可做為固體垃圾處理；
⑸ 運用此預處理脫色工藝可與生化工藝相結合使廢水達標排放，也可回收將處理后的水回用于生產(chǎn)過(guò)程中作為漂洗顏料。
5.2 成本核算
由于鐵屑是工業(yè)切削等過(guò)程中所產(chǎn)生的廢料，所以低廉；活性碳只是起到惰性電極的作用，在實(shí)際處理過(guò)程中并不消耗；石灰水調節pH值，也十分經(jīng)濟廉價(jià)。預計微電解脫色工藝運行成本約0.4元／噸左右（電費按0.5元／度，廢鐵屑按2元／kg，石灰按0.1元／kg估算）。（蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院）
參考文獻
[1] 張文博,劉發(fā)強,牛進(jìn)龍.鐵炭?jì)入娊夥ㄌ幚砘U水的研究[J].環(huán)境工程,2007,25:44-47.
[2] 李德生,譚磊,王寶山,徐東輝.Fenton試劑強化鐵炭微電解預處理高濃有機廢水[J].中國給水排水2006,22(17).
[3] 余宗學(xué),安立超.高氨氮、高鹽度有機顏料廢水處理工藝研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2004,27(1).
[4] 王曉霞,吳生,烏錫康.鐵炭-生化法處理高含鹽染料廢水的研究[J].環(huán)境化學(xué),2002,21(6).
[5] 王慧娟,黃亮.鐵炭?jì)入娊夥ㄌ幚砣玖蠌U水的研究[J].河南化工,2007,24(11).
[6] 王喜全,胡筱敏,沈雪,何連雨.鐵炭微電解法處理染料廢水[J].環(huán)�？萍�,2008,(4).
[7] 黃瑾,胡翔,李毅,魏杰.鐵碳微電解法處理高鹽度有機廢水[J].化工環(huán)保,2007,27(3).
[8] 何德文,王云燕,柴立元.微電解法處理染化廢水的試驗研究[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2003.34(1).
[9] 謝林花.徐蘇霞.陳小強.微電解法處理印染廢水的實(shí)驗研究[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報,2007,25.作者簡(jiǎn)介：何豐（1986-），女，蘭州交通大學(xué)2008級，市政工程專(zhuān)業(yè)在讀研究生。
甘肅某顏料廠(chǎng)每天生產(chǎn)5噸偶氮類(lèi)顏料，其中黃色顏料2噸、紅色顏料3噸（兩種品牌3144W和4B230）。生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生兩類(lèi)廢水：一類(lèi)為母液廢水，主要為顏料生產(chǎn)化學(xué)反應過(guò)程中產(chǎn)生，以反應釜及初期漂洗水為主；另一類(lèi)廢水為漂洗顏料及沖洗設備，沖洗地面等廢水。根據實(shí)際生產(chǎn)用水量測算，每生產(chǎn)一噸顏料產(chǎn)生30m3母液廢水，同時(shí)產(chǎn)生100 m3沖洗廢水。根據2008年12月27日現場(chǎng)所取的1號（4B230紅母液）、2號（3144W紅母液）、3號（黃母液）3個(gè)母液水樣，經(jīng)實(shí)驗分析檢測主要廢水指標如下：
1號（4B2 3 0紅母液）：pH值6 ,色度2 5 0 0倍，CODCr為7275.6mg/l，pH值為6.0，蒸發(fā)殘渣為39966mg/l；
2號（3144W紅母液）：pH值6，色度3750倍，CODCr為3859.3mg/l，pH值為6.0，蒸發(fā)殘渣為32000mg/l；
3號（黃母液）：pH值2.8， 色度80倍，CODCr為5163.0mg/l，pH值為2.8，蒸發(fā)殘渣為10882mg/l。
對照國家污水綜合排放標準（GB8978-1996）所規定的染料生產(chǎn)行業(yè)污水排放的相關(guān)指標（1998年1月1日后建設的單位）一級標準如下：pH=6-9、色度為50、CODCr為100mg/L、氨氮為15mg/L。僅對照廢水水樣檢測的幾個(gè)指標該生產(chǎn)廢水已經(jīng)嚴重超過(guò)國家限定的排放標準。黃母液的CODCr超標近百倍，紅母液4B230色度超標50倍，pH也嚴重超標。根據以上廢水水質(zhì)判斷甘谷宏達顏料廠(chǎng)的生產(chǎn)廢水必須經(jīng)過(guò)嚴格的處理后才可排放入環(huán)境，因而合理有效的污水處理工程必須盡快建設并投入運營(yíng)。
2 選擇工藝
有機顏料廢水具有有機物含量高、高色度、高含鹽量、有機物難生化降解等特點(diǎn) ,再加上廢水間歇性排放、水質(zhì)水量隨時(shí)間變化較大 ,給廢水處理工藝的設計、運行管理增加許多困難。目前 ,國內外處理這類(lèi)廢水的主要方法有:活性碳吸附、生物降解、離子交換、膜分離、化學(xué)氧化、絮凝沉淀法等。
鐵碳微電解技術(shù)處理工業(yè)廢水，因其工藝簡(jiǎn)單、操作方便且可達到以廢治廢的目的而在近年來(lái)受到廣泛重視。利用鐵碳微電解工藝處理印染廢水、混合工業(yè)廢水 、化工廢水的研究逐漸增多，投入生產(chǎn)運行的裝置也常有報道。廢水經(jīng)過(guò)微電解預處理后，廢水中對微生物有抑制作用的成分減少，可降解的成分增多。微電解在幾乎完全去除色度的同時(shí)還能對廢水有機物、毒性亦有一定的降低，增強了后續生化工藝對污染物的去除效果，可生化性大大提高。其合理地與生化工藝相組合可實(shí)現工業(yè)廢水達標排放的目的，且組合工藝結構十分簡(jiǎn)捷，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。由于單純的物理化學(xué)處理工藝難以使顏料生產(chǎn)廢水直接處理達標，因而微電解處理工藝只作為難生化處理有機顏料廢水的預處理手段。
3 實(shí)驗部分
3.1 實(shí)驗原理
微電解法是根據金屬腐蝕原理，利用鐵碳形成的原電池對廢水進(jìn)行處理的方法，又稱(chēng)內電解法、鐵屑過(guò)濾法等。由于在酸性無(wú)氧條件下廢水經(jīng)微電解處理時(shí)，新生態(tài)氫能與顏料廢水中的許多組分發(fā)生氧化還原作用，使物質(zhì)的結構發(fā)生變化，大分子分解為小分子，難降解物質(zhì)轉化為易降解物質(zhì)，這些物質(zhì)替代原有的難降解物質(zhì)存在于微電解出水中。這是多種反應共同作用的結果，主要有電極反應產(chǎn)生的氧化還原作用以及電極反應產(chǎn)物的電凝聚、吸附作用，鐵碳微電解法在作用過(guò)程中電極上發(fā)生了如下的反應 ：
反應過(guò)程中生成的Fe2+具有較高的化學(xué)還原活性，可使某些組分還原。在酸性溶液中，電極反應產(chǎn)生的新生態(tài)[H]與廢水中的有機污染物發(fā)生反應，使其結構被破壞(如破壞廢水的發(fā)色和助色集團，使其失去發(fā)色能力；大分子物質(zhì)分解為小分子的中間體，使某些難生化降解的化學(xué)物質(zhì)轉變成容易生化處理的物質(zhì))，同時(shí)反應產(chǎn)生的鐵系氫氧化合物是良好的絮凝劑，可對廢水中的懸浮物以及部分溶解性有機物通過(guò)絮凝沉降而與水分離，多種效應綜合作用的結果致使廢水中的色度及部分有機物被去除。另外，在微原電池周?chē)妶?chǎng)的作用下，廢水中的膠體狀態(tài)存在的污染物可在很短時(shí)間內完成電泳沉積過(guò)程，附聚在濾料表面。
3.2 實(shí)驗與討論
3.2.1 實(shí)驗材料
⑴ 鐵屑采用機械加工廢鐵屑，鐵屑為長(cháng)方體片狀，厚度1mm左右，長(cháng)度約為2-5mm左右，寬度為2mm左右，經(jīng)酸洗、堿洗后使用；
⑵ 碳粒采用污水處理實(shí)驗后廢棄的15# 活性碳(木質(zhì)再造碳)，用自來(lái)水清洗干凈，用待處理的顏料廢水浸泡72h以上，使之達到吸附飽和［注：鐵炭比為1:1］。
3.2.2 實(shí)驗內容
現按產(chǎn)生廢水的比例將1號、2號、3號母液水3：3：4混合（pH約為3.5）后倒入鐵碳反應柱。反應柱為自制圓形塑料柱，直徑35mm，高400mm。注入實(shí)驗用水淹沒(méi)填料，控制濾速，保證反應進(jìn)行30min，60min，90min分別取水，然后加堿調pH至8—9，曝氣一個(gè)小時(shí)，經(jīng)沉淀過(guò)濾后取水測其色度和CODCr的值。實(shí)驗中為檢驗pH值對其脫色效果的影響，分別將混合之后的原水調pH至2～5之間再進(jìn)行鐵碳微電解反應。
3.2.3 實(shí)驗結果
實(shí)驗結果顯示進(jìn)水pH以及停留時(shí)間HRT對脫色效果均有較大影響，進(jìn)水pH為3或4和不調pH的條件下出水色度均穩定在2—8之間，CODCr去除率基本保持在40%左右，另一方面同等實(shí)驗條件下隨反應時(shí)間的延長(cháng)，出水的色度和CODCr去除率稍呈上升趨勢，考慮到延長(cháng)反應時(shí)間會(huì )增加水處理設備的容積，提高處理費用，所以可選擇反應時(shí)間為30min，同時(shí)不需調節進(jìn)水pH值，保持其混合后原水pH3.5，這樣在降低操作費用，減少工程上不必要的復雜工序的同時(shí)，既不影響原水的脫色效果，也不會(huì )因向廢水中引入更多鹽類(lèi)而不利于后續的生化處理。
4 結果分析與結論
本試驗進(jìn)水在室溫20℃左右條件下，用稀釋后的鹽酸和氫氧化鈉溶液調節原水的pH分別為2、2.5、3、3.5、4、4.5、5，在微電解柱內分別停留30、60、90min，出水加氫氧化鈉溶液調節pH至8.5 左右，充分曝氣一小時(shí)后沉淀，取上清液測定CODCr及色度。（微電解柱出水呈弱酸性，pH 為6-7）結果見(jiàn)圖。
（1）在其他反應條件保持不變的情況下，pH在3—3.5左右的區間內，隨著(zhù)pH的增大，色度和COD去除率呈現上升趨勢（COD去除率相對較明顯）；但在3.5-4的區間內，隨著(zhù)pH的增大，COD去除率反而呈下降趨勢。
（2）在反應初始階段，隨著(zhù)停留時(shí)間HRT的增長(cháng)，色度的去除率增加，反應1 h后趨于平穩，基本穩定在99.7%以上;COD的去除率在反應初始階段0.5h—1h之間亦呈上升趨勢，基本穩定在45%以上。由此得出結論：停留時(shí)間小于1h隨著(zhù)停留時(shí)間的增大色度和COD去除率逐漸增大，停留時(shí)間大于1h，則隨停留時(shí)間的增長(cháng)，其去除率增大的趨勢緩慢。
5 工程運用分析
5.1 工程上運用時(shí)要注意以下幾點(diǎn)
⑴ 鐵屑在電解過(guò)程中逐漸消耗導致處理效率下降［進(jìn)水1噸約消耗60g鐵］，為保證脫色率，需定期添加，使之保持在鐵碳比約1：1；
⑵ 為避免反應過(guò)程微電解柱中產(chǎn)生的微量沉淀與消耗完的鐵泥會(huì )導致出水速度的降低和儲水量的減少，故3個(gè)月至半年考慮反沖洗一次或翻池一次；
⑶ 工程上可考慮用石灰水調pH至8-9，價(jià)格便宜且能起到助凝和降低廢水鹽度的作用，提高生化性；
⑷ 過(guò)濾后的殘渣量比較少可做為固體垃圾處理；
⑸ 運用此預處理脫色工藝可與生化工藝相結合使廢水達標排放，也可回收將處理后的水回用于生產(chǎn)過(guò)程中作為漂洗顏料。
5.2 成本核算
由于鐵屑是工業(yè)切削等過(guò)程中所產(chǎn)生的廢料，所以低廉；活性碳只是起到惰性電極的作用，在實(shí)際處理過(guò)程中并不消耗；石灰水調節pH值，也十分經(jīng)濟廉價(jià)。預計微電解脫色工藝運行成本約0.4元／噸左右（電費按0.5元／度，廢鐵屑按2元／kg，石灰按0.1元／kg估算）。（蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院）
參考文獻
[1] 張文博,劉發(fā)強,牛進(jìn)龍.鐵炭?jì)入娊夥ㄌ幚砘U水的研究[J].環(huán)境工程,2007,25:44-47.
[2] 李德生,譚磊,王寶山,徐東輝.Fenton試劑強化鐵炭微電解預處理高濃有機廢水[J].中國給水排水2006,22(17).
[3] 余宗學(xué),安立超.高氨氮、高鹽度有機顏料廢水處理工藝研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2004,27(1).
[4] 王曉霞,吳生,烏錫康.鐵炭-生化法處理高含鹽染料廢水的研究[J].環(huán)境化學(xué),2002,21(6).
[5] 王慧娟,黃亮.鐵炭?jì)入娊夥ㄌ幚砣玖蠌U水的研究[J].河南化工,2007,24(11).
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[7] 黃瑾,胡翔,李毅,魏杰.鐵碳微電解法處理高鹽度有機廢水[J].化工環(huán)保,2007,27(3).
[8] 何德文,王云燕,柴立元.微電解法處理染化廢水的試驗研究[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2003.34(1).
[9] 謝林花.徐蘇霞.陳小強.微電解法處理印染廢水的實(shí)驗研究[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報,2007,25.作者簡(jiǎn)介：何豐（1986-），女，蘭州交通大學(xué)2008級，市政工程專(zhuān)業(yè)在讀研究生。
