东华大学环境学院大三印染废水中水回用设计性实验论文

1、环工综合实验（2）铁碳微电解混凝对印染废水二沉池出水的中水回用研究论文盛波铁碳微电解混凝对印染废水二沉池出水的中水回用研究 (东华大学环境科学与工程学院，环境工程，环工1301，上海，201620)摘 要： 针对印染废水二沉池出水水质难降解且难以达标的现状，采用铁碳微电解混凝工艺进行处理研究，为印染废水的中水回用提供了可行的基础。通过实验，确定铁碳微电解的最佳工艺条件为Fe的投量为46g/L、m(C) : m( Fe)为16、水力停留时间(HRT)为1.5h。最佳混凝条件为: Al2(SO4)3投量为1ml/L、混凝沉淀时间为30min。实验结果表明，在上述最优工艺条件下对该废水进行深度处理，

2、对COD的去除率能达到50%以上，出水COD低至38.46mg/L。关键词： 铁碳微电解 混凝 印染废水 二沉池出水 深度处理Study on the Reuse of Water in Two Settling Tank Effluent of Printing and Dyeing Wastewater by Iron Carbon Micro- electrolysis and CoagulationSheng Bo Zhou Xin Yang Huan Zhou Weizhu Zhang Yuanfan Xie Tengfei Zhu Qian(College of Environme

3、ntal Science and Engineering, Donghua University, Environmental Engineering, Class 1301, Shanghai, 201620)Abstract: Aiming at the present situation that the effluent quality of the printing and dyeing wastewater is difficult to be degraded and difficult to reach the standard, the treatment of the ir

4、on carbon micro electrolysis coagulation process is adopted, which provides a feasible basis for the reuse of the wastewater in the printing and dyeing wastewater. Through experiments, the optimal process conditions for the determination of iron carbon micro electrolysis were 46g/L, m (C): m (Fe), (

5、Fe), 1: 6, hydraulic retention time (HRT) of 1.5h. The best coagulation conditions were as follows: Al2 (SO4) 3 dosage was 1ml/L, coagulation sedimentation time was 30min. The experimental results show that the COD removal rate can reach more than 50%, and the effluent COD is as low as 38.46mg/L in

6、the above optimal process conditions.Key words: iron-carbon micro-electrolysis; coagulation; printing and dyeing wastewater; two sedimentation tank water; depth treatment印染废水是我国工业废水的重要组成部分之一。据不完全统计，2010年我国纺织工业废水排放量工业废水排放量第三位，占全国工业废水排放量的11.5%1。近年来，我国对印染废水的排放标准逐渐提高，2012年我国正式颁布新标准纺织染整工业水污染物排放标准(GB4287-

7、2012)。其中对需要采取特别保护措施的地区规定: COD的限值为60mg/L。目前，通过一般的二级生化处理，COD等指标难以达到新标准，这意味着以印染废水为主的污水处理厂都将面临提标改造，深度处理势在必行，本实验以COD为主要研究对象。铁碳微电解工艺常常用于废水的预处理，目前该工艺通常需要调节废水pH至3左右2，通过提高废水的可生化性，从而达到强化二级生化处理的目的。当前，印染废水二级处理出水水质仍不能达到排放及回用标准的要求，主要问题是二级处理出水中残留的CODCr都是难生化降解有机物；而一般的混凝沉淀、吸附、气浮等方法也难以将色度完全去除， 所以深度处理的对象就是难生化降解有机物和色度。

8、目前，用于印染废水深度处理的主要技术工艺有物理法、化学法、生物法等3。1 印染废水处理方法1.1 物理法处理印染废水1.1.1 吸附法吸附法主要是利用多孔物质粉磨或颗粒表面吸附废水中染料与助剂等污染物的方法。该方法具有简单、投资省的优点。根据吸附法处理废水的原理，选择吸附剂、吸附剂的再生能力是该方法在实际应用中主要考虑的两点活性炭4、工业废料( 渣)、天然植物废料( 如木炭)以及人工合成树脂等是目前常用的主要吸附剂5。图 1 吸附的基本过程Fig1 Basic notions of adsorption61.1.2 混凝法混凝法是一种应用较为广泛的印染废水处理技术，其原理为在废水中加入絮凝剂，

9、废水中的胶体粒子与絮凝剂在废水中发生水解、聚合等化学反应生成的水解或聚合产物发生静电中和、粒子架桥和黏附卷扫等作用，生成粗大的絮凝体后沉降除去。复合混凝剂处理模拟酸性染料废水的研究，COD去除率可达853%，脱色率可达 97.5%。混凝法的优点是: 设备简单，占地面积小，工程投资小，色度去除率高。但该法产生的污泥较难处理，且投加絮凝剂的运行成本较高图 2 胶体结构图Fig.2 structural drawing of colloid6图 3综合位能示意图Fig.3 The sketch map about comprehensive potential61.1.3 膜分离法膜对不同物质具有透

10、过性差异， 膜分离技术就是利用膜的这种特性，在一定的传质推动力下，对混合物进行分离的方法。 印染废水深度处理所用的膜分离技术主要有微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）7。膜分离法具有无相变，节能易控、无需投加化学药品等优点。但它在使用中会产生难处理的浓缩液且膜成本较高易污染。如今常将膜分离技术与生物处理技术相结合处理废水，即 MBR技术。MBR提高了污泥浓度，延长了难降解物质的停留时间，强化了处理效果。但MBR技术仍存在能耗高、清洗难等问题6。1.2 化学法1.2.1 光催化氧化技术利用强氧化剂在UV辐射下产生具有强氧化能力的·OH来处理废水，具有低能耗、无二次污

11、染、 氧化彻底等优点，最常用UV/Fenton、UV/O3、UV/H2O2等。光催化研究较多的还有以光敏化半导体为催化剂，其中TiO2光催化剂应用最广，且处理效果最好。但废水本身的透光性和光利用率制约着光催化技术在废水处理工业中的应用7。1.2.2电化学氧化法电化学氧化法是在电极表面的电氧化作用下或由电场作用而产生的自由基作用下使有机物氧化。电化学氧化分为直接电化学氧化和间接电化学氧化；直接电化学氧化是使难降解有机物在电极表面发生氧化还原反应，间接电化学氧化是指用化学方法产生一种氧化还原剂，利用这种物质作为中间媒介物在污染物基质与电子之间往返穿梭来回传送电子。从而将污染物转变为无害物质8。图

12、4 电渗析机理Fig.4 The mechanism of electroosmosis61.3 生物法1.3.1好氧法好氧生物处理是有氧条件下，利用好氧微生物降解有机物，达到去污目的的方法。有机物被微生物摄取后，一部分用于提供能量，一部分用于合成新的细胞物质。但是好氧法占地较大，适合处理COD500的废水，而且要求废水的毒性较小，如果印染废水毒性较大或是活性染料含量较多，则必须经过水解酸化处理。另外，为提高处理效率，可以使用新的改进技术，如好氧颗粒污泥法以及强化生物铁活性污泥法。在两个反应器内进行了生物铁法膜生物法处理印染废水的研究，结果发现COD平均去除率可高达935%9。1.3.2 厌氧

13、法厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成。厌氧需要的能量少，产生甲烷是一种潜在的能源，产生的剩余生物污泥较少，可处理高浓度、难降解的有机废水且需要的营养物较少，但是生化时间较长。一般来说，对于废水中有机物浓度较低、温度较低、出水水质要求较高，并要求去除营养物的场合倾向于采用好氧生物处理技术。而对于有机物浓度较高、温度较高的工业废水，厌氧处理可能更为经济。随着对厌氧生物处理工艺的进一步了解，厌氧处理作为好氧处理的预处理手段已经成为目前较为广泛采用的一种方法。随着技术的进步逐渐出现了一些处理印染废水的新工艺，超声波技

14、术，湿式空气氧化法和超临界水氧化法，生物强化技术与固定化微生物技术，但是这些方法都存在一定的缺陷。面对我国印染行业迅速发展，印染废水成分越来越复杂的现原有的物理法，化学法以及生物法等传统技术已日渐显得“力不从心”。若将各技术协同处理，扬长避短，有望获取理想的处理效果。面对新兴技术，应大力引进相关学科领域技术，如基因工程菌培育技术，降低膜成本技术等。同时，今后宜着力于增强新兴技术的稳定性、高效性和经济性6。2 实验部分2.1 实验原理2.1.1 铁碳微电解机理微电解法又叫内电解法，主要利用金属与惰性碳形成原电池还原降解污染物10。一般内电解选用铁作为金属电极，活性炭或焦炭作为惰性电极，在电位较低

15、的铁阳极上，铁失去电子生成Fe2+进入溶液，电子流向碳阴极。在阴极附近，溶液中溶解氧吸收电子生成OH，在偏酸性溶液中，阴极产生新生态H，还原污染物，其反应过程如下：阳极：FeFe2+ + 2e阴极：酸性条件( 析氢腐蚀)：2H+ + 2e2HH2酸性充氧条件( 析氢腐蚀)：O2 + 4H+ + 4e2H2O中性或碱性条件( 吸氧腐蚀)：O2 + 2H2O + 4e4OH当溶液中含有氧化性的有机物时，这部分大分子有机物会在阴极被还原成小分子有机物或者化合物。同时，阳极产生的 Fe2+也具有还原作用，能将部分可被还原的有机物还原11。此外，在反应过程中还包含电化学富集、物理吸附、混凝吸附和铁离子沉

16、淀等。在电极附近存在电场，溶液中的带电基团在电场力作用下作定向移动，在阴极和阳极富集沉淀从而被去除。2.1.2 混凝机理(1)混凝作用。溶液中难溶分子聚集而成的胶体微粒称为胶核，胶核呈扩散型分布,处于“稳态”。通过投加混凝剂，水解形成带电离子与胶粒异号离子结合，降低胶粒的电位，使胶体失稳从而达到聚合沉降的效果。(2)铁盐自混凝。Fe3+在水中由于pH不同会发生不同程度的水解12生成Fe(OH)2+、Fe(OH)+2，Fe(OH)3等，除了这些简单的单体，还可以形成一系列多核聚合物。这些带正电单体或多核聚合物吸附于带负电的胶体上，由于电中和作用，带电胶体脱稳，在适当的搅动下互相吸附结合形成大颗粒

17、沉淀物沉淀下来; 在这部分胶体沉淀过程中，网捕溶液中的部分胶体颗粒，即“卷扫捕集”13。2.2 仪器与药品微波炉; 臭氧发生器（143w）、重铬酸钾（0.2M）、硫酸亚铁铵、硫酸、试亚铁灵指示剂、硫酸铝; 铁刨花; 活性炭(颗粒)。2.3 实验方法(1) 铁刨花预处理：临用前用1%的稀硫酸酸洗5min，去除铁刨花表面的氧化物，以活化铁刨花。(2) 混凝实验: 在最优反应条件下对废水进行深度处理，用得到的反应出水进行混凝实验，筛选混凝剂投量、沉淀时间等。（3）经过预实验得出m(Fe)：m(C)为6：1，进行微电解前，先将溶液的pH调到23。（4）硫酸亚铁铵的测定：量取5.00ml重铬酸钾标准溶液

18、，稀释至大约30毫升，加入5ml浓硫酸，冷却后，加入两滴试亚铁灵指示剂，用硫酸亚铁铵滴定，颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点。（5）COD的测定：用移液管吸取5.00ml水样，准确加入消解液即时摇匀，再加入5.00ml催化剂摇匀；同理，制作一个空白样。旋紧盖子，放入微波炉中消解5min。消解完成后，冷却消解罐，将反应液加入150ml锥形瓶中，用蒸馏水冲洗消解罐3次，体积控制在60ml，加两滴试亚铁灵指示剂，用硫酸亚铁铵回滴，颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点。3 试验结果及讨论3.1 COD测定实验3.1.1 硫酸亚铁铵表1 硫酸亚铁铵用量表实验序号123用量（ml）22.7023.122.8

19、5表2 原水COD测定表项目空白水样水样用量(ml)22.9021.6521.50表3 处理水COD测定表项目空白水样水样用量(ml)22.5021.8021.90计算结果：硫酸亚铁铵浓度：C=0.20×5.000V=0.20×5.0022.88=0.0437M原水COD：C=1.32×0.0437×80005=92.30mg/L 处理水COD：C=8000×0.0437×（22.50-21.85）5=45.44mg/L 处理水COD：C=8000×0.0437×（22.50-21.95）5=38.46mg/L 去

20、除率1=92.3-45.4492.3×100%=50.7去除率2=92.3-38.4692.3×100%=58.3%3.1.2臭氧浓度滴定用量筒吸取250ml的2%的KI溶液入气体吸收瓶，然后通入O90s，取100ml反应液于锥形瓶中(加醋酸将PH值调为4-5），用0.005mol/L的NaSO滴至淡黄色，加入1%淀粉溶液滴至无色。测定臭氧浓度。测定臭氧在水中的浓度，采用碘量法臭氧先用KI溶液吸收，生成I2用NaSO标准溶液滴定O+2KI+HO=O+I+2KOHI+2NaSO=NaSO+2NaI数据记录：NaSO浓度：1.4544g/2000ml 滴定用量：52.3ml所以

21、臭氧浓度0.058mol/L3.2 混凝实验由于本研究是在调pH的条件下进行的实验，经铁碳微电解处理后的水样pH较高(8.5±0.2) ，产生的大量Fe3+在碱性环境下形成沉淀Fe(OH)3，带正电Fe(OH)+2，Fe(OH)2+与水样中带负电胶体中和，使其脱稳。处理完的水样呈深黄色，较混浊，其中含有大量较小的絮体，悬浮于溶液中，沉降性能不好。实验中发现，加入少量混凝剂，并用NaOH调节pH，能加快絮体沉降，得到澄清的水样。聚合氯化铝(PAC)和Al2(SO4)3是常见的混凝剂，在本实验中，Al2(SO4)3的絮凝效果好，沉降速度快，COD去除率较高，故选用Al2(SO4)3作为混

22、凝剂。Al2(SO4)3的最佳混凝pH在78左右，因此，本研究的混凝实验选取pH为偏碱性条件。从上述结果可以看出，不加混凝剂，用滤纸过滤所得清液的COD去除率。当Al2(SO4)3的投量为1ml/L时，絮体沉降速度较快，在15min左右基本已经澄清，只有少量细小的絮体悬浮在溶液中，而Al2(SO4)3投量为0.5ml/L时，溶液产生的絮体较小，不易沉降，30min以后才基本澄清，并且清液中含有大量细小絮体难以沉降。Al2(SO4)3投量为1ml/L时，自然沉降30min后COD去除率达到(58.3%)，较没加过滤测得的COD去除率高出7.6%，说明投加混凝剂对进一步去除水样COD有效果。为保证

23、混凝效果，选择最佳沉淀时间为30min。在最优反应条件下进行铁碳微电解反应，反应后出水进行混凝沉淀，其COD总去除率可达58.3%，出水COD为38.46mg/L，达到纺织染整工业水污染物排放标准(GB4287-2012)对COD的最高排放要求(COD低于60mg/L)。4 成本分析由于该实验为小试实验，该工艺反应过程中主要消耗的是铁、混凝剂(Al2(SO4)3)，而活性炭在工艺过程中没有消耗，不考虑其运行成本。现仅就运行过程中消耗的药剂量进行成本分析，结果如表1所示。表.4 药剂成本分析Table.4 Analysis of reagent costs项目用量（mg/L）单价（元/t）成本（

24、元/t）Fe30022000.66Al2(SO4)31008500.085酸0.3323.330电费0.432总价1.177该工艺花费较少，可行。5 结 论通过实验，确定铁碳微电解的最佳工艺条件为Fe的投量为46g/L、m(C) : m( Fe)为16、水力停留时间(HRT)为1.5h。最佳混凝条件为: Al2(SO4)3投量为1ml/L、混凝沉淀时间为30min。实验结果表明，在上述最优工艺条件下对该废水进行深度处理，对COD的去除率能达到50%以上，出水COD低至38.46mg/L。深度净化后的再生水可以用于染色后的漂洗和地面及绿化浇洒以及建筑内部杂用水等。企业可以采用生产过程中不同生产工序排放的废水通过处理后再回用于本工序，也可将全部废水集中处理后，全部回用和部分回用、部分达标排放。本法处理印染废水效果较好，工艺简单，操作