鐵碳微電解技術(shù)具有無需外部電源、運行成本合理、操作簡便等優(yōu)點，是一項具有發(fā)展前景的水處理技術(shù)。本文以硫鐵礦燒渣為主要材料制備了球形鐵碳填料，并將其用于電鍍清洗廢水的處理。研究了鐵碳填料對電鍍清洗廢水的微電解性能。
一、實驗
1.1實驗材料與試劑
硫鐵礦燒渣，廣東廣業(yè)云硫礦業(yè)有限公司;黏土，取自廣州某山隅;鈣基膨潤土，石家莊磊泰科技有限公司;活性炭粉末(分析純)，天津市科密歐化學(xué)藥劑有限公司;硫酸銨(分析純)，天津市致遠化學(xué)藥劑有限公司;硫酸(分析純)，天津市致遠化學(xué)藥劑有限公司;氧化鈣(分析純)，天津市致遠化學(xué)藥劑有限公司;陰離子型聚丙烯酰胺(分析純)，天津北海藥品有限公司;商業(yè)鐵碳材料，取自邢臺某電鍍廠廢水處理工段。
1.2實驗儀器
FW80型高速萬能粉碎機，上海書培實驗設(shè)備有限公司;4-10型馬弗爐，上?？坪銓崢I(yè)發(fā)展有限公司;PHS-3E型pH計，上海雷磁儀器有限公司;Varan700型ICP，安捷倫科技(中國)有限公司。
1.3實驗廢水
實驗廢水采用河北邢臺某電鍍廠的清洗槽廢水，其水質(zhì)情況：pH值0.62，總As17.6mg/L，總Cr5.0mg/L，總Ni2.4mg/L，總Cu38.8mg/L，總Zn0.8mg/L，總Fe26.4mg/L，總Al306.4mg/L，氨氮3157.6mg/L，COD1198.9mg/L。除Zn外，廢水中的重金屬離子均超標，氨氮和COD偏高，不符合排放或進入生化系統(tǒng)處理的標準。
1.4鐵碳填料的制備
1.4.1硫鐵礦燒渣
硫鐵礦燒渣是在硫鐵礦制酸過程中由電除塵器收集得到的。先水洗燒渣，去除渣中殘余的有機灰分及可溶性鹽類，再干燥。燒渣的主要成分：有效硫3.06%，全硫5.49%，鐵64.50%，氧化鈣3.32%，硫酸根離子17.96%。
1.4.2鐵碳填料
將黏土和鈣基膨潤土分別破碎后，過100目篩并烘干備用。制備100g鐵碳填料，需要硫鐵礦燒渣69.8g、活性炭粉末15g、黏土32g、鈣基膨潤土8g、氧化鈣2g、硫酸銨1g。
根據(jù)實驗配方稱量藥劑、材料，并放入燒杯中混勻。加入適量的水使混合物黏結(jié)，通過壓片機壓制成球形顆粒(直徑為15mm$將鐵碳填料置于坩堝內(nèi)，表面覆蓋過40目篩的潔凈細沙，填料體積不大于坩體積的1/3。將圮坩放入烘箱內(nèi)于80f下保溫1h，105f下保溫2h。轉(zhuǎn)移進入馬弗爐，加熱至200f后，以2f/min的梯度升溫，300f下真空焙燒2h，400f下保溫2h。之后，停止加熱并降至室溫，取出鐵碳填料，干燥后備用。鐵碳填料的壓潰強度為32.8N。
1.5實驗方法
1.5.1微電解實驗方法
微電解實驗在自制的反應(yīng)裝置中進行。實驗裝置如圖1所示。空氣由反應(yīng)器底部的曝氣口進入，經(jīng)砂芯氣體分布板分散成細小氣泡，使填料在曝氣條件下對廢水進行微電解處理。微電解反應(yīng)前，使用氧化鈣或硫酸調(diào)節(jié)廢水pH值，過濾后的清液進入微電解反應(yīng)系統(tǒng)。反應(yīng)后的廢水通過排放口進入處理槽，先使用氧化鈣調(diào)節(jié)pH值至8〜9，再使用1%。陰離子型聚丙烯酰胺絮凝、沉淀并過濾。對不同反應(yīng)階段清液中的重金屬離子、COD、氨氮進行分析，考察其去除情況。
1.5.2水質(zhì)分析方法
COD的測定參照《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定重鉻鹽法》(GB11914—1989)。
氨氮的測定參照《水質(zhì)氨氮的測定納氏試劑分光光度法》(HJ535—2009)。
重金屬離子的測定采用ICP。
二、結(jié)果與討論
2.1微電解工藝優(yōu)化
2.1.1交互正交試驗
通過前期大量的實驗發(fā)現(xiàn)：廢水pH值(A)、鐵碳填料的添加量(B)、反應(yīng)時間(C)對COD的去除率影響較大，曝氣流量對廢水處理結(jié)果的影響較小?？紤]實驗操作的穩(wěn)定性，曝氣流量維持不變。由單因素試驗可知，三組靈敏因素對COD去除率的影響是非線性的，需要考慮各因素間的交互作用，由此設(shè)計了L27(313)正交試驗，如表1所示。
2.1.2極差和方差分析
根據(jù)表1的試驗設(shè)計進行相關(guān)試驗，測定不同微電解處理條件下COD和氨氮的去除率。通過Minitab軟件對兩種評價指標進行極差和方差分析由極差分析結(jié)果可知，廢水pH值、廢水pH值與鐵碳填料的添加量及反應(yīng)時間的交互作用是影響COD和氨氮去除率的主要因素。由方差分析結(jié)果可知，廢水pH值是極顯著因素，廢水pH值與鐵碳填料的添加量及反應(yīng)時間的交互影響是顯著因素，其他因素影響不顯著。這與極差分析的結(jié)果較為致。
2.1.3交互因素分析
(1)廢水pH值與鐵碳填料添量量的交互作用
圖2為廢水pH值與鐵碳填料添量量的交互作用對COD去除率的影響。通過實驗和相關(guān)文獻證實，酸性條件有利于鐵碳微電解反應(yīng)的進行。若廢水pH值過低(0.62)，F(xiàn)e0消耗過快，水中鐵離子的質(zhì)量濃度快速升高。若要保證COD的去除率，需增加鐵碳填料的添加量，后期中和處理重金屬離子時會產(chǎn)生較多的化學(xué)污泥。若廢水pH值偏高(4.50)，反應(yīng)效率降低，反應(yīng)時間和水力停留時間均延長，所需微電解反應(yīng)器的體積也會相應(yīng)增加，建設(shè)成本升高。合理的廢水pH值，可平衡反應(yīng)速率與反應(yīng)強度之間的矛盾，縮短微電解反應(yīng)時間，也可控制化學(xué)污泥的產(chǎn)量。廢水pH值可通過氧化鈣調(diào)節(jié)，控制在2.50左右，鐵碳填料的添加量可選擇15g/L。
(2)廢水pH值與反應(yīng)時間的交互作用
在微電解反應(yīng)過程中，水相的pH值會隨反應(yīng)時間的延長而變化。反應(yīng)初期，pH值會有一段短暫的增長，之后趨于穩(wěn)定。pH值穩(wěn)定后，微電解反應(yīng)速率逐漸降低。合理地控制反應(yīng)時間，在保證廢水處理效果的前提下，節(jié)約運行成本。圖3為廢水pH值與反應(yīng)時間的交互作用對COD去除率的影響。由圖3可知：廢水pH值和反應(yīng)時間的交互作用對COD去除率的影響趨勢呈“馬鞍”型，反應(yīng)時間可控制在30min。
綜合考慮，鐵碳填料微電解反應(yīng)的最佳工藝條件為：廢水pH值2.50，鐵碳填料的添加量15g/L，反應(yīng)時間30min。
2.2鐵碳填料對電鍍清洗廢水的微電解性能
表2為不同處理過程的廢水指標分析。由表2可知：氧化鈣直接處理可沉降98.0%以上的重金屬離子，COD降低約43.0%，對氨氮的處理效果不明顯，產(chǎn)生化學(xué)污泥117g/L廢水；而微電解過程產(chǎn)生的化學(xué)污泥是氧化鈣方法的45%〜53%。商品鐵碳填料的微電解過程對重金屬離子的去除效果不明顯，COD降低75.5%，氨氮降低3.5%，化學(xué)污泥共計62g/L廢水。鐵碳填料的微電解過程對As、Cr、Cu有明顯的去除效果，COD降低78.6%，氨氮降低15.0%，化學(xué)污泥共計53g/L廢水。與商品鐵碳填料相比，由硫鐵礦燒渣制備的鐵碳填料存在較高的COD和氨氮去除率、添加量少、反應(yīng)時間短、微電解初始pH值低、化學(xué)污泥減量等優(yōu)勢。
三、結(jié)論
以硫鐵礦燒渣為主要材料制備了球形鐵碳填料，并將其用于電鍍清洗廢水的處理。通過交互正交試驗，確定鐵碳填料微電解反應(yīng)的最佳工藝條件為：廢水pH值2.50，鐵碳填料的添加量15g/L反應(yīng)時間30min.與商品鐵碳填料相比，由硫鐵礦燒渣制備的鐵碳填料存在較高的COD和氨氮去除率、添加，量少、反應(yīng)時間短、微電解初始pH值低、化學(xué)污泥減量等優(yōu)勢。（ >
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