脈沖電絮凝處理難降解印染廢水的研究
摘要：研究了以鋁作陽(yáng)極采用脈沖電絮凝技術(shù)對(duì)難降解染料廢水的處理，探討了脈沖電源脈沖占空比、脈沖頻率、電流密度、電解時(shí)間 和廢水濃度等因素對(duì)廢水色度和COD去除率的影響，并對(duì)脈沖方式在脫色率和COD去除率、材耗及能耗等方面進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表 明，與直流電絮凝相比，脈沖電絮凝技術(shù)在處理難降解染料廢水中有著明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，單脈沖和雙脈沖電絮凝其能耗分別降低了84%和 87%，其電極消耗則分別與之持平和增加了93%。
關(guān)鍵詞：脈沖；電絮凝；印染廢水
近年來(lái)，印染、制藥、油漆、化工等行業(yè)的迅速發(fā) 展，產(chǎn)生了大量的高濃度、難降解、毒害大的有機(jī)廢 水，包括難生物降解染料、酚類物質(zhì)、硝基苯、苯乙酮、 氯酚等有機(jī)污染物，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的極大的危害， 這類廢水的處理一直是國(guó)內(nèi)外污水處理界公認(rèn)的難 題。人們相繼提出了許多新的處理工藝，包括生物法、 高級(jí)氧化技術(shù)等，特別是選用預(yù)處理工藝，然后經(jīng)厭 氧耗氧等后續(xù)組合工藝處理的方法已成為普遍共識(shí)。 實(shí)踐證明，采用化學(xué)絮凝劑預(yù)處理方法對(duì)于高濃度、 難降解工業(yè)廢水的預(yù)處理難以達(dá)到理想的效果。電絮 凝法處理廢水，一般不需要添加化學(xué)藥劑，設(shè)備體積 小，占地面積少，操作簡(jiǎn)單靈活，污泥量少，后續(xù)處理 簡(jiǎn)單。另外，電絮凝在去除部分COD的同時(shí)，能同時(shí) 提高廢水的可生化性能，大大提高了有機(jī)廢水的生化 處理效率[1-5]。
然而，傳統(tǒng)電絮凝技術(shù)存在著由于電極極化導(dǎo)致電耗升高、處理效率降低的不足。為了克服傳統(tǒng)電絮 凝的這一缺點(diǎn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者將脈沖技術(shù)與電絮 凝法相結(jié)合，發(fā)展了一種新型的電絮凝技術(shù)———脈沖 電絮凝水處理技術(shù)[6-8]。本文研究了脈沖電絮凝方法對(duì) 難降解印染廢水的處理，考查了實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)脈沖電絮 凝的影響，表明脈沖電絮凝技術(shù)在處理難降解廢水中 有較強(qiáng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。
1.實(shí)驗(yàn)部分
1.1實(shí)驗(yàn)原理
脈沖電解采用了“供電-斷電-供電”不斷重復(fù)的 供電方式，與一般電絮凝技術(shù)相比，脈沖電絮凝過(guò)程 中施加的是脈沖信號(hào)，因而電極上發(fā)生的反應(yīng)時(shí)斷時(shí) 續(xù)，有利于電極表面的擴(kuò)散，從而大大降低了電極的 濃差極化導(dǎo)致的電極鈍化；由于脈沖間歇過(guò)程中，實(shí) 際通電時(shí)間遠(yuǎn)小于電絮凝處理的總反應(yīng)時(shí)間，因而脈沖電絮凝技術(shù)可以有效地、大幅度地降低能耗。 正常工作中，電極主要發(fā)生的反應(yīng)如下：
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整個(gè)電絮凝過(guò)程至少包含了電解氧化還原、電解 絮凝和電解氣浮三種廢水的電化學(xué)處理過(guò)程的協(xié)同 效應(yīng)，因而有助于大幅度提高難降解廢水的處理效果。
1.2實(shí)驗(yàn)裝置與原料
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。
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自制有機(jī)玻璃電解槽（有效體積750mL）；純鋁板 電極（40mm×40mm×2mm，有效絮凝面積12cm2，極板 間距保持10mm）；SMD-P型智能多脈沖電鍍電源 （占空比0~1無(wú)級(jí)連續(xù)可調(diào)，頻率0.1~5kHz；河北邯鄲 市大舜電鍍?cè)O(shè)備有限公司）；UV-2102PCS型紫外可 見(jiàn)分光光度計(jì)（上海UNICO公司）；VC98A數(shù)字萬(wàn)用 表（深圳市勝利高電子科技有限公司）；KN-100 COD 消解器（江蘇電分析儀器廠）。
模擬難降解廢水為直接大紅4BS（結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖2）模擬難降解廢水，并加入2g/L的無(wú)水硫酸鈉作電解質(zhì)，其最大吸收波長(zhǎng)為507nm，1000mg/L直接大紅廢水實(shí)測(cè)COD為303.3mg/L。
1.3實(shí)驗(yàn)方法
在反應(yīng)槽中加入300mL直接大紅廢水，磁力攪拌，改變脈沖電源的脈沖占空比、脈沖頻率、廢水濃度、電流密度和電解時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行脈沖電絮凝，靜置10min，取中間清液過(guò)濾測(cè)定COD和色度，稱量鋁板電極反應(yīng)前后的質(zhì)量算出其電解過(guò)程中的消耗量，并測(cè)量?jī)呻姌O的電壓變化。
單脈沖和直流電絮凝實(shí)驗(yàn)陽(yáng)極和陰極分別為鋁和鈦電極，雙脈沖實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)電極皆為鋁板電極， COD按HJ/T 399-2007方法測(cè)定。處理效率的計(jì)算方法及公式如下：
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2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1單脈沖電絮凝參數(shù)對(duì)色度和COD去除率的影響
2.1.1占空比
實(shí)驗(yàn)保持電源電流為0.2A（電極有效面積12 cm）2，脈沖頻率為1kHz，處理時(shí)間60 min不變，考查占空比對(duì)500mg/L的廢水脫色和COD去除率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3。由圖3可見(jiàn)，占空比對(duì)脫色率影響較小，在占空比0.3~0.8范圍內(nèi)，脫色率均達(dá)97%以上；占空比對(duì)COD去除率有明顯的影響，隨占空比的增加 COD去除率增大，但只當(dāng)占空比大于0.4以后COD 去除率變化不大，均達(dá)到85%以上。考慮到占空比越大，電耗越大，因此本實(shí)驗(yàn)后續(xù)采用占空比0.4。
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2.1.2脈沖頻率
保持電流為0.2A（電極有效面積12cm2），占空比為0.4，處理時(shí)間60min不變，考查脈沖頻率（中頻到 高頻段：0.1~3.6kHz）對(duì)500mg/L的廢水脫色率和 COD去除率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。由圖4可見(jiàn)，脈 沖頻率對(duì)脫色率變化不明顯，在0.2~3.6 KHz范圍內(nèi) 脫色率均達(dá)97%以上；COD去除率隨著頻率的增加先 減后增，在0.2kHz時(shí)達(dá)到最高，并在高頻處出現(xiàn)略微 的上升趨勢(shì)。綜合考慮，選擇脈沖頻率0.2kHz為宜。
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2.1.3電流密度
保持占空比為0.4，脈沖頻率為0.2kHz，處理時(shí)間 60min不變，考查電流密度對(duì)500mg/L廢水的脫色率和 COD去除率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。由圖5可見(jiàn)，電源 電流密度對(duì)脫色率的影響不明顯，在4.2~25.2mA/cm2 （電極有效面積為12cm）2范圍內(nèi)平均達(dá)到97%以上；電 源電流密度對(duì)COD去除率的影響較大，COD去除率 隨電流密度的增大而增加，在電流密度為16.8mA/cm2 以后COD去除率可達(dá)90%。顯然，在低電流密度時(shí)， 盡管脫色率較高但COD去除率卻較低，說(shuō)明染料分 子主要發(fā)生了有色基團(tuán)分子結(jié)構(gòu)的破壞，而沒(méi)有發(fā) 生明顯的礦化？紤]到COD去除率在電流密度為 16.8mA/cm2以后變化很小，且可達(dá)90%左右，而電流 密度越大耗能越大，故選電流密度16.8mA/cm（2即電流為0.2A）為宜。
2.1.4電解時(shí)間
保持電流為0.2A，占空比為0.4，脈沖頻率為0.2kHz 不變，考查脈沖電絮凝處理時(shí)間對(duì)500mg/L廢水的脫色率和COD去除率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6。由圖6 可見(jiàn)，脫色率隨電解時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，在30min后平均達(dá)到97%以上，此后隨時(shí)間的延長(zhǎng)基本保持不變；COD去除率亦隨電解時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，在 60min后平均可達(dá)90%以上，此后隨時(shí)間的延長(zhǎng)基本保持不變。綜合考慮，處理時(shí)間60min為宜。
綜上所述，單脈沖電絮凝的最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：占 空比：0.4；脈沖頻率：0.2kHz；電流密度：16.8mA/cm2； 電解時(shí)間：60min。
2.2單脈沖電絮凝對(duì)不同濃度廢水的處理
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保持電源電流為0.2A（電極有效面積為12cm）2， 占空比為0.4，脈沖頻率為0.2kHz不變，對(duì)不同濃度的廢水處理60min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7。由圖7可見(jiàn)，脫 色率隨濃度的升高而逐漸降低；COD去除率隨濃度的升高先增加后減小，在500mg/L時(shí)達(dá)到最大值。廢水在低濃度時(shí)色度去除率很高而COD去除率較低， 這是由于在電絮凝的同時(shí)，有大量水分子發(fā)生了分解所致。
2.3雙脈沖電絮凝對(duì)色度和COD去除率的影響 保持電源電流為0.2A（電極有效面積為12cm）2， 占空比為0.4，脈沖頻率為0.2kHz不變，改變兩極正 負(fù)交換周期（交換周期范圍為1~30min），對(duì)濃度為 500mg/L的廢水處理60min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8。
由圖8可見(jiàn)，脫色率隨交換周期的增加在5min以后基本保 持不變；COD去除率隨著交換周期的增加先增后減，在10min時(shí)達(dá)到最大值。色度和COD在交換周期很 短時(shí)去除率都比較低，其主要原因是交換周期越短， 兩極電流變化越大，導(dǎo)致兩極電流值較低而影響了處 理效果；當(dāng)在交換周期較長(zhǎng)時(shí)，相當(dāng)于單脈沖處理， COD處理也有所下降。綜合考慮，雙脈沖電絮凝在交 換周期為10min時(shí)為宜。
3.處理效果對(duì)比與結(jié)論
對(duì)直流、單脈沖和雙脈沖電絮凝的處理效率、耗 材及耗能進(jìn)行的比較，見(jiàn)表1。
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由表1可見(jiàn)，對(duì)于500mg/L印染廢水，單脈沖和雙脈沖電絮凝都表現(xiàn)出明顯的節(jié)能效果，與直流電絮凝相比，能耗分別下降了84%和87%，而COD處理效果相當(dāng)，但雙脈沖與單脈沖電絮凝相比，雙脈沖電極耗材較大，單脈沖電極耗材與直流電絮凝相當(dāng)。綜上所述，脈沖電絮凝在處理難降解印染廢水上具有較好的節(jié)能效果，且單脈沖電絮凝的綜合效益更好。
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