三維電極處理印染廢水試驗分析

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[摘要]采用三維電化學體系處理實際印染廢水，以電極電壓、反應時間、初始pH、極板間距、曝氣量以及電解質濃度為單因素水平，研究了COD和氨氮的去除效果。結果表明，在電極電壓為6V，反應時間為80min，初始pH為原水pH，極板間距為3cm，曝氣量為10L/min時，電解質濃度為1g/L時，COD去除率達到70%左右，氨氮去除率達到85%左右，處理效果較好，可作為實際應用中的依據。

[關鍵詞]三維電化學；印染廢水；COD去除率；氨氮去除率

近年來，國內外每年都會有大量的印染廢水產生，由于其色度高、有機物組分復雜、有毒害等特點，常規的生物處理工藝難以達到要求，需要以高級氧化法進行預處理。基于羥基自由基(•OH)的高級氧化法是一種有效的方法，利用•OH的強氧化性和無選擇性使印染廢水中有機物得以去除[1]。三維電化學作為高級氧化技術的一種，具有催化效率穩定、操作簡單及電流效率高等優點，并且能高效地降解廢水中的有機污染物。其原理是在反應體系中，三維電極極板發生直接氧化和間接氧化，產生強氧化性的•OH、HC1O等活性物質，這些活性物質可以與廢水中的有機物發生氧化反應，將大分子有機物降解為小分子物質，或者將其直接轉化成無污染的CO2和H2O，從而廢水中難降解的大分子有機物得到有效降解[2-3]。本實驗采用石墨氈電極為陰極，鈦板為陽極，以實際印染廢水為研究對象開展三維電化學降解實驗研究。探究電極電壓、反應時間、初始pH、極板間距、曝氣量以及電解質濃度六個單因素對三維電化學處理廢水過程中COD、氨氮去除率的影響。

1材料與方法

1.1實驗材料。聚丙烯腈基石墨氈(3mm，北京晶龍特碳科技有限公司)，和丙酮化學試劑均為分析純，實驗用水皆為去離子水。實驗所用水樣為荊州市某印染廢水處理廠調節池水，水質為：CODCr800~1300mg/L；氨氮32~55mg/L；pH6.0~7.0；電導率2200~2540us/cm；色度400~600倍。1.2實驗裝置與方法。實驗裝置主要由反應器、陰陽兩主電極極板、粒子電極、空氣泵和直流電源等部分組成。其中鈦板為陽極板，石墨氈電極為陰極板，陰陽極板尺寸均為21.0cm×14.0cm。活性炭為粒子電極放置在兩主電極之間，進行三維電化學實驗。向實驗裝置中加入1.2L的印染廢水，使用氣體流量計調節增氧泵的流量，打開電源，開始反應并計時。定時取樣，沉淀后取其上清液并測定COD和氨氮。反應結束后，極板用弱酸溶液浸泡清洗，并用蒸餾水反復沖洗。1.3分析方法。COD的測定采用快速消解分光光度法(HJ/T399-2007)；氨氮的測定采用納氏試劑分光光度法(HJ535-2009)[4]。

2結果與分析

2.1電極電壓、反應時間對處理效果的影響。研究電極電壓對三維電極電催化氧化印染廢水的影響，極板間的電壓分別為取3V，6V，9V，12V，15V，考察在反應時間為120min的過程中COD和氨氮去除率的變化。其他反應條件為：初始pH為6.25(印染廢水原水pH)，曝氣量為4L/min，極板間距為9cm，每20min取樣測定一次，結果如圖1所示。由圖1可見，電極電壓為3V，反應時間為120min時，COD和氨氮的去除率分別為61.06%和65.42%，去除水平相對較低。隨著電極電壓增大到6V，COD和氨氮的去除率分別為78.45%和93.17%，均達到最高水平。但隨著電極電壓繼續地增加，COD和氨氮去除率都明顯下降。這是由于反應體系中的析氫和析氧等副反應越加劇烈，電極表面生成并覆蓋大量氣泡，大大地降低了有機污染物與電極表面活性位點的接觸機會，影響了電極反應的進行，遏制了有機污染物的降解[5]。因此，最佳電壓為6V。反應時間從20min到80min時，COD去除率提高了10%~16%，氨氮去除率提高了2%~20%，從80min到120min，兩者的增幅都比較緩慢，過長地延伸反應時間，對反應體系益處不大，反而消耗電能，所以最佳反應時間為80min。2.2初始pH對處理效果的影響。研究初始pH對處理效果的影響，其他反應條件為：反應時間80min，電極電壓6V，曝氣量4L/min，極板間距9cm，初始pH分別取3、5、6.25(印染廢水原水pH)、7、9、11，考察COD和氨氮去除率的變化情況，結果如圖2所示。Fig.2EffectofinitialpHontreatmenteffect初始pH是三維電化學處理中的一個重要運行參數，選取合適的初始pH，可以有效的提高該工藝的處理效率。從圖2可以看出，初始pH在3~11的范圍內，COD去除率介于47.9%到72.74%之間，氨氮去除率介于77.33%到90.17%之間。初始pH為6.25時，COD去除率和氨氮去除率最高，隨著溶液酸性堿性的增加，兩者去除率都有所下降。因此，處理印染廢水的最佳初始pH為6.25。2.3極板間距對處理效果的影響。研究極板間距對處理效果的影響，其他的反應條件為：反應時間80min，電極電壓6V，曝氣量4L/min，初始pH為6.25，極板間距分別取2cm，3cm，5cm，7cm，9cm，考察COD和氨氮去除率的變化情況，結果如圖3所示。電化學過程的傳質主要表現為電遷移傳質和擴散傳質，而傳質速率與極板間距的大小有著密切的關系。從圖3中可以看出，隨著極板間距的增加，COD去除率先增加而后持續下降，在極板間距為3cm時，COD去除率最大為71.19%；氨氮去除率在極板間距為3cm時，達到去除率為84.47%，去除率的變化與極板間距之間沒有規律性。因此，極板的最佳間距為3cm。2.4曝氣量對處理效果的影響。研究曝氣量對處理效果的影響，其他反應條件為：反應時間80min，電極電壓6V，初始pH為6.25，極板間距3cm，曝氣量分別取2L/min，4L/min，6L/min，8L/min，10L/min，12L/min，考察COD和氨氮去除率的變化情況，結果如圖4所示。從圖4可以看出，當曝氣量從2L/min增大到10L/min范圍內，COD去除率和氨氮去除率呈現上升的趨勢，當曝氣量超過10L/min后，兩者的去除率明顯下降。這是因為曝氣量過大時，反應器內的廢水會因曝氣而劇烈攪動，致使廢水中的污染物與主極板的接觸時間過短，氧化作用不能夠徹底，并且反應過程中產生的•OH等強氧化物質的存活時間極短，可直接導致•OH等活性物質，還未與廢水中的有機污染物接觸反應完全，就已猝滅[6]。因此，最佳曝氣量為10L/min。2.5電解質濃度對處理效果的影響。研究電解質濃度對處理效果的影響，其他反應條件為：反應時間80min，電極電壓6V，初始pH為6.25，極板間距3cm，曝氣量為10L/min，電解質(Na2SO4)濃度分別取0.1g/L，0.25g/L，0.5g/L，1g/L，1.5g/L，2g/L，考察COD去除率和氨氮去除率的變化情況，結果如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著電解質濃度的增加，COD去除率也隨之增大。當電解質濃度0.1g/L增大到1.0g/L時，COD去除率由54.98%增加到67.71%，提高了12.73%，之后，升高幅度較小。對于氨氮去除率，隨著電解質濃度的增大，去除率逐漸增加，當電解質濃度為1g/L時，氨氮去除率提高了14.92%，達到最大值83.03%，超過該值后，去除率隨著電解質濃度的增加而減小。改變電解質濃度，COD和氨氮的去除率都呈現上升的趨勢，這是因為電解質的添加，提高了反應體系的電導率，進而影響了反應電流的大小，從而提高了廢水的去除率。然而電解質過高，會帶來大量的陰陽離子，不利于氨氮的去除。因此，最佳電解質濃度為1.0g/L。

3結論

采用石墨氈催化電極為陰極，鈦板為陽極，活性炭為粒子電極進行三維電化學降解印染廢水實驗研究，結果表明，在電極電壓為6V，反應時間為80min，初始pH為原水pH，極板間距為3cm，曝氣量為10L/min時，電解質濃度為1g/L時，COD去除率處于70%左右，氨氮去除率達到85%左右，處理效果較好，可作為實際應用中的依據。

參考文獻

[1]王燕，孫梅香，劉松，等．響應面法優化光電-Fenton氧化處理印染廢水[J]．工業水處理，2019，039(003)：17-21．

[2]張顯峰，王德軍，趙朝成，等．三維電極電催化氧化法處理廢水的研究進展[J]．化工環保，2016，36(3)：250-255．

[3]段少芳，劉松，江博．轉子攪拌型三維電化學降解效能研究[J]．廣東化工，2019(17)．

[4]國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》編委會．水和廢水監測分析方法[M]．北京：中國環境科學出版社，2002：91-281．

[5]張大全，高立新，楊文蓮．電化學法對印染廢水COD_(Cr)的處理效果研究[J]．工業水處理，2012(02)：52-55．

[6]李亞峰，張策，單連斌，等．三維電極電Fenton法對苯酚廢水處理效果的試驗研究[J/OL]．環境工程：1-11[2020-07-02]．

作者:李寶閏 單位:湖北荊州環境保護科學技術有限公司