脈沖電絮凝處理電鍍廢水的工藝優(yōu)化與應(yīng)用

水處理網(wǎng)訊:摘要：以實際電鍍廠廢水為研究對象，采用鐵電極板電絮凝技術(shù)，考察比電流、溶液初始pH值、占空比和曝氣強(qiáng)度等參數(shù)對廢水中鎳和鉻去除效果的影響，并利用響應(yīng)面法優(yōu)化了電絮凝工藝。結(jié)果表明，當(dāng)比電流為122 A/m³、占空比為48%、初始pH值為7. 1、曝氣強(qiáng)度為2.4 L/L時，電解30 min后，對Ni2\Cr6+和總珞的去除率分別為99. 65%、100%、100% ,比能耗為0. 757kW - h/m³,與傳統(tǒng)的單因素試驗相比，降低了 11.87%。實際工程廢水的處理規(guī)模為30 m³/h,400多天的運行效果表明，經(jīng)響應(yīng)面優(yōu)化的電絮凝工藝運行穩(wěn)定，出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

關(guān)鍵詞：脈沖電絮凝；電鍍廢水；重金屬；響應(yīng)面法

電鍍工業(yè)排放的廢水富含銅、鋅、鐮、鋸和鎘等重金屬離子，屬一類典型的重金屬廢水，具有毒性大、不易降解、易被生物富集和放大等特點,對生態(tài)環(huán)境及人類健康危害嚴(yán)重。電絮凝是處理該類重金屬廢水的一種環(huán)境友好型技術(shù)，具有去除效率高、設(shè)備簡單、占地面積小等特點UT。能耗是電絮凝技術(shù)處理廢水的重要成本指標(biāo)，脈沖電絮凝利用脈沖電源“充電-放電-充電”的間歇性方式運行,達(dá)到了節(jié)省能耗、減緩電極鈍化的效果。 Xu等研究了鋁鐵為正負(fù)極的雙向脈沖電絮凝技術(shù)， 考察其同步去除實際冶煉廢水中Zn2+和Mn2+的機(jī)理，在脈沖電源頻率為5 000 Hz、占空比為40%、初始pH值為7.0、電流密度為8 mA/c㎡,正負(fù)極逆轉(zhuǎn)時間為25 s : 5 s(Fe : A1)時，電解3 h后，對Zn"和Mn2+的去除率分別達(dá)到99. 16%和70. 37% ,電耗為 18.3 kW • h/m³。

對傳統(tǒng)的電絮凝工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可采用單因素法，盡管該方法簡單,但無法體現(xiàn)各因素間的交互作用。響應(yīng)面法(RSM)綜合了數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)的方法,通過開發(fā)參數(shù)間的交互效應(yīng)模型，形象地顯示各種因子與響應(yīng)值之間的關(guān)系，實現(xiàn)了過程優(yōu)化并可獲得最佳操作條件小。響應(yīng)面法基于試驗設(shè)計，顯著減少試驗次數(shù)、提高工作效率。目前，鮮見采用響應(yīng)面法優(yōu)化電絮凝工藝參數(shù)的研究報道。

筆者以實際電鍍廢水為研究對象，通過鐵電極板脈沖電絮凝技術(shù)，分析比電流、溶液初始pH值、 占空比和曝氣強(qiáng)度等參數(shù)對去除重金屬離子的影響，通過響應(yīng)面法優(yōu)化評估影響因子對處理效率的相互作用，探尋最佳工況條件、降低運行成本。同時，將響應(yīng)面法優(yōu)化獲得的工藝參數(shù)運用到實際工程項目中，評估運行性能。

1 材料與方法

1. 1 原水水質(zhì)

試驗廢水來自某電鍍廠的實際廢水，主要重金屬離子為Ni2\Cr6+和Cr3+等。具體水質(zhì):Ni2+濃度為 23. 61 mg/L、Cr6+ 濃度為 5. 237 mg/L,總鋸為9.125 mg/L,COD 為 235 mg/L、電導(dǎo)率為 6. 75 mS/cm、pH 值為 1.2。

1.2 試驗裝置與方法

試驗裝置為自主設(shè)計的脈沖電絮凝槽，如圖1所示。

試驗裝置的有效容積為3 L,鐵電極板尺寸為10 mm x 10 mm x2 mm,插入到反應(yīng)器溝槽中固定， 相鄰極板的間距為2 cm。采用高頻開關(guān)電源提供方波脈沖電流，電源脈沖的占空比為0 ~100%,頻率范圍為0~5 kHz。

首先考察初始PH值、比電流、占空比和曝氣強(qiáng)度等4個因素對鐮和鋸離子去除效果的影響。每個因素設(shè)置5個數(shù)值,pH值分別為4、5.5、7、8.5和10,比電流分別為 45、91、136、181、226 A/m³,占空比分別為90% ,75% .60% ,45% ,30% ,曝氣強(qiáng)度分別為0,1. 2,2. 4,3. 6,4. 8 L/L,電解時間均為30min。之后,根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選用影響較大的3個因素設(shè)計Box-Behnken(BBD)試驗，依據(jù)去除率和比能耗兩個指標(biāo)，并通過對定性和定量的比較分析,獲得最優(yōu)工藝參數(shù)。

1.3 分析項目及方法

pH值采用pH計測定;Cr6+通過紫外分光光度計，按照GB 7467-87中的標(biāo)準(zhǔn)方法測定;鋅離子和總鋸離子的濃度采用火焰原子吸收分光光度計測定。待測水樣經(jīng)過濾紙過濾后，使用石墨平板儀消解，然后通過鐮或鋸的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制,最后檢測待測樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素影響分析

電絮凝過程中，溶液pH值會因陰極析氫產(chǎn)生0H-而較初始值高，最大上升幅度為0.5左右。初始pH值升高有利于電絮凝對鐮和鋸的去除。當(dāng)初始pH值＞7時,謀離子去除率增加幅度趨緩，此時對鐮的去除率達(dá)到90%以上。去除Cr6+的過程是先將還原為Cr3+，再經(jīng)絮凝沉淀去除，相對于鐮和總錚，其去除速度最快，電解30 min后去除率基本達(dá)到100%。Cr(OH)3屬于兩性化合物，當(dāng)初始pH值＞8. 5時，電解30 min以后溶液pH值＞9,Cr(OH)3沉淀開始溶解，總鋸去除率開始下降。 比電流是指處理單位體積廢水通入的電流量。

試驗過程中，鐮和縮的去除率隨比電流的增大而增加，當(dāng)比電流＞136 A/m³時,鐮和鋸離子的去除率增加幅度開始趨緩。分析原因，比電流大時，水中溶解的鐵離子多，產(chǎn)生的絮體就多;而過大的比電流除了能夠增大電極消耗和產(chǎn)生副反應(yīng)外，還會因焦耳效應(yīng)將一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，不利于電流的有效利用。因此，比電流的選取需要綜合考慮去除率和能耗等多個因素。

占空比是指在一個脈沖循環(huán)內(nèi)通電時間相對于總時間所占的比例。電絮凝是一個非均相反應(yīng)過程，當(dāng)電流密度 >極限電流密度時，表觀電解速率一般受傳質(zhì)控制，因此合適的占空比可以提高電流利用率。試驗結(jié)果顯示，隨著占空比的增加，鎳和鋸的去除率呈先上升后下降的變化趨勢，適宜占空比為45%。過低的占空比不利于形成足夠量的Fe2+，影響去除率;但過高的占空比會加速電極板表面的鈍化，影響后續(xù)Fe2+的產(chǎn)生，致使去除率下降,同時高占空比導(dǎo)致高能耗。為此，提出了雙向脈沖的供電模式，以弱化甚至消除電絮凝過程電極表面鈍化現(xiàn)象。

曝氣強(qiáng)化了反應(yīng)器內(nèi)絮體與重金屬離子的接觸,加速了電極表面物質(zhì)的剝離。試驗結(jié)果顯示，適宜的曝氣強(qiáng)度有利于鐮和鋸的去除。盡管通入的空氣會將Fe2+氧化為Fe3+，但Fe2+與Cr6+的反應(yīng)速率大于Fe2+與O2的反應(yīng)速率。因此，溶液中溶解氧不會影響Fe2+對Cr6+的還原，少量Fe3+形成的絮體有利于重金屬的去除。曝氣強(qiáng)度過大，會加劇溶液的紊流，破壞絮體的形成，從而影響對離子的去除，適宜的曝氣強(qiáng)度為2.4L/L。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化

2. 2.1響應(yīng)面試驗設(shè)計

由單因素試驗分析可知，初始pH值(A)、比電流(B)和占空比(C)對鐮和鋸的去除影響較顯著。

根據(jù)BBD原理，選取上述3個因素進(jìn)行響應(yīng)面試驗，曝氣強(qiáng)度取2.4 L7L,具體方案見表1。

2. 2. 2 響應(yīng)面試驗結(jié)果與討論

表3是試驗響應(yīng)值為總鋸去除率的回歸方程方差分析。可知，以總誥去除率為響應(yīng)值的模型顯著,一次項4和B具有一定的顯著性。

利用Design Expert軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多?；貧w擬合,得到比電流和pH值的二次回歸方程等高線及響應(yīng)曲面，如圖2所示。響應(yīng)曲面的坡度越陡，對應(yīng)背景面上的等高線越密集，說明該因素對響應(yīng)值的影響越顯著。從圖2(a) Jb)可知，沿著比電流方向的響應(yīng)曲面比沿著pH值方向的更陡，對應(yīng)的等高線也更為密集，說明比電流對鐮去除率的影響比pH值更為顯著。當(dāng)比電流為91 - 136 A/m³時，鎳去除率急劇增加，當(dāng)比電流＞136 A/m3時，鐮去除率略有下降;當(dāng)比電流和pH值同時增大時，鐮去除率顯著增加,但是達(dá)到一定水平后，鐮的去除率開始下降,圖形呈現(xiàn)凸面，表明這兩個因素之間有顯著的交互作用。同樣可以看出，以總鋸的去除率為響應(yīng)值時，比電流和pH值的交互作用顯著。

2.2.3 最佳工況分析

根據(jù)上述RSM模型分析,分別獲得以去除鐮和總鉛為目標(biāo)的最佳工況參數(shù)，結(jié)果如表4所示?？梢钥磳?3種方法對總鋸均可以實現(xiàn)100%的去除。 當(dāng)以去除臻為最佳工況時，廢水中鐮離子去除率達(dá)到99.65%,出水鐮濃度為0.085 mg/L,滿足《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 21900—2008)表3中的規(guī)定(鎳≤0.1 mg/L),其他兩種方法出水鐮濃度分別為0. 189和0. 140 mg/L,無法滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，該條件下比能耗為0.757 kW • h/m³相比單因素法降低了11.87%。

2.3 工程實踐

某電鍍廠的電鍍廢水排放量為720 m³/d,采用一級物化+脈沖電絮凝處理工藝，出水水質(zhì)需滿足GB 21900—2008表3中規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。脈沖電絮凝設(shè)備的設(shè)計處理水量為30 m³/h,作為深度處理工序保障廢水中重金屬離子的達(dá)標(biāo)排放，現(xiàn)場脈沖電絮凝裝置如圖3所示。

按照RSM模型優(yōu)化的操作參數(shù)，比電流為122A/m³、占空比為48%、pH值為7. 1、電解時間為30min,連續(xù)400多天的運行結(jié)果顯示，經(jīng)響應(yīng)面優(yōu)化的脈沖電絮凝工藝運行穩(wěn)定，出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。圖4為電絮凝裝置運行90 d的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以看出，出水鐮離子濃度W0.1 mg/L,出水總鋸濃度＜0. 1 mg/L,基本檢測不出Cr6+,比能耗為0.783 kW • h/m³。

3 結(jié)論

脈沖電絮凝工藝為電鍍廢水綠色深度處理提供了一種有效途徑。pH值、比電流、占空比、曝氣強(qiáng)度是該工藝的主要操作參數(shù)，對目標(biāo)污染物的去除形成交互影響。經(jīng)過響應(yīng)面優(yōu)化，脈沖電絮凝工藝能夠以更加高效、節(jié)能的方式運行。響應(yīng)面優(yōu)化研究的結(jié)果表明，比電流是最顯著的影響因素；同時，針對不同的目標(biāo)污染物，優(yōu)化的操作參數(shù)可以是不一樣的。因此，實際廢水的電絮凝工藝可以根據(jù)具體控制要求實施重點目標(biāo)優(yōu)化策略。