孫華，洪英，高廷耀，夏四清
(同濟大學環境工程學院，上海200092)

　　摘　要：利用鐵炭在水中形成的微電解過程處理染料生產廢水，可以有效地去除色度，提高污水的可生化性，同時對COD也有一定的去除效果。試驗結果表明，當進水COD為1200mg/L時，經鐵炭床—復合反應器處理后，出水COD＜200mg/L，可達到排放標準。該工藝對COD的去除率要比單純的石灰乳中和混凝沉淀—好氧工藝高10%以上。
　　關鍵詞：鐵炭床過濾；染料廢水；復合生物反應器
　　中圖分類號：X703 
　　文獻標識碼：C 
　　文章編號：1000-4602(2001)05-0065-03

　　上海某染料化工廠排放的高濃度酸性染料母液廢水約250m³/d，另有來自于各車間的工藝沖洗水，混合廢水量為7000m³/d。混合廢水中含有多種染料中間體和大量的無機原料及各種水溶性染料，污染物濃度大，色度高，可生化性差，用傳統的生物方法處理不甚理想。在研究過程中，曾用混凝法、氧化法、吸附法等進行了試驗，均未收到理想的處理效果。為此，決定采用具有還原能力的廢鐵屑和焦炭對廢水進行鐵炭微電解處理，以降低色度和提高廢水的可生化性。
　　生物處理是根據懸浮、附著兩種狀態微生物對有機污染物共同作用的機理，提出的一種生物膜法和活性污泥法相結合的處理方法——復合生物反應器，把微電解作為其預處理工藝，實質上是綜合了鐵炭過濾和生物鐵法兩種廢水處理方法的優點，即脫色效果好，生化反應速度快，對有機物的去除率高。

1　試驗流程及材料

1.1試驗水質
　　試驗廢水取自各車間出水的混合廢水，水質見表1。

1.2試驗流程
　　試驗裝置及流程如圖1所示。

　　鐵炭床用長為350mm、直徑為50mm的玻璃管制成，內置鐵屑和焦炭，其體積比為1∶1。生物反應器的直徑為120mm，高為400mm，有效容積為3.65L；填料采用同濟大學開發的懸浮填料，呈圓柱形，直徑為50mm，高為50mm，內有多重葉瓣。體積質量約為0.97～0.98，可直接投加于水中；采用穿孔管曝氣，上部進水，側端出水入二沉池，同時進行污泥回流。原水連續由上至下流經鐵炭過濾柱，出水加入10%的石灰乳調節pH值為8～9，沉淀0.5h后取上清液作為好氧池的進水。
1.3試驗材料
　　試驗用鐵屑來自上海梅園鐵粉廠，為提高其活性加入同量的焦炭。鐵屑濾料共有4種類型：1＃為18目，2＃為40目，3＃為80目，4＃為100目。焦炭取自焦化廠，粒徑約為2～4mm。

2　試驗結果與討論

2.1 鐵炭床過濾結果
　　鐵炭床過濾的主要影響因素是進水pH值、停留時間等。因此，試驗主要從這兩方面進行了研究。
2.1.1 鐵粉目數的影響
　　鐵炭床內分別放入18、40、80和100目等4種鐵粉和相同體積的焦炭，經30min反應后，測pH值，然后加入石灰乳中和，結果見表2。

　　從表2中看出，隨著鐵粉目數的增加，COD的去除率稍微增加，考慮到實際運行時鐵炭床的結塊問題，選用顆粒較大的鐵粉(18目)。
2.1.2 pH值的影響
　　染料廢水pH值對鐵炭床處理效果的影響見圖2。對于同一廢水水樣，在反應溫度、時間等條件相同的情況下，染料廢水微電解脫色效果、COD去除率均隨pH值的升高而降低。因此，對該染料廢水，酸性條件有利于脫色及去除有機物，故直接采用原廢水進行后續試驗。

2.1.3　HRT的影響
　　①HRT與pH值的關系
　　控制廢水與鐵炭的接觸反應時間為2～120min，測定出水的pH值，然后進行混凝沉淀，并取上清液測定色度、COD和Cu的含量，結果見表3、圖3。

　　由表3結果可見，隨廢水與鐵炭濾料接觸時間的延長，出水pH值先急劇上升后接近平穩,基本在6左右。微電解時，隨陰極不斷析出H2，污水中的H+逐漸減少，OH-逐漸加大，當pH升至6.0左右時，就很難再提高。
　　②HRT與處理效果的關系
　　圖3繪出了HRT與色度、COD及Cu去除率的關系。

　　由圖3可見，廢水在反應柱中停留時間的長短，直接關系到對色度、COD及Cu的處理效果，是廢水處理過程中必須控制的重要參數。脫色率隨著停留時間的延長而提高，當停留時間延長到一定值時，脫色率基本保持穩定。當原水為酸性時，增加廢水在反應器內的停留時間有利于提高處理效率，但如此會增大投資和提高運行費用。因此，從綜合效果看，該廢水在反應器內的停留時間以20～40min為好。
2.2微電解法與直接混凝法的處理效果對比
　　表4是鐵炭床過濾再進行中和的效果與直接用石灰乳中和并加PAM進行混凝沉淀效果的比較。

　　從表4可以看出，經鐵炭床—石灰乳中和處理后的出水，COD去除率在45%左右，脫色率可達90%，而同一廢水用單純的石灰乳—混凝沉淀處理時，可以去除一部分COD、Cu和色度，但遠不如鐵炭床過濾，這可能是在微電解過程中電極反應生成的新生態的H能與溶液中的許多組分發生氧化還原反應，破壞了染料分子中的發色或助色基團，達到脫色的目的。另外，新生的Fe²⁺也具有較高的絮凝—吸附活性，能吸附廢水中分散的微小顆粒及有機分子而絮凝沉降下來，使廢水又得到進一步凈化。單純的石灰乳中和混凝沉淀法不具備上述功能，但可以除去懸浮于水中的不溶性染料，所以也有一定的色度去除率。
　　表4還說明，在去除COD和Cu的方面，鐵炭床法也占有優勢。通過鐵炭床—中和處理后出水的BOD₅/CODCr值從0.33提高到0.54，廢水的可生化性提高，這可能是經鐵炭床處理后，染料分子斷鏈變成了較小的分子，而且斷鏈后的產物和一些中間體被處理成較易生化的物質，從而大大地提高了廢水的可生化性，為該廢水進行后續生化處理創造了有利條件。
2.3鐵炭床—復合反應器工藝穩定運行試驗
　　根據確定的運行參數連續運行1個月，對染料廢水進行處理試驗的結果見表5。

　　表5表明，染料廢水經鐵炭床過濾預處理后再進行生物處理，COD去除率達85%左右，BOD去除率達90%以上，色度去除率達84%以上，出水COD接近200mg/L，各項指標均符合排放標準。

3　分析及討論

3.1　鐵炭床過濾機理

　　鐵碳床過濾是基于電化學反應的氧化還原原理，通過增強原電池腐蝕，產生大量新生態的物質還原有機物中的氧化基團，生成物及原先污染物被吸附，形成絮凝物。同時，鐵炭電位差使膠體污染物迅速沉積。溶解的物質進行一系列極為復雜的物理化學反應，生成多種鐵氧體。有些鐵氧體在形成過程中會包絡污染物分子，有些新生態的鐵氧體對膠體的污染物有很好的絮凝作用，鐵氧體本身又是極好的吸附劑，對水中污染物分子起吸附脫除作用。
　　微電解過程中，電極反應產物具有高化學活性，其中新生態的Fe²⁺能與廢水中許多組分發生氧化還原作用，破壞染料的發色或助色基團，甚至斷鏈，失去發色能力；大分子物質分解為小分子的中間體，使某些難生物降解的化學物質轉變成容易生化處理的物質，提高廢水的可生化性。試驗結果表明，廢水經鐵炭床過濾后，BOD5/CODCr由0.33提高至0.54。
　　另外，陽極氧化生成的新生態的Fe²⁺，經石灰乳中和及曝氣后，生成的Fe(OH)3是膠體凝聚劑，它的吸附能力高于一般藥劑水解法得到的吸附凝聚能力。這樣，原有的懸浮物以及通過微電解產生的不溶物和構成色度的不溶性染料均可被其吸附凝聚。
　　由此可見，微電解法處理染料是電化學凝聚—氧化還原反應綜合效應的結果。
3.2生物鐵作用
　　在曝氣池中，Fe(OH)3絮體與微生物絮體協同吸附形成了生物鐵活性污泥。生物鐵污泥不僅因吸附作用富集了有機物具有較高的代謝活性，而且比普通活性污泥易于沉降、分離。根據溶液中顆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顆粒密度，而Fe(OH)₃正具有這種作用。因此，曝氣池可以維持很高的污泥濃度，比普通活性污泥法高數倍，因其活性污泥濃度高而具有很好的抗沖擊能力，對水質多變的染料廢水適應性較強，去除效果穩定。

4　結論

　　①利用鐵粉和焦炭在水溶液中形成的微電解過程對染料生產廢水進行處理，對有機物、色度及Cu的去除效果良好，并可以較大幅度地提高廢水的可生化性，為后續生物處理創造了有利條件。
　　②采用鐵炭床過濾—好氧處理工藝，經過連續穩定的試驗后，其出水可達到：COD＜200mg/L，色度＜100倍，Cu＜1mg/L的排放標準。
　　③鐵炭床—好氧處理工藝COD去除率比單純的混凝沉淀—好氧處理工藝高10%以上。

參考文獻：

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收稿日期：2001-01-02