海绵铁/锰砂混合填料预处理模拟印染废水的研究

Posted 2023-01-12 海绵铁

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通过过滤柱实验，研究了不同滤速情况下处理印染废水时海绵铁/锰砂混合填料对过滤周期产水量、脱色率、出水含铁量的影响，并分析了印染废水处理前后废水的可生化性和紫外-可见光谱的变化。试验结果表明，海绵铁/锰砂混合填料对模拟印染废水具有较高的脱色率，最高可达99%，并可提高印染废水的可生化性。
[中图分类号]X703.1[文献标识码]A[文章编号]1005-829X(2010)09-0032-03
印染废水具有高色度、有机物含量高及可生化性差的特点，已经成为难处理的工业废水之一。脱色是印染废水处理过程中必须要解决的关键问题。近些年来，海绵铁作为一种多孔型金属铁填料，与传统的铁屑滤料相比，具有比表面积大，比表面能高及更强的电化学富集及絮凝沉淀的优点，已经在染料脱色方面受到重视〔1-2〕。但是，大多数研究往往集中在批量实验研究〔3-5〕，对于通过过滤柱进行连续运行实验的研究尚未见报道。笔者考虑到锰砂在海绵铁对印染废水进行预处理过程中具有催化作用的基础上〔6〕，研究了不同滤速情况下海绵铁/锰砂混合填料预处理模拟印染废水的情况，并分析了过滤前后印染废水的可生化性变化，为研究海绵铁/锰砂混合填料预处理印染废水工程化提供一定的理论依据和技术支持。
1.试验装置与实验材料
1.1试验装置
试验装置主要由有机玻璃过滤柱、PVC进水箱和计量泵组成。过滤柱的直径和高度分别为30mm和2400mm，滤料层高度为1500mm。采用上部进水向下过滤的方式，废水由计量泵从水箱中泵至滤柱顶端的进水口，进入滤柱后经滤料层由底端的出水口流出。在反冲洗和再生时，采用下部进水向上反冲的方式，滤柱底端设置反冲洗口，反冲洗出水由上端进水口及溢水口流出。为测定过滤过程中的水头损失，在滤料层的两端连接有测压管。
1.2实验材料
海绵铁：北京市某铁砂厂生产，粒径1～8mm，含金属铁90%(质量分数，下同)，总铁96%～97%，碳及其他杂质3%～4%，密度2.3～2.7g/cm3，堆积密度1.7～1.88g/cm3，外观灰黑有亮点，疏松呈海绵状。锰砂：青岛精威特化工有限公司生产，粒径1～2mm，含锰量大于28%，密度3.4g/cm3，堆积密度2.0g/cm3。
根据文献〔6〕，本实验中选择m(海锦铁)∶m(锰砂)=18∶1。
1.3模拟印染废水
试验采用人工配制的模拟印染废水。其中，模拟印染废水中COD为700～800mg/L，BOD5为230～250mg/L，色度为1000～1200倍，pH为10～11，BOD5/COD为0.3～0.35。废水中物质组成见表1。

1.4分析项目方法色度：稀释倍数法；COD：重铬酸钾法；总铁：邻菲啰啉分光光度法；BOD5：无汞压力感测法(WTW公司OxiTopIS6型BOD仪)；pH：pHS-3C型pH计；紫外可见扫描：HitachiUV-3000分光光度仪。
2.试验结果与讨论
2.1滤速对过滤周期和过滤负荷的影响滤速的大小直接影响着滤池的过滤周期和周期产水量的大小，其对过滤周期及过滤负荷的影响见图1。

由图1可知，随着滤速从2m/h逐渐地增加到6m/h，过滤周期从46h逐渐降低到12h，过滤负荷从1.54m3/(m.2h)逐渐增加到4.6m3/(m2.h)。但是，在滤速为4m/h的情况下，单位面积滤池周期产水量达到最大值，约为95m3/m2。
2.2滤速对脱色效率的影响
由于海绵铁与铁屑具有相似的化学组成，在印染废水中容易形成腐蚀原电池体系。其中，Fe作为阳极被氧化，提供电子破坏染料的发色或助色基团，甚至断链，从而达到脱色的目的。同时，电极反应的产物Fe2+在锰砂的催化作用下极易生成Fe3+，与水中的OH-形成聚凝能力较强的Fe(OH)3胶体，进一步吸附混凝印染废水中的有色物质，使染料脱色。滤速对脱色效果的影响如图2所示。

由图2可知，在过滤初期，混合填料对印染废水具有较高的脱色率，在不同的滤速下出水色度均小于10倍。随着过滤时间的增加，出水色度逐渐增加，在过滤周期结束时达到最大值。在整个过滤周期内，在滤速分别为2、3、4、5、6m/h的情况下，脱色率的变化范围分别为75.0%～99.8%、83.3%～99.2%、87.5%～99.8%、87.5%～99.7%、87.5%～99.7%，由此可见，海绵铁/锰砂混合填料对印染废水具有良好的脱色效率。但是，在相同的过滤时间，滤速越小，印染废水在滤柱内的水力停留时间就越长，与混合填料发生化学反应的时间也越长，脱色效果就越好。图3表示印染废水在不同过滤时间的紫外-可见光谱变化。由图3可以看出，由于原水经滤柱后，染料的发色基团及助色基团遭到破坏，出水在可见光区的吸收峰消失，这与出水色度降低的规律基本上一致。
2.3废水可生化性的分析
图4表示滤速在2m/h情况下印染废水可生化性随着时间的变化情况。

由图4可以看出，随着过滤时间的增加，COD的去除率得到提高，出水的BOD5/COD也逐渐升高，说明出水的可生化性越来越好。到过滤周期结束时，BOD5/COD达到0.65，可生化性大大提高。废水可生化性提高主要有以下两个方面原因：一方面是由于在锰砂的催化作用下海绵铁通过腐蚀原电池作用将难降解的大分子染料分子，转化为易于生化降解的小分子物质。另一方面，由于印染废水中含有大量有机物质，在过滤过程中，锰砂和海绵铁表面滋生了大量的厌氧微生物(见图5)，使部分难降解有机物转化为可生物降解的小分子有机物，提高了废水的可生化性，有利于印染废水的进一步生化处理。

2.4滤速对出水含铁量的影响
在海绵铁/锰砂混合填料与印染废水中染料发生化学反应过程中会产生大量的Fe2+，在锰砂中二氧化锰的催化作用下，加快了Fe2+的氧化，使其快速地转化为Fe3+，Fe3+与OH-发生反应，生成大量的Fe(OH)3絮体，而填料层有良好的吸附和过滤功能，将生成的絮体大部分截留在过滤柱中，使得出水的总铁含量大大降低，结果见图6。

由图6可知，在滤速为3、4、5、6m/h的情况下，在过滤周期内出水中铁质量浓度均低于2mg/L。然而，当滤速为2m/h时，过滤时间≤28h时，出水中铁质量浓度<1mg/L，然而随着过滤时间的增加，32h时铁质量浓度达到3.349mg/L后，出水中铁质量浓度急剧增加，在过滤周期结束时，出水中铁质量浓度达到83mg/L。
3.结论
(1)海绵铁/锰砂过滤床对印染废水具有较好的脱色效果，并可有效地提高印染废水的可生化性。
(2)在相同的过滤时间，滤速越小，脱色效果越好，综合考虑脱色效果和周期产水量，最佳滤速为4m/h。
(3)经过海绵铁/锰砂过滤后，出水中铁含量较低，不会影响后续生物处理。