直流电絮凝法处理印染废水的研究

引言

染料和印染行业生产的废水是水污染的主要来源〔1〕。染料废水的成分和性质非常复杂，处理难度大，处理费用高，多采用化学或生物方法处理〔2~4〕。但化学方法成本高、效率低，需复杂的加药系统，易造成二次污染；生化方法处理周期长，需针对不同的废水培养不同的细菌，对操作人员要求高，存在细菌中毒现象，且处理效果一般。目前生化方法几乎达到技术极限，很难提高处理效果〔5〕。

利用各种电方法处理难降解染料废水的研究近年来已引起国内外关注，其中，高压脉冲放电等离子体法[6?8]的设备昂贵，技术要求高，且不易操作，能耗大，处理效率低，一直未广泛应用；超声法〔9〕的能量利用率低，降解时发热严重，大部分声能都以热能形式消耗掉，却不能通过空化效应作用于染料分子，单独使用超声法处理水量小，效率低，设备成本高，难印染机械设备以实现工业化生产，只有联合其它方法使用，才能取得较好的处理效果；直流电絮凝法[10~13]的机理研究较成熟，实际应用的理论依据坚实，设备制造难度较小，对操作人员要求低，电源技术成熟，安全系数高，电极材料易获得，有望在大范围内实现工业化应用。本文以北京某印染集团的实际生产废水为研究对象，通过自行开发的直流电絮凝试验装置进行相关试验，并分析化学需氧量COD、PH值和色度变化以及电耗和极板消耗。试验结果表明，电絮凝法的处理效果好，能耗低，可用于实际废水处理工程。

1基本原理

电絮凝法即用阴、阳极间通直流电的电化学方法产生铁和铝的氢氧化物及H2等以絮凝废水中的有机物。如铁阳极印染机械设备通直流电时反应为：

铁阳极失去电子后溶解在水中成为铁离子，经水解形成氢氧化铁和氢氧化亚铁微絮体，就可起絮聚作用以吸附去除水中的污染物。消耗铁电极的电絮凝去除污染物质的5种作用：氢氧化亚铁和氢氧化铁絮体表面的络合、静电吸附、化学调整、沉淀和气浮等作用。络合作用是指该絮体与废水中的染料和重金属离子络合；静电吸附作用是指该絮体表面电荷的静电作用吸附废水中带异号电荷的污染物；化学调整作用是指电化学过程中的催化加氢和还原作用破坏染料分子中的C=C键和N=N键；沉淀作用是指电解过程中生成的新生态氢氧化物活性高，凝聚吸附能力强，可絮凝废水中很小的染料分子后沉淀；气浮作用是指电解过程中生成的气体以微小气泡逸出，与废水中的有机胶体微粒和乳浊状油脂类杂质粘附在一起浮升至水面而去除，这些新生微小气泡的气浮能力很强，故电絮凝法的气浮效果较显著。

电絮凝法除与常规化学水处理投加铁盐和铝盐凝聚剂的基本原理一样外，还有独特优势：电絮凝、电氧化还原、电气浮等多种作用同时并存，多种污染物能一次性去除；电解产生新生态铁〔铝）离子，活性高，絮凝效率更高；电絮凝装置紧凑，设备可小型化，占地面积小，节省一次性投资，扩大使用范围；电絮凝不需另加药剂，故不需复杂的加药系统，也不会造成二次污染；易于实现自动化，便于管理控制，通过调节槽电压和电流就能适应较大范围内水质和水量的变化，对操作和维护人员要求低；电絮凝法的极板金属消耗量是化学混凝法的1/10?1/3；对PH值适应范围较宽(3?10)，对水质无苛刻要求。

试验设备

以北京印染机械设备某印染集团实际生产排放的印染废水为处理对象进行电絮凝法的相关试验。试验用反应器,见图:容量为300mL，外壳为有机玻璃，两边有机玻璃挡板上的键槽嵌入厚度1mm，面积300X100mm的铁或铝电极。污泥排放槽用以接收和排放反应中因气浮作用而上浮的污泥。试验用直流电源为97-17129型，输出电压0?30 V，输出电流1?35A；取样电阻R，电压表V1用来监视尺上的电压以获得流过废水的电流，义用来测量反应电极两端的电压。反应电源调节为恒流模式，保持极板间电流不变。

试验方法

为使处理的初始条件保持一致，对反应器先作预处理：反应器中装入自来水，给电极通电流>=15，待排泥口出现污泥后关闭电源，取出反应极板冲洗，待其表面光滑且有金属光泽，则认为已清洗干净，然后插入反应器进行试验。

试验中反应器从其上口注满调节池采集的废水后接通电源开始反应。每隔2min读取反应器的极板电压来计算其电耗，同时根据法拉第定律〔14，16〕计算所需的铁耗或铝耗。到达反应时间后关闭电源，从反应器底部取水口取水并自然沉淀，用取液器取上层清液过滤后测试其COD、值和色度。

水样COD用重铬酸钾滴定法〔17〕测量。因本试验所用的待处理水样为实际生产排水，其染料颜色及品种变化大，表征色度时很难用可见光最大吸收峰吸光度法，故用稀释倍数法：比色管中加20mL蒸馏水，B中加由待测样品1.5mL稀释后的溶液〔小于等于50mL），比色管A、B垂直置于测量台上的一张白纸上，用肉眼从上往下观测八、6中溶液的颜色，若还能分辨出两者，则将待测样品继续稀释，直至用肉眼分辨不清哪瓶溶液是蒸馏水为止，此时稀释倍数就是待测样品的色度值

试验结果

本试验单位的原废水〔PH=11、色度80、呈粉橙色）均要先经过锅炉废渣烟尘处理，这样既可降低其PH值和色度，又可直接过滤掉部分染料。处理后PH8.1、COD=530mg/L、色度160、呈黑色(因废水经过锅炉烟尘时会携带部分烟尘）。

用铁极板反应时，处理后的废水静置一段时间后产生较大的深绿色絮体沉淀，用试管取水样静置一段时间，用取液器取上层清液经定性滤纸过滤后测量色度、PH和COD值。用铝极板反应时，最初几分钟产生很小的淡蓝色絮体，网捕和卷扫效果明显，色度去除效果较好，水样不过滤就是澄清的，但过滤后色度更低,COD也有所减小；随着反应时间延长(大于等于10min)后，反应生成的絮体逐渐增大，静置30min仍无沉淀产生。因铁极板反应后水样中絮体在很短时间内即可沉淀，过滤和未过滤水样几乎无差别，故仅给出过滤后的水样参数；但铝极板反应时絮体较小，水样较浑浊，很难沉淀，过滤和未过滤水样的参数有一定差别，故分别给出过滤和未过滤的水样参数,见图2。色度随处理时间延长而迅速降低，反应4 min后过滤水样的色度都降到10且随处理时间延长继续降低，但速度减慢，反应10min后，色度基本保持2不变。这表明电絮凝法在很短的处理时间内就可降低色度，处理效果和速度都好于生化法

COD去除率,定义为处理后废水的COD减小

随处理时间延长而逐渐增大，15min后基本达到最大值，然后稳定：见图3。铝极板反应时较小的絮体在短时间内不会沉淀，未过滤上清液的COD去除率稍小于过滤水样，这是因为絮体上会吸附有机物。但处理一段时间后COD去除率基本一致，这是因为生成较多较大絮体，静置沉淀后水样中的有机物几乎全部絮凝，用取液器所取清液中几乎不含絮凝体，过滤与否不影响COD的测量值。铝极板反应过滤后的COD去除曲线在4min时突然下降，估计是滴定误差所致。从COD去除速度和效果来看，铁极板优于铝极板。

印染机械设备

无论是铁极板还是铝极板，PH值都是随处理时间延长而先降后升再趋于稳定：见图4，这有利于后期絮凝体生成

反应过程中铁极板电压：约1.6V低于铝极板2.1V,见图5而反应时控制电流相同，故铁极板电耗小于铝极板，以反应10min为例，前者为0.425kWh，后者为0.55kWh。根据法拉第定律，铝耗：0.095kg〉低于铁耗：0.174kg，但铁板的价格远低于铝板，且铁板的COD去除率和色度去除率都优于铝板，故综合评价是铁极板优于铝极板。

5结论

直流电絮凝法可有效降低废水色度，处理4min后色度就降到10，继续处理，色度下降减慢。

直流电絮凝法可有效降低废水的COD值，处理15min后COD值下降47.2%，若辅助生化法，COD将进一步降低，达到排放标准。

用铝极板反应时色度处理效果好于铁极板，但000去除效果略差于铁极板，且电耗和铝耗的代价都大于铁极板，故综合来看铁极板优于铝极板。