颜料废水的脱色工艺实验研究
更新时间：2011-11-28 12:05
来源：兰州交通大学环境与市政工程学院
作者: 何丰，王三反，徐静
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1 废水基本概况
甘肃某颜料厂每天生产5吨偶氮类颜料，其中黄色颜料2吨、红色颜料3吨（两种品牌3144W和4B230）。生产过程中产生两类废水：一类为母液废水，主要为颜料生产化学反应过程中产生，以反应釜及初期漂洗水为主；另一类废水为漂洗颜料及冲洗设备，冲洗地面等废水。根据实际生产用水量测算，每生产一吨颜料产生30m3母液废水，同时产生100 m3冲洗废水。根据2008年12月27日现场所取的1号（4B230红母液）、2号（3144W红母液）、3号（黄母液）3个母液水样，经实验分析检测主要废水指标如下：
1号（4B2 3 0红母液）：pH值6 ,色度2 5 0 0倍，CODCr为7275.6mg/l，pH值为6.0，蒸发残渣为39966mg/l；
2号（3144W红母液）：pH值6，色度3750倍，CODCr为3859.3mg/l，pH值为6.0，蒸发残渣为32000mg/l；
3号（黄母液）：pH值2.8， 色度80倍，CODCr为5163.0mg/l，pH值为2.8，蒸发残渣为10882mg/l。
对照国家污水综合排放标准（GB8978-1996）所规定的染料生产行业污水排放的相关指标（1998年1月1日后建设的单位）一级标准如下：pH=6-9、色度为50、CODCr为100mg/L、氨氮为15mg/L。仅对照废水水样检测的几个指标该生产废水已经严重超过国家限定的排放标准。黄母液的CODCr超标近百倍，红母液4B230色度超标50倍，pH也严重超标。根据以上废水水质判断甘谷宏达颜料厂的生产废水必须经过严格的处理后才可排放入环境，因而合理有效的污水处理工程必须尽快建设并投入运营。
2 选择工艺
有机颜料废水具有有机物含量高、高色度、高含盐量、有机物难生化降解等特点 ,再加上废水间歇性排放、水质水量随时间变化较大 ,给废水处理工艺的设计、运行管理增加许多困难。目前 ,国内外处理这类废水的主要方法有:活性碳吸附、生物降解、离子交换、膜分离、化学氧化、絮凝沉淀法等。
铁碳微电解技术处理工业废水，因其工艺简单、操作方便且可达到以废治废的目的而在近年来受到广泛重视。利用铁碳微电解工艺处理印染废水、混合工业废水 、化工废水的研究逐渐增多，投入生产运行的装置也常有报道。废水经过微电解预处理后，废水中对微生物有抑制作用的成分减少，可降解的成分增多。微电解在几乎完全去除色度的同时还能对废水有机物、毒性亦有一定的降低，增强了后续生化工艺对污染物的去除效果，可生化性大大提高。其合理地与生化工艺相组合可实现工业废水达标排放的目的，且组合工艺结构十分简捷，具有明显的技术优势。由于单纯的物理化学处理工艺难以使颜料生产废水直接处理达标，因而微电解处理工艺只作为难生化处理有机颜料废水的预处理手段。
3 实验部分
3.1 实验原理
微电解法是根据金属腐蚀原理，利用铁碳形成的原电池对废水进行处理的方法，又称内电解法、铁屑过滤法等。由于在酸性无氧条件下废水经微电解处理时，新生态氢能与颜料废水中的许多组分发生氧化还原作用，使物质的结构发生变化，大分子分解为小分子，难降解物质转化为易降解物质，这些物质替代原有的难降解物质存在于微电解出水中。这是多种反应共同作用的结果，主要有电极反应产生的氧化还原作用以及电极反应产物的电凝聚、吸附作用，铁碳微电解法在作用过程中电极上发生了如下的反应 ：
反应过程中生成的Fe2+具有较高的化学还原活性，可使某些组分还原。在酸性溶液中，电极反应产生的新生态[H]与废水中的有机污染物发生反应，使其结构被破坏(如破坏废水的发色和助色集团，使其失去发色能力；大分子物质分解为小分子的中间体，使某些难生化降解的化学物质转变成容易生化处理的物质)，同时反应产生的铁系氢氧化合物是良好的絮凝剂，可对废水中的悬浮物以及部分溶解性有机物通过絮凝沉降而与水分离，多种效应综合作用的结果致使废水中的色度及部分有机物被去除。另外，在微原电池周围电场的作用下，废水中的胶体状态存在的污染物可在很短时间内完成电泳沉积过程，附聚在滤料表面。
3.2 实验与讨论
3.2.1 实验材料
⑴ 铁屑采用机械加工废铁屑，铁屑为长方体片状，厚度1mm左右，长度约为2-5mm左右，宽度为2mm左右，经酸洗、碱洗后使用；
⑵ 碳粒采用污水处理实验后废弃的15# 活性碳(木质再造碳)，用自来水清洗干净，用待处理的颜料废水浸泡72h以上，使之达到吸附饱和［注：铁炭比为1:1］。
3.2.2 实验内容
现按产生废水的比例将1号、2号、3号母液水3：3：4混合（pH约为3.5）后倒入铁碳反应柱。反应柱为自制圆形塑料柱，直径35mm，高400mm。注入实验用水淹没填料，控制滤速，保证反应进行30min，60min，90min分别取水，然后加碱调pH至8—9，曝气一个小时，经沉淀过滤后取水测其色度和CODCr的值。实验中为检验pH值对其脱色效果的影响，分别将混合之后的原水调pH至2～5之间再进行铁碳微电解反应。
3.2.3 实验结果
实验结果显示进水pH以及停留时间HRT对脱色效果均有较大影响，进水pH为3或4和不调pH的条件下出水色度均稳定在2—8之间，CODCr去除率基本保持在40%左右，另一方面同等实验条件下随反应时间的延长，出水的色度和CODCr去除率稍呈上升趋势，考虑到延长反应时间会增加水处理设备的容积，提高处理费用，所以可选择反应时间为30min，同时不需调节进水pH值，保持其混合后原水pH3.5，这样在降低操作费用，减少工程上不必要的复杂工序的同时，既不影响原水的脱色效果，也不会因向废水中引入更多盐类而不利于后续的生化处理。
4 结果分析与结论
本试验进水在室温20℃左右条件下，用稀释后的盐酸和氢氧化钠溶液调节原水的pH分别为2、2.5、3、3.5、4、4.5、5，在微电解柱内分别停留30、60、90min，出水加氢氧化钠溶液调节pH至8.5 左右，充分曝气一小时后沉淀，取上清液测定CODCr及色度。（微电解柱出水呈弱酸性，pH 为6-7）结果见图。
（1）在其他反应条件保持不变的情况下，pH在3—3.5左右的区间内，随着pH的增大，色度和COD去除率呈现上升趋势（COD去除率相对较明显）；但在3.5-4的区间内，随着pH的增大，COD去除率反而呈下降趋势。
（2）在反应初始阶段，随着停留时间HRT的增长，色度的去除率增加，反应1 h后趋于平稳，基本稳定在99.7%以上;COD的去除率在反应初始阶段0.5h—1h之间亦呈上升趋势，基本稳定在45%以上。由此得出结论：停留时间小于1h随着停留时间的增大色度和COD去除率逐渐增大，停留时间大于1h，则随停留时间的增长，其去除率增大的趋势缓慢。
5 工程运用分析
5.1 工程上运用时要注意以下几点
⑴ 铁屑在电解过程中逐渐消耗导致处理效率下降［进水1吨约消耗60g铁］，为保证脱色率，需定期添加，使之保持在铁碳比约1：1；
⑵ 为避免反应过程微电解柱中产生的微量沉淀与消耗完的铁泥会导致出水速度的降低和储水量的减少，故3个月至半年考虑反冲洗一次或翻池一次；
⑶ 工程上可考虑用石灰水调pH至8-9，价格便宜且能起到助凝和降低废水盐度的作用，提高生化性；
⑷ 过滤后的残渣量比较少可做为固体垃圾处理；
⑸ 运用此预处理脱色工艺可与生化工艺相结合使废水达标排放，也可回收将处理后的水回用于生产过程中作为漂洗颜料。
5.2 成本核算
由于铁屑是工业切削等过程中所产生的废料，所以低廉；活性碳只是起到惰性电极的作用，在实际处理过程中并不消耗；石灰水调节pH值，也十分经济廉价。预计微电解脱色工艺运行成本约0.4元／吨左右（电费按0.5元／度，废铁屑按2元／kg，石灰按0.1元／kg估算）。
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