铁炭床、复合生物反应器处理染料废水

孙华，洪英，高廷耀，夏四清
(同济大学环境工程学院，上海200092)

　　摘　要：利用铁炭在水中形成的微电解过程处理染料生产废水，可以有效地去除色度，提高污水的可生化性，同时对COD也有一定的去除效果。试验结果表明，当进水COD为1200mg/L时，经铁炭床—复合反应器处理后，出水COD＜200mg/L，可达到排放标准。该工艺对COD的去除率要比单纯的石灰乳中和混凝沉淀—好氧工艺高10%以上。
　　关键词：铁炭床过滤；染料废水；复合生物反应器
　　中图分类号：X703 
　　文献标识码：C 
　　文章编号：1000-4602(2001)05-0065-03

　　上海某染料化工厂排放的高浓度酸性染料母液废水约250m³/d，另有来自于各车间的工艺冲洗水，混合废水量为7000m³/d。混合废水中含有多种染料中间体和大量的无机原料及各种水溶性染料，污染物浓度大，色度高，可生化性差，用传统的生物方法处理不甚理想。在研究过程中，曾用混凝法、氧化法、吸附法等进行了试验，均未收到理想的处理效果。为此，决定采用具有还原能力的废铁屑和焦炭对废水进行铁炭微电解处理，以降低色度和提高废水的可生化性。
　　生物处理是根据悬浮、附着两种状态微生物对有机污染物共同作用的机理，提出的一种生物膜法和活性污泥法相结合的处理方法——复合生物反应器，把微电解作为其预处理工艺，实质上是综合了铁炭过滤和生物铁法两种废水处理方法的优点，即脱色效果好，生化反应速度快，对有机物的去除率高。

1　试验流程及材料

1.1试验水质
　　试验废水取自各车间出水的混合废水，水质见表1。

1.2试验流程
　　试验装置及流程如图1所示。

　　铁炭床用长为350mm、直径为50mm的玻璃管制成，内置铁屑和焦炭，其体积比为1∶1。生物反应器的直径为120mm，高为400mm，有效容积为3.65L；填料采用同济大学开发的悬浮填料，呈圆柱形，直径为50mm，高为50mm，内有多重叶瓣。体积质量约为0.97～0.98，可直接投加于水中；采用穿孔管曝气，上部进水，侧端出水入二沉池，同时进行污泥回流。原水连续由上至下流经铁炭过滤柱，出水加入10%的石灰乳调节pH值为8～9，沉淀0.5h后取上清液作为好氧池的进水。
1.3试验材料
　　试验用铁屑来自上海梅园铁粉厂，为提高其活性加入同量的焦炭。铁屑滤料共有4种类型：1＃为18目，2＃为40目，3＃为80目，4＃为100目。焦炭取自焦化厂，粒径约为2～4mm。

2　试验结果与讨论

2.1 铁炭床过滤结果
　　铁炭床过滤的主要影响因素是进水pH值、停留时间等。因此，试验主要从这两方面进行了研究。
2.1.1 铁粉目数的影响
　　铁炭床内分别放入18、40、80和100目等4种铁粉和相同体积的焦炭，经30min反应后，测pH值，然后加入石灰乳中和，结果见表2。

　　从表2中看出，随着铁粉目数的增加，COD的去除率稍微增加，考虑到实际运行时铁炭床的结块问题，选用颗粒较大的铁粉(18目)。
2.1.2 pH值的影响
　　染料废水pH值对铁炭床处理效果的影响见图2。对于同一废水水样，在反应温度、时间等条件相同的情况下，染料废水微电解脱色效果、COD去除率均随pH值的升高而降低。因此，对该染料废水，酸性条件有利于脱色及去除有机物，故直接采用原废水进行后续试验。

2.1.3　HRT的影响
　　①HRT与pH值的关系
　　控制废水与铁炭的接触反应时间为2～120min，测定出水的pH值，然后进行混凝沉淀，并取上清液测定色度、COD和Cu的含量，结果见表3、图3。

　　由表3结果可见，随废水与铁炭滤料接触时间的延长，出水pH值先急剧上升后接近平稳,基本在6左右。微电解时，随阴极不断析出H2，污水中的H+逐渐减少，OH-逐渐加大，当pH升至6.0左右时，就很难再提高。
　　②HRT与处理效果的关系
　　图3绘出了HRT与色度、COD及Cu去除率的关系。

　　由图3可见，废水在反应柱中停留时间的长短，直接关系到对色度、COD及Cu的处理效果，是废水处理过程中必须控制的重要参数。脱色率随着停留时间的延长而提高，当停留时间延长到一定值时，脱色率基本保持稳定。当原水为酸性时，增加废水在反应器内的停留时间有利于提高处理效率，但如此会增大投资和提高运行费用。因此，从综合效果看，该废水在反应器内的停留时间以20～40min为好。
2.2微电解法与直接混凝法的处理效果对比
　　表4是铁炭床过滤再进行中和的效果与直接用石灰乳中和并加PAM进行混凝沉淀效果的比较。

　　从表4可以看出，经铁炭床—石灰乳中和处理后的出水，COD去除率在45%左右，脱色率可达90%，而同一废水用单纯的石灰乳—混凝沉淀处理时，可以去除一部分COD、Cu和色度，但远不如铁炭床过滤，这可能是在微电解过程中电极反应生成的新生态的H能与溶液中的许多组分发生氧化还原反应，破坏了染料分子中的发色或助色基团，达到脱色的目的。另外，新生的Fe²⁺也具有较高的絮凝—吸附活性，能吸附废水中分散的微小颗粒及有机分子而絮凝沉降下来，使废水又得到进一步净化。单纯的石灰乳中和混凝沉淀法不具备上述功能，但可以除去悬浮于水中的不溶性染料，所以也有一定的色度去除率。
　　表4还说明，在去除COD和Cu的方面，铁炭床法也占有优势。通过铁炭床—中和处理后出水的BOD₅/CODCr值从0.33提高到0.54，废水的可生化性提高，这可能是经铁炭床处理后，染料分子断链变成了较小的分子，而且断链后的产物和一些中间体被处理成较易生化的物质，从而大大地提高了废水的可生化性，为该废水进行后续生化处理创造了有利条件。
2.3铁炭床—复合反应器工艺稳定运行试验
　　根据确定的运行参数连续运行1个月，对染料废水进行处理试验的结果见表5。

　　表5表明，染料废水经铁炭床过滤预处理后再进行生物处理，COD去除率达85%左右，BOD去除率达90%以上，色度去除率达84%以上，出水COD接近200mg/L，各项指标均符合排放标准。

3　分析及讨论

3.1　铁炭床过滤机理

　　铁碳床过滤是基于电化学反应的氧化还原原理，通过增强原电池腐蚀，产生大量新生态的物质还原有机物中的氧化基团，生成物及原先污染物被吸附，形成絮凝物。同时，铁炭电位差使胶体污染物迅速沉积。溶解的物质进行一系列极为复杂的物理化学反应，生成多种铁氧体。有些铁氧体在形成过程中会包络污染物分子，有些新生态的铁氧体对胶体的污染物有很好的絮凝作用，铁氧体本身又是极好的吸附剂，对水中污染物分子起吸附脱除作用。
　　微电解过程中，电极反应产物具有高化学活性，其中新生态的Fe²⁺能与废水中许多组分发生氧化还原作用，破坏染料的发色或助色基团，甚至断链，失去发色能力；大分子物质分解为小分子的中间体，使某些难生物降解的化学物质转变成容易生化处理的物质，提高废水的可生化性。试验结果表明，废水经铁炭床过滤后，BOD5/CODCr由0.33提高至0.54。
　　另外，阳极氧化生成的新生态的Fe²⁺，经石灰乳中和及曝气后，生成的Fe(OH)3是胶体凝聚剂，它的吸附能力高于一般药剂水解法得到的吸附凝聚能力。这样，原有的悬浮物以及通过微电解产生的不溶物和构成色度的不溶性染料均可被其吸附凝聚。
　　由此可见，微电解法处理染料是电化学凝聚—氧化还原反应综合效应的结果。
3.2生物铁作用
　　在曝气池中，Fe(OH)3絮体与微生物絮体协同吸附形成了生物铁活性污泥。生物铁污泥不仅因吸附作用富集了有机物具有较高的代谢活性，而且比普通活性污泥易于沉降、分离。根据溶液中颗粒沉降的斯托克斯定理：V=g(ρ1-ρ2)d²/18μ，要使沉降效果好，只有增大沉降微粒的粒度和增大颗粒密度，而Fe(OH)₃正具有这种作用。因此，曝气池可以维持很高的污泥浓度，比普通活性污泥法高数倍，因其活性污泥浓度高而具有很好的抗冲击能力，对水质多变的染料废水适应性较强，去除效果稳定。

4　结论

　　①利用铁粉和焦炭在水溶液中形成的微电解过程对染料生产废水进行处理，对有机物、色度及Cu的去除效果良好，并可以较大幅度地提高废水的可生化性，为后续生物处理创造了有利条件。
　　②采用铁炭床过滤—好氧处理工艺，经过连续稳定的试验后，其出水可达到：COD＜200mg/L，色度＜100倍，Cu＜1mg/L的排放标准。
　　③铁炭床—好氧处理工艺COD去除率比单纯的混凝沉淀—好氧处理工艺高10%以上。

参考文献：

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收稿日期：2001-01-02