三维电极处理印染废水试验分析

[摘要]采用三维电化学体系处理实际印染废水，以电极电压、反应时间、初始pH、极板间距、曝气量以及电解质浓度为单因素水平，研究了COD和氨氮的去除效果。结果表明，在电极电压为6V，反应时间为80min，初始pH为原水pH，极板间距为3cm，曝气量为10L/min时，电解质浓度为1g/L时，COD去除率达到70%左右，氨氮去除率达到85%左右，处理效果较好，可作为实际应用中的依据。

[关键词]三维电化学；印染废水；COD去除率；氨氮去除率

近年来，国内外每年都会有大量的印染废水产生，由于其色度高、有机物组分复杂、有毒害等特点，常规的生物处理工艺难以达到要求，需要以高级氧化法进行预处理。基于羟基自由基(•OH)的高级氧化法是一种有效的方法，利用•OH的强氧化性和无选择性使印染废水中有机物得以去除[1]。三维电化学作为高级氧化技术的一种，具有催化效率稳定、操作简单及电流效率高等优点，并且能高效地降解废水中的有机污染物。其原理是在反应体系中，三维电极极板发生直接氧化和间接氧化，产生强氧化性的•OH、HC1O等活性物质，这些活性物质可以与废水中的有机物发生氧化反应，将大分子有机物降解为小分子物质，或者将其直接转化成无污染的CO2和H2O，从而废水中难降解的大分子有机物得到有效降解[2-3]。本实验采用石墨毡电极为阴极，钛板为阳极，以实际印染废水为研究对象开展三维电化学降解实验研究。探究电极电压、反应时间、初始pH、极板间距、曝气量以及电解质浓度六个单因素对三维电化学处理废水过程中COD、氨氮去除率的影响。

1材料与方法

1.1实验材料。聚丙烯腈基石墨毡(3mm，北京晶龙特碳科技有限公司)，和丙酮化学试剂均为分析纯，实验用水皆为去离子水。实验所用水样为荆州市某印染废水处理厂调节池水，水质为：CODCr800~1300mg/L；氨氮32~55mg/L；pH6.0~7.0；电导率2200~2540us/cm；色度400~600倍。1.2实验装置与方法。实验装置主要由反应器、阴阳两主电极极板、粒子电极、空气泵和直流电源等部分组成。其中钛板为阳极板，石墨毡电极为阴极板，阴阳极板尺寸均为21.0cm×14.0cm。活性炭为粒子电极放置在两主电极之间，进行三维电化学实验。向实验装置中加入1.2L的印染废水，使用气体流量计调节增氧泵的流量，打开电源，开始反应并计时。定时取样，沉淀后取其上清液并测定COD和氨氮。反应结束后，极板用弱酸溶液浸泡清洗，并用蒸馏水反复冲洗。1.3分析方法。COD的测定采用快速消解分光光度法(HJ/T399-2007)；氨氮的测定采用纳氏试剂分光光度法(HJ535-2009)[4]。

2结果与分析

2.1电极电压、反应时间对处理效果的影响。研究电极电压对三维电极电催化氧化印染废水的影响，极板间的电压分别为取3V，6V，9V，12V，15V，考察在反应时间为120min的过程中COD和氨氮去除率的变化。其他反应条件为：初始pH为6.25(印染废水原水pH)，曝气量为4L/min，极板间距为9cm，每20min取样测定一次，结果如图1所示。由图1可见，电极电压为3V，反应时间为120min时，COD和氨氮的去除率分别为61.06%和65.42%，去除水平相对较低。随着电极电压增大到6V，COD和氨氮的去除率分别为78.45%和93.17%，均达到最高水平。但随着电极电压继续地增加，COD和氨氮去除率都明显下降。这是由于反应体系中的析氢和析氧等副反应越加剧烈，电极表面生成并覆盖大量气泡，大大地降低了有机污染物与电极表面活性位点的接触机会，影响了电极反应的进行，遏制了有机污染物的降解[5]。因此，最佳电压为6V。反应时间从20min到80min时，COD去除率提高了10%~16%，氨氮去除率提高了2%~20%，从80min到120min，两者的增幅都比较缓慢，过长地延伸反应时间，对反应体系益处不大，反而消耗电能，所以最佳反应时间为80min。2.2初始pH对处理效果的影响。研究初始pH对处理效果的影响，其他反应条件为：反应时间80min，电极电压6V，曝气量4L/min，极板间距9cm，初始pH分别取3、5、6.25(印染废水原水pH)、7、9、11，考察COD和氨氮去除率的变化情况，结果如图2所示。Fig.2EffectofinitialpHontreatmenteffect初始pH是三维电化学处理中的一个重要运行参数，选取合适的初始pH，可以有效的提高该工艺的处理效率。从图2可以看出，初始pH在3~11的范围内，COD去除率介于47.9%到72.74%之间，氨氮去除率介于77.33%到90.17%之间。初始pH为6.25时，COD去除率和氨氮去除率最高，随着溶液酸性碱性的增加，两者去除率都有所下降。因此，处理印染废水的最佳初始pH为6.25。2.3极板间距对处理效果的影响。研究极板间距对处理效果的影响，其他的反应条件为：反应时间80min，电极电压6V，曝气量4L/min，初始pH为6.25，极板间距分别取2cm，3cm，5cm，7cm，9cm，考察COD和氨氮去除率的变化情况，结果如图3所示。电化学过程的传质主要表现为电迁移传质和扩散传质，而传质速率与极板间距的大小有着密切的关系。从图3中可以看出，随着极板间距的增加，COD去除率先增加而后持续下降，在极板间距为3cm时，COD去除率最大为71.19%；氨氮去除率在极板间距为3cm时，达到去除率为84.47%，去除率的变化与极板间距之间没有规律性。因此，极板的最佳间距为3cm。2.4曝气量对处理效果的影响。研究曝气量对处理效果的影响，其他反应条件为：反应时间80min，电极电压6V，初始pH为6.25，极板间距3cm，曝气量分别取2L/min，4L/min，6L/min，8L/min，10L/min，12L/min，考察COD和氨氮去除率的变化情况，结果如图4所示。从图4可以看出，当曝气量从2L/min增大到10L/min范围内，COD去除率和氨氮去除率呈现上升的趋势，当曝气量超过10L/min后，两者的去除率明显下降。这是因为曝气量过大时，反应器内的废水会因曝气而剧烈搅动，致使废水中的污染物与主极板的接触时间过短，氧化作用不能够彻底，并且反应过程中产生的•OH等强氧化物质的存活时间极短，可直接导致•OH等活性物质，还未与废水中的有机污染物接触反应完全，就已猝灭[6]。因此，最佳曝气量为10L/min。2.5电解质浓度对处理效果的影响。研究电解质浓度对处理效果的影响，其他反应条件为：反应时间80min，电极电压6V，初始pH为6.25，极板间距3cm，曝气量为10L/min，电解质(Na2SO4)浓度分别取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变化情况，结果如图5所示。从图5中可以看出，随着电解质浓度的增加，COD去除率也随之增大。当电解质浓度0.1g/L增大到1.0g/L时，COD去除率由54.98%增加到67.71%，提高了12.73%，之后，升高幅度较小。对于氨氮去除率，随着电解质浓度的增大，去除率逐渐增加，当电解质浓度为1g/L时，氨氮去除率提高了14.92%，达到最大值83.03%，超过该值后，去除率随着电解质浓度的增加而减小。改变电解质浓度，COD和氨氮的去除率都呈现上升的趋势，这是因为电解质的添加，提高了反应体系的电导率，进而影响了反应电流的大小，从而提高了废水的去除率。然而电解质过高，会带来大量的阴阳离子，不利于氨氮的去除。因此，最佳电解质浓度为1.0g/L。

3结论

采用石墨毡催化电极为阴极，钛板为阳极，活性炭为粒子电极进行三维电化学降解印染废水实验研究，结果表明，在电极电压为6V，反应时间为80min，初始pH为原水pH，极板间距为3cm，曝气量为10L/min时，电解质浓度为1g/L时，COD去除率处于70%左右，氨氮去除率达到85%左右，处理效果较好，可作为实际应用中的依据。

参考文献

[1]王燕，孙梅香，刘松，等．响应面法优化光电-Fenton氧化处理印染废水[J]．工业水处理，2019，039(003)：17-21．

[2]张显峰，王德军，赵朝成，等．三维电极电催化氧化法处理废水的研究进展[J]．化工环保，2016，36(3)：250-255．

[3]段少芳，刘松，江博．转子搅拌型三维电化学降解效能研究[J]．广东化工，2019(17)．

[4]国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会．水和废水监测分析方法[M]．北京：中国环境科学出版社，2002：91-281．

[5]张大全，高立新，杨文莲．电化学法对印染废水COD_(Cr)的处理效果研究[J]．工业水处理，2012(02)：52-55．

[6]李亚峰，张策，单连斌，等．三维电极电Fenton法对苯酚废水处理效果的试验研究[J/OL]．环境工程：1-11[2020-07-02]．

作者:李宝闰 单位:湖北荆州环境保护科学技术有限公司