铁碳内电解处理山核桃加工废水试验研究

中国环境学会  2011年 06月22日

  肖继波1,2, 张阁尧1, 王汉道3, 单胜道1

  (1. 浙江林学院环境科技学院,浙江 临安 3113002. 南京林业大学工业学院,江苏 南京 2100373. 广东轻工职业技术学院食品与生物工程系,广东 广州,510640)

   

    要:采用铁碳内电解工艺对山核桃加工废水进行预处理,在铁屑和活性炭体积比为11,考察pH和水力停留时间对废水CODCrNH3-N去除效果的影响,探讨铁碳内电解对废水可生化性及厌氧处理效果的影响.结果表明,pH3HRT1.5h,CODCrNH3-N的去除率分别达77%97.6%;废水经铁碳内电解处理后,大部分污染物质结构发生改变,BOD5/CODCr比值由0.14上升到0.31,可生化性显著提高,更适于采用厌氧处理.

 

  关键词:山核桃废水;铁碳内电解;pH;水力停留时间;可生化性

   

  Pretreatment research of hickory nut manufacturing wastewater by iron internal electrolysis process

  XIAO Ji-bo 1,2, ZHANG Ge-yao1, WANG Han-dao3, SHAN Sheng-dao1

  (1. School of Environmental Technology, Zhejiang Forestry College, Lin’an 311300, China2. College of Wood Science and Technology, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China3. Department of Foodstuff and Biological Engineering; Guangdong Light Industry College, Guangzhou 510300, China)

  AbstractThe hickory nut manufacturing wastewater was pretreated by iron internal electrolysis process. The effects of pH value and Hydraulic Retention Time (HRT) on CODCr and NH3-N removal efficiency were investigated under the condition of that the volume ratio of Fe and C was fixed to 1: 1. The effects of biodegradability and anaerobic treatment were also researched. The results showed the removal rate of CODCr above 50% and the removal rate of NH3-N was above 70%. The structure of a majority of pollutant is changed, and BOD5/CODCr ratio of the pretreated wastewater increased from 0.14 to 0.31 by iron internal electrolysis pretreated. The pretreated wastewater was much more treated by anaerobic treatment process.

  Key wordshickory nut manufacturing wastewater; iron internal electrolysis; pH; HRT; biodegradability

   

  山核桃是浙江省临安市的农业支柱产业,其加工废水主要产生自蒸煮工序,废水水量由实际生产情况而定,一般每生产200kg山核桃产生0.5m3废水;且山核桃的生产加工具有一定的间歇性,生产周期为当年9月至次年3.由于其水量较小,CODCrNH3-N浓度高,生化处理效果有限,且山核桃加工厂较多而分散,这些均给该类废水的实际工程处理带来了较大的难度,目前尚未采取有效的处理措施.

  内电解是基于金属电化学腐蚀原理并被广泛研究与应用的一项废水处理技术[1].主要用于处理难生物降解的废水,如造纸[2,3]、染料[4,5]、农药[6]、医药[7]、化工[8]及重金属废水等[9,10].本实验针对浙江省临安市某食品厂山核桃加工废水,在大量实验室研究基础上,采用铁碳内电解方法对其进行预处理,探讨pH、水力停留时间(HRT)对内电解处理效果的影响,以及铁碳内电解对废水可生化性的影响,初步研究铁碳内电解提高山核桃加工废水可生化性的机理,以期为该类废水的大规模处理和整治提供参考和借鉴.

 

  1  材料与方法

 

  1.1  材料

  实验废水取自浙江省临安市某食品有限公司污水排放口.CODCr约为17000mg·L-1,BOD5约为2300mg·L-1,NH3-N约为2000mg·L-1.

  厌氧污泥为浙江临安城市污水处理厂经带式压滤机脱水后的剩余活性污泥.

 

  1.2  实验装置与方法

  铁碳内电解实验装置见图1.铁碳床尺寸为15cm×15cm×80cm,自下往上依次充填1cm铁屑和1cm椰子壳活性炭,填充高度为60cm,活性炭粒径为0.5-2mm,装填前采用原水浸泡24h以消除活性炭吸附的影响;铁屑先用10%NaOH浸泡三遍,每次3h,再用1%的稀盐酸浸泡30min,最后清洗至中性;装置底部进水,并采用砂芯曝气头曝气,连续运行;沉淀池内采用NaOH调节pH值为9,经沉淀后排放.

  内电解前后废水的厌氧效果比较实验中,13的体积比将厌氧污泥和废水加入10L的玻璃瓶中,搅拌,24h取水样测定废水的CODCr.

  内电解处理前后废水紫外-可见光谱扫描实验中,取山核桃加工废水原水及pH值为3HRT1.5h的内电解出水,均稀释100,0.1μm滤膜过滤后,采用UV1100紫外可见分光光度计进行波长扫描.

 

  1.3  分析方法

  CODCr采用重铬酸钾法测定;NH3-N采用纳氏试剂分光光度法测定;BOD5采用美国HACH BODTrak 生化需氧量分析仪测定.

 

  2  结果与讨论

 

  2.1  pH对铁碳内电解处理效果的影响

  实验固定HRT1.5h,严格控制pH值为1.02.03.04.05.0,以考察pH对铁碳内电解处理山核桃加工废水的影响.pH值升高,CODCr去除率总体呈下降趋势,pH值为3,CODCr去除率最高,16576mg·L-1降低至3813mg·L-1,去除率为77.0%(表1);pH值为5,CODCr去除率最低,但也降低至5408mg·L-1.NH3-N去除率在pH值为1时最低,1964.5mg·L-1下降为167.1mg·L-1,去除率为91.5%pH值为2345时均可获得95.0%以上的去除率;和CODCr去除率相一致,pH3,NH3-N去除率最高,1929.4 mg·L-1降低至45.9 mg·L-1,去除率为97.6%.由此可见,铁碳微电解预处理山核桃加工废水的最佳pH值为3.0.

  1  不同pH值条件下山核桃加工废水的预处理效果

  Table 1  The treatment effect of micro-electrolysis system with different pH value

  pH

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

CODCr

进水/mg·L-1

16602

16847

16576

16960

16896

出水/mg·L-1

4215

4343

3813

4768

5408

去除率/%

74.6

74.2

77.0

71.9

68.0

NH3-N

进水/mg·L-1

1964.5

1979.5

1929.4

1997.1

2038.2

出水/mg·L-1

167.1

51.2

45.9

69.4

101.8

去除率/%

91.5

97.4

97.6

96.5

95.0

  在强酸条件下,铁离子酸溶出占主导地位,而铁屑的电化学作用相对较弱;同时铁离子酸溶出的产氢速率较大,形成了氢气对铁屑的包裹作用,阻碍了液相有机污染物与铁屑固相表面的有效充分接触,而有机物的微电解降解一般都是在固相表面发生反应[11],pH较低时CODCr的去除相对较低;在适宜的pH条件下(pH3),铁屑本身的微观原电池和铁炭宏观原电池作用得到有效发挥,同时铁离子酸溶出干扰得到降低,Fe2+更易与溶解氧发生氧化还原反应,进一步促进了铁炭微电解作用,强化了有机污染物的降解[12];此后随pH的继续升高,氢离子的反应动力逐渐减弱,电化学反应也相应减弱,CODCr去除率相应有所降低.废水中氨氮的去除可能是由于电化学过程中形成的Fe(OH)2Fe(OH)3的絮凝沉淀作用所致[7].

  山核桃加工废水主要产生自山核桃高温蒸煮过程,其含有大量的蛋白质、脂肪、糖类等物质,极易厌氧酸化,酸化后pH值在4-5之间.pH4-5CODCrNH3-N可降至4768mg·L-1-5408mg·L-195.0mg·L-1- 96.5mg·L-1之间,其去除率分别为68.0%-71.9%95.0%-96.5%.表明山核桃加工废水经短时间水解酸化后不用调节pH,亦可采用铁碳内电解工艺处理,从而可节省大量的pH调节费用.

 

  2.2  HRT对铁碳内电解处理效果的影响

  固定pH值为3.0,调节进水HRT分别为0.5h0.75h1h1.5h2h,以考察HRT对铁碳内电解处理山核桃加工废水的影响,实验结果见表2.由表2可见,随反应时间的增加,废水CODCr的去除率相应增加,HRT1.5h时达到最大值,77.6%;当HRT增加至2h,CODCr去除率反而降低至67.4%.废水中NH3-N浓度的变化和CODCr的变化情况一致,也在HRT1.5h时其去除率达到最大值,97.5%NH3-N含量从1937.3mg·L-1降低至48.2mg·L-1,废水中NH3-N基本得到去除,消除了高浓度NH3-N对废水后续生化处理的影响.由此可以确定,铁碳内电解预处理山核桃加工废水的最佳停留时间为1.5h.

  2  不同HRT条件下铁碳内电解对山核桃加工废水的处理效果

  Table 2  The treatment effect of micro-electrolysis system with different HRT

  pH

0.5

0.75

1.0

1.5

2.0

CODCr

进水/mg·L-1

16549

16850

16715

16764

16638

出水/mg·L-1

5801

5526

4237

3759

5429

去除率/%

64.9

67.2

74.7

77.6

67.4

NH3-N

进水/mg·L-1

1941.8

2079.6

1984.9

1937.3

1968.6

出水/mg·L-1

323.5

314.7

138.8

48.2

143.5

去除率/%

83.3

84.9

93.0

97.5

92.7

 

 

  2.3  铁碳内电解对废水可生化性的影响

  为了解内电解处理后山核桃加工废水的可生化性,HRT1.5hpH3的条件下内电解出水及原水,投加适量微量元素,采用稀释接种法测试废水的BOD5,并计算其BOD5/CODCr,结果见表3.山核桃加工废水经铁碳微电解处理后,BOD5/CODCr比值由原来的0.14上升到0.31(表3,废水的可生化得到显著提高,可生化性较好.

  3  内电解前后废水的BOD5/CODCr

  Table 3  BOD5 /CODCr of wastewater from fore-and-aft micro-electrolysis system

   

CODCr/mg·L-1

BOD5/mg·L-1

BOD5/CODCr

原水

16764

2348

0.14

内电解出水

3759

1165

0.31

   

  山核桃加工废水的内电解处理过程中,铁屑溶解产生的氧化还原反应,以及铁碳体系的原电池反应,打断了废水中难以生化降解的大分子有机物的分子链,从而转变为分子量相对较小的有机物,并可氧化还原某些有机物,使一些难生物降解的有机物转化为易生物降解有机物,使得废水的可生化性得以较大幅度的提高.

 

  2.4  内电解前后废水的厌氧处理效果比较

  山核桃加工废水原水和内电解出水均表现出了良好的厌氧处理性能(图2.原水随反应时间的增加,CODCr降低幅度明显,4d,CODCr12580mg·L-1降为5430mg·L-1,CODCr去除率为56.8%;6d时降至3562mg·L-1,CODCr去除率达71.7%.内电解出水经1d的厌氧处理后,CODCr3182mg·L-1降低为1271mg·L-1,2d时降至654mg·L-1,CODCr去除率达79.4%,此后随时间的延长,降低幅度不明显.

  山核桃加工废水原水和内电解出水均能获得较好的厌氧处理效果,说明对于一些水量较小的山核桃加工企业在进行厌氧处理时,HRT尽可能设计长点.对于废水产生量较大的企业,为节省投资费用,可采用铁碳内电解预处理后,再进行厌氧处理. 

 

  2.5 内电解前后废水中有机物的紫外吸收特性

  铁碳内电解处理前后山核桃加工废水的紫外-可见光谱见图3.由图3可见,原水在274nm处有一吸收峰;经铁碳内电解处理后,274nm处的吸收峰明显降低,并发生蓝移,说明此处存在紫外吸收的大部分物质经内电解处理后,其结构发生改变.进一步说明原水在厌氧前期阶段(1dCODCr降低不明显,经铁碳内电解处理后大部分物质结构发生转变[13],厌氧处理效果较好.

 

  3  结论

 

  1)采用铁碳内电解工艺对山核桃加工废水进行预处理,在铁碳体积比11,及最佳pH3HRT1.5h的条件下,CODCrNH3-N分别由16576 mg·L-11929.4 mg·L-1降低至3813mg·L-145.9mg·L-1,去除率分别为77%97.6%.pH1-5之间变化时,CODCrNH3-N的去除率分别为68.0%-77.0%91.5%-97.6%之间.

  2)山核桃加工废水经铁碳内电解处理后,其可生化性显著提高,BOD5/CODCr比值由0.14上升到0.31;原水及内电解出水均可采用厌氧处理,但经内电解预处理后厌氧处理效果更好.

  3)铁碳内电解预处理山核桃加工废水对氨氮的去除效果极为显著,消除了直接厌氧带来的高浓度氨氮对后续生化处理的影响,大大降低了废水CODCr浓度,采用铁碳内电解+厌氧生物处理+好氧生物处理的组合工艺处理山核桃加工废水是可行的.

   

  参考文献:

  蒋金勋,张佩芳,高满同.金属腐蚀学 [M]. 北京:国防工业出版社, 1986.21-24.

  孙友勋,毕学军,赵建夫.催化内电解法处理麦草浆造纸生化处理出水 [J]. 中国给水排水, 2008,24(13):92-95.

  任拥政,章北平,张晓昱,.铁炭微电解对造纸黑液的脱色处理 [J]. 水处理技术, 2006,32(4):68-70.

    ,季俊杰,徐乃东,.铁炭流化床预处理染料废水研究 [J]. 中国给水排水, 2001,17(8):6-9.

  师佳慧,龚文琪.内电解法处理偶氮染料废水 [J]. 化工环保, 2007,27(2):149-151.

  张树艳,程丽华,曹为祥.铁炭微电解处理农药废水的研究 [J]. 化学工程师, 2004(9):35-37.

  鲍立新,李建政,  ,.铁碳内电解法预处理安普霉素生产废水 [J]. 哈尔滨工业大学学报, 2007,39(6):883-886

    ,李彦锋,于凤刚.内电解技术对高浓度化工废水的预处理 [J]. 环境工程, 2008,26(3):45-47.

  陈英杰,丁希楼,唐胜卫,.铁炭内电解处理含铬废水的工艺改进 [J]. 工业用水与废水, 2006,37(6):48-54.

    ,梁振驹,李红进.铁屑内电解法处理PCB络合废水 [J]. 水处理技术, 2008,34(6):84-86.

  Seunghee Choe, Yoon-Young Chang, et al. Kinetics of reductive denitrification by nanoscale zero-valent iron [J]. Chemosphere, 2000, 41: 1307-1311.

  张良金.铁碳微电解处理高浓度难降解有机废水实验研究和工程应用 [D]. 重庆:重庆大学城市建设与环境工程学院, 2007.

    ,  ,  ,.内电解预处理提高酵母废水可生化性机理研究 [J]. 科学通报, 2009,54(9):655-661.

  

 
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