基于电解法的废水性能改进研究

马晓玲

(1. 锡林郭勒盟民族高级技工学校, 内蒙古 锡林浩特 026000； 2. 内蒙古师范大学 化学与环境科学学院， 内蒙古 呼和浩特 026340)

基于电解法的废水性能改进研究

马晓玲1,2

(1. 锡林郭勒盟民族高级技工学校, 内蒙古 锡林浩特 026000； 2. 内蒙古师范大学 化学与环境科学学院， 内蒙古 呼和浩特 026340)

采用电解法进行制药废水性能改进,通过对某制药工厂的生化二级废水进行电解方法进行实验表明,当槽电压为6.5 V、极板间距为1.5 cm、初始pH值为5.2、NaCl质量浓度为4.0 g/L、电解时间25 min的实验条件时,能够实现COD去除率和色度去除率也达到最大值,分别达到50%和80%。可生化性性能分析表明,利用电解法处理制药废水可以显著提高其生化性能,实现了少量电解质、低电耗,在短时间内去除COD,提高了其生物降解能力。

制药废水； 槽电压； 极板间距； pH值； 电解时间

随着化工类行业的发展,高浓度、难降解化工有机废水的处理引起人们越来越多的关注。化工废水的浓度较高[1-3],通常化学需氧量(COD)高达几百甚至上千毫克/升,而其BOD5/COD(BoD5表示5天生需氧量)仅在 0.02～0.03 之间,因此具有较差的可生化性[4-5]。同时,化工废水中含有的有机物通常具有助色团和生色团,因此化工废水含有很高的浊度和色度[6-9]。由于此类废水具有浓度高、无机盐含量高和可生化性差等特点,采用常规处理工艺效果不甚理想[10-11]。化工废水含有多环芳烃、杂环化合物、氰化物、石油烃和硫氰化物等多种强致癌物质, 如不经过合理处置而排入水体会对水域周边的人畜及农作物造成严重危害[12-15]。

近年来随着制药行业规模的不断扩张,制药化工废水成为了当前急需解决的新问题。采用常规废水处理技术很难满足国家污水综合排放标准的要求,导致制药废水对环境造成的污染问题日益突出,严重威胁着人类健康,受到国内外研究学者的广泛关注[16-17]。基于以上背景,本文采用电解法进行制药废水性能的改进研究。

1 材料

废水；实验废水来源于某制药工厂的生化二级出水,废水呈褐色，色度为350～470度,CODCr(采用重铬酸钾测定的化学耗氧量)和TOC(总有机碳)分别为350～435 mg/L和130～155mg/L,含盐量为6%～7%,pH为6.8～7.2。

试剂:硝酸、亚硝酸钠、硫酸亚铁、氢氧化钠均分析纯。实验用活性炭来自山西新华活性炭厂，T-plot (非孔固体上的氮气吸附量)孔容为0.114 7 cm3/g,BET 比表面积为884. 204 3 m2/g,Zeta 电位为-16.4 mV,平均粒径为13.9 μm,孔径为2.006 nm。

2 实验装置

电解方法中所用直流稳压电源为CN-ZAT3015D。电解槽体由有机玻璃制成,规格为22.0 cm×18.0 cm×16.0 cm；阳极为180 mm×12 mm,阴极为180 mm×12 mm,均为钛电极。极板有效面积为13 cm×13.2 cm。实验时用水量为2 L。

3 实验方法

采用DSA电极电解处理抗生素废水,考察不同初始COD负荷、初始pH、NaCl浓度、槽电压、极板间距和电解时间下废水COD、BOD5及色度去除率的影响,各因素的研究均采用单因子设计。

CODCr值的测量采用重铬酸钾法[14]。TOC采用Torch燃烧自动进样分析仪(Teledyne Tekmar,USA)测定。BOD5采用BOD5自动测定仪(WTW OxiTop-12,德国)。比表面积测量使用气相吸附比表面积测定仪(Quantachrome,USA)。

4 实验结果与分析

4.1 电解时间对COD去除率的影响

通常电解时间越长,反应进行得越久。初始pH值为5.2,初始COD负荷3 500 mg/L,NaCl质量浓度为4.0 g/L,实验结果见图1，AC表示活性炭。

图1 不同电解时间下COD去除率

由图1可知：在前30 min,随时间增加,COD去除率都显著增加,并在30 min 时达到28%, COD去除率相对较低；25 min以后,COD去除率有一定提高,但不明显。这说明电化学方法可以快速去除废水中的有机物,但是在电化学反应过程中制药废水中的有机污染物可能无法直接彻底氧化为CO2和H2O等简单的无机物,主要生成中间产物,这些中间产物随着电解过程的进行不断积累,使COD去除率不再提高。基于以上结果,随后的实验电解时间都确定为25 min。

4.2 pH对处理效果的影响

图2显示了pH对制药废水处理效果的影响。实验条件:槽电压为6.5 V,极板间距为1.5 cm,初始COD负荷为3 500 mg/L,NaCl质量浓度为4.0 g/L,电解时间为25 min。由图2可知：pH=4时，在相同反应时间内COD的去除率最高；pH值越大，COD的去除率越小。这主要是因为在电化学反应过程中,在阳极极板上Cl-失去电子,废水在酸性条件下,活性氯以自由氯(HClO,Cl2)为主,pH降低,酸性增强,活性氯的氧化还原电位升高,氧化性增强,抑制析氧反应的发生。pH值越低,废水酸性越强,析氧电位越高,电解过程中副反应越难发生,产生的活性氯能够有效地去除废水中的有机污染物,因此在酸性条件下,COD去除率较高。废水在碱性条件下,活性氯主要以ClO-形式存在。

图2 不同pH值下COD去除率

4.3 COD负荷对处理效果的分析

COD负荷对处理效果的分析见图3。实验条件:槽电压为6.5 V,极板间距为1.5 cm,初始pH值为5.2,NaCl质量浓度为4.0 g/L,电解时间为25 min。

图3 不同废水质量浓度下COD和色度去除率

制药废水杂质质量浓度在5 500～4 000 mg/L时,COD去除率逐渐上升,随后随着初始进水COD负荷的降低,COD去除率也缓慢降低。制药废水质量浓度5 000～2 000 mg/L时COD去除率在44%～51%之间变化,当废水质量浓度为3 200 mg/L时,COD去除率达到最大值51%。制药废水在电解过程中,随着质量浓度的提高, 反应器中的传质过程增强,反应速率加大。但是,如前所述,废水中原有的部分有机污染物在电解过程中可能生成难降解中间产物,这些中间产物无法继续被氧化。因此,当质量浓度大于3 000 mg/L时,去除率有所下降。色度去除率在初始质量浓度为3 200 mg/L 也达到最大值83%。因此综合考虑COD及色度去除率,制药废水初始浓度为3 200 mg/L时,处理效果较好。

4.4 可生化性研究

为了评价废水处理的可行性,对不同工艺处理的生化性进行了对比。一般使用BOD5/CODCr作为衡量废水可生化性的指标,通常BOD5/CODCr>0.3时,即适用于生化法进一步处理。实验测定了处理前后化工废水的可生化性,对比了工艺对水样可生化性的影响,结果见图4。经测量,原水的BOD5/CODCr仅为0.022,属于不可生物降解的废水,而经过单独氧化和催化氧化后BOD5/CODCr都有了明显的上升,且随着处理时间的增加,BOD5/CODCr越高,这表明利用电解法处理制药废水可以显著提高其生化性能。

图4 不同工艺处理化工废水可生化性对比

4.5 正交试验的件组合分析

由正交表1中的试验结果可知,各因素对COD去除率的影响主次为槽电压、电解时间、初始pH、NaCl质量浓度。从表1可得到2种较好的实验条件分别是:(1)槽电压为6.5 V,极板间距为1.5 cm,初始pH=5.2,NaCl质量浓度为4.0 g/L,电解时间为25 min；(2)槽电压为7 V、初始pH=5、电解时间为90 min、NaCl质量浓度为2.5 g/L。当槽电压为7V时,BOD5/COD值均大于0.2,表明此槽电压对改善废水的生化条件更有优势。而通过正交分析, NaCl质量浓度为2.5 g/L,大于其浓度为3.0 g/L时废水的BOD5/COD值。

表1 原水及正交试验数据

因此,基于以上结果,最佳实验条件是槽电压为6.5 V、电解时间为25 min、初始pH=6、NaCl质量浓度为2.8 g/L。该方案实现了少量电解质、低电耗,在短时间内去除COD,提高其生物降解能力。这种条件组合方式更适合于指导预处理的工程应用,既达到预期处理效果，又符合经济要求。

5 结论

文中采用电解法进行制药废水性能改进,通过对某制药工厂的生化二级废水进行电解方法改性,表明:当槽电压为6.5 V、极板间距为1.5 cm、初始pH值为5.2、NaCl质量浓度为4.0 g/L、电解时间为25 min的实验条件时,能够实现COD去除率和色度去除率达到最大值,分别达到50%和80%。可生化性性能分析表明，利用电解法处理制药废水可以显著提高其生化性能,实现少量电解质、低电耗,在短时间内去除COD,提高其生物降解能力。

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Study on performance improvement of wastewater based on electrolytic method

Ma Xiaoling1,2

(1.Xilin Gol League Nationalities’ Advanced Technician School, Xilinhot 026000, China; 2. College of Chemistry and Environmental Science, Inner Mongolia Normal University, Huhehot 026340, China)

The performance improvement of the pharmaceutical wastewater is carried out by the electrolytic method. The experiment of the biochemical grade-two wastewater from a pharmaceutical plant treated by the electrolytic method shows that when the cell voltage is 6.5 V, the plate spacing is 1.5 cm, the initial pH value is 5.2, the NaCl concentration is 4.0 g/L, and the electrolytic time is 25 min, the maximum values of the COD removal rate and the chroma removal rate can be realized, reaching 50% and 80% respectively. The biochemical performance analysis shows that using the electrolytic method to treat the pharmaceutical wastewater can significantly improve its biochemical performance. It is realized that COD is removed with small amount of electrolyte and low power consumption in a short period of time, and its biodegradability is improved.

pharmaceutical wastewater; cell voltage; plate spacing; pH value; electrolytic time

X787

: B

: 1002-4956(2017)09-0052-04

2017-02-15修改日期:2017-05-02

国家自然科学基金项目(41372306bnjh)

马晓玲(1964—),女,河北定县,本科,高级讲师(副高),研究方向为化工工艺课教学改革.

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.014