【摘要】：電絮凝是在外加電場作用下,可溶性陽極材料產(chǎn)生大量金屬離子與水中的氫氧根生成一系列多核羥基絡(luò)合物和氫氧化物,將水體中污染物絮凝沉淀,得到凈化的技術(shù)。電絮凝技術(shù)兼有電化學(xué)氧化、電化學(xué)還原、絮凝和氣浮四種作用,具有去除污染物種類多、去除效率高、二次污染較少、工藝和設(shè)備簡單、可操控性好等諸多優(yōu)點(diǎn),在國內(nèi)外備受關(guān)注。然而電絮凝技術(shù)目前仍存在著電流效率較低、能耗較大等問題,這限制了其在造紙廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用。因此,探討電絮凝技術(shù)處理造紙廢水的機(jī)理,尋找適宜的電極材料是擴(kuò)大其在造紙廢水處理領(lǐng)域應(yīng)用亟需解決的問題。本文采用陜西某造紙廠三種污染負(fù)荷不同的廢水,研究了電極材料、電流密度、電解時(shí)間對CODCr去除率、色度去除率等指標(biāo)的影響;探討了有機(jī)污染物的電解機(jī)理及無機(jī)物的去除歷程、測算了其處理成本。主要內(nèi)容及結(jié)果如下:1.陰、陽極電極材料的優(yōu)選。電極材料是影響電絮凝處理廢水效果的最主要影響因素,通過采用石墨、純鋁等分別作為陽極;鈦板、不銹鋼板等分別作為陰極,對該造紙廠的廢水原水進(jìn)行電絮凝處理,對比分析不同陰陽極極板組合時(shí)廢水的CODCr(化學(xué)需氧量,Chemical Oxygen Demand)去除率和色度去除率。結(jié)果表明:鋁鈦電極組合對造紙廢水的CODCr、色度去除率分別為61%和97.5%,明顯高于其它組合,故選該電極組合作為電絮凝實(shí)驗(yàn)裝置的陰陽極。2.電絮凝處理工藝的優(yōu)化。采用鋁鈦電極組合,電絮凝處理陜西某造紙廠不同污染負(fù)荷的廢水,分析電流密度、電解時(shí)間對CODCr去除率、色度去除率等指標(biāo)的影響,研究結(jié)果表明:(1)電絮凝處理造紙廢水原水時(shí),電流密度為12m A/cm2,電解時(shí)間90min,極板間距為20mm時(shí),處理效果較佳,CODCr、色度、懸浮物去除率分別為62.4%、99.2%和100%;處理1m3廢水的電耗為21.4k W·h,鋁耗為0.769kg,鋁耗和電耗成本約25.5元/m3廢水,處理后CODCr為278mg/L,未達(dá)到GB3544-2008排放標(biāo)準(zhǔn)。(2)電絮凝處理造紙廢水一沉池出水,在電流密度13m A/cm2、電解時(shí)間60min、極板間距20mm時(shí),CODCr、色度和懸浮物去除率分別為89.4%、98.6%和100%。處理1 m3廢水的電耗為16.3k W·h,鋁損耗為0.569kg。電耗和鋁耗成本約20元/m3廢水。所測指標(biāo)達(dá)到GB3544-2008排放標(biāo)準(zhǔn)。(3)針對目前造紙企業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)提高的現(xiàn)狀,對造紙廢水二沉池出水進(jìn)行了電絮凝深度處理。在電解時(shí)間45min、電流密度3.17m A/cm2、極板間距10mm的工藝條件下,CODCr去除率達(dá)到93.8%;色度去除率達(dá)82.4%;懸浮物去除率100%,氨氮去除率為23.9%;AOX(可吸附有機(jī)鹵化物,Absorbable Organic Halogens)去除率為63%。處理1m3廢水需要消耗鋁板0.075kg,電耗為0.44k W·h。鋁耗和電耗成本約為1.43元/m3廢水。這幾項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到GB3544-2008排放標(biāo)準(zhǔn)。3.電絮凝過程對造紙廢水二沉池出水中有機(jī)物的反應(yīng)行為。利用某些基團(tuán)可在陰、陽極極板表面發(fā)生電氧化或電還原的反應(yīng)能力,分析廢水在處理前后的有機(jī)物成分變化。(1)對電凝處理前后的造紙廢水二沉池出水進(jìn)行氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)分析,發(fā)現(xiàn)處理后廢水中有機(jī)物種類和含量得到降低;苯酚類由4種降為0種,大大降低了廢水的色度和毒性。烷類由29種變?yōu)?0種,相對含量由45.628%升高至73.553%。烯烴類由9種降至5種,烯烴類有機(jī)物在鈦陰極發(fā)生加成反應(yīng),還原為烷烴,使烷烴相對含量增加。酯類由12種減少到6種;醇類由于發(fā)生水解反應(yīng),由6種增加到9種。(2)通過對絮凝物、鈦板吸附物進(jìn)行熱重-氣質(zhì)聯(lián)用(TGA-GC-MS)分析,發(fā)現(xiàn)絮凝物中有機(jī)物含量約為35.78%,鈦板吸附物中有機(jī)物含量僅占到5.05%。一些基團(tuán)如硝基、酰胺基、偶氮基等可吸附到鈦陰極表面發(fā)生還原反應(yīng)生成胺基并吸附在其表面,部分胺基由于極板表面氫氣氣泡的沖擊作用而脫落,被鋁羥基絡(luò)合物捕獲,從而構(gòu)成絮凝物中有機(jī)物的主要組成部分,使廢水的CODCr、氨氮含量下降。另外,鹵代有機(jī)物中的鹵素不僅可以通過陽極氧化法被羥基自由基取代,還可以通過陰極還原法被H取代,發(fā)生脫鹵反應(yīng),降低了AOX值。研究證明:鈦板不僅易發(fā)生析氫反應(yīng),生成大量微小氣泡,產(chǎn)生電氣浮作用去除一部分懸浮物,而且可吸附一些有機(jī)污染物到其表面發(fā)生還原反應(yīng),使之降解為小分子甚至是二氧化碳和水,使廢水的CODCr、氨氮含量、色度降低。4.建立了無機(jī)離子在電絮凝處理過程中的反應(yīng)歷程模型。廢水中陰離子的大量聚集,會(huì)引起廢水回用過程中陰離子垃圾污染問題。通過原子吸收分光光度法、硝酸銀滴定法、鉻酸鋇分光光度法測定了電絮凝處理前后廢水中無機(jī)離子的類型及含量,結(jié)果表明:廢水中的Fe2+可沉積到陰極表面或與水中的OH-形成絡(luò)合物,與鋁絡(luò)合物一起凈化廢水。Ca2+、Mg2+與水中的OH-、CO32-、SO42-結(jié)合,生成水垢沉積在陰極;或與SO42-、CO32-等結(jié)合生成沉淀物,與鋁的絡(luò)合物發(fā)生絮凝。Mn4+、Cu2+可通過共絮凝方式去除;處理后的水中不含Al3+、Fe2+、Mn4+、Cu2+等離子,不會(huì)出現(xiàn)有些研究者所擔(dān)心的Al3+殘留問題。5.電絮凝過程對鋁板壽命影響的研究。鋁板的電解行為是電絮凝處理成本最重要的影響因素。鋁板的FE-SEM(場發(fā)射掃描電子顯微鏡,Field Emission Scanning Electron Microscope)分析表明:電絮凝法處理造紙廢水過程中,鋁板表面電解不均勻,且由于Cl-的作用發(fā)生了孔蝕;孔蝕的程度隨著電解時(shí)間的延長而加深。廢水中的Cl-通過對流、擴(kuò)散的方式在鈍化膜的缺陷處吸附,并與鈍化膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成可溶性的Al(OH)2Cl2-,從而鈍化膜受到局部的破壞溶解,甚至出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。基于以上研究結(jié)果,采用該實(shí)驗(yàn)裝置對陜西另一家造紙廠的廢水以及某高校的生活污水進(jìn)行了電絮凝處理,處理后水質(zhì)的CODCr、氨氮含量、色度達(dá)到了現(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)。另外,對比分析目前較常用的造紙廢水深度處理方法—Fenton氧化法,電絮凝技術(shù)具有色度去除率高、無需化學(xué)藥品、工序簡單、處理后的水中無殘留Al3+、Fe3+、Fe2+等金屬離子的優(yōu)異特點(diǎn),且電絮凝深度處理造紙廢水的成本比傳統(tǒng)的Fenton氧化法低。所以采用電絮凝技術(shù)深度處理造紙廢水無論從處理效果還是處理成本上都具有一定的優(yōu)勢。
【學(xué)位授予單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X793;O646
【圖文】：

圖 1-1 電絮凝原理示意圖Fig.1-1 Schematic diagram of electrocoagulation theory性陽極最常用的材料是鋁和鐵[58,63]。電解過程中，陽 極發(fā)生 Fe→Fe2++2e ；另外 ，還 可以發(fā) 生水的--

電絮凝實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖 3-1 鐵陽極和鋁陽極電絮凝處理后的水 wastewater after EC treatment by iron anode and alum擇的陰極選擇要比陽極容易，這是因?yàn)殛帢O不

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本文編號(hào)：2783095