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染料廢水深度處理臭氧-粉末活性炭技術

 染料廢水是指用苯、甲苯及萘等為原料經硝化、碘化生產中間體,然后再進行重氮化、偶合及硫化反應制造染料、顏料生產過程中排出的廢水。由于生產的染料、顏料及其中間體種類繁多,廢水的性質各不相同。一般分為酸性廢水,堿性廢水。廢水中含酸、堿、銅鋅等金屬鹽、硫化堿等還原劑、氯化鈉等氧化劑以及中間體等。

  染料行業是工業廢水排污大戶,具有廢水量大、有機污染物含量高、色澤深和可生化性較差等特點,據統計正在使用的染料達萬種之多,它們結構復雜、生物可降解性低,大多具有潛在的毒性特征,其中很多染料廢水用常規方法難以達到處理效果。

  目前,國際上染料廢水的處理方法主要有物理法、化學法和生物法等。

  物理處理法中研究較多的有吸附法、膜分離技術、超聲氣振法、高能物理法和萃取法。

  吸附法是物理處理法中應用最多的一種方法,工業上常用的吸附劑有活性炭、活性硅藻土、活化煤、纖維系列、天然蒙脫土以及煤渣等。

  常用的化學法有絮凝沉淀法、化學氧化法、電化學法及光化學氧化法等。

  化學氧化法是目前印染廢水脫色較為成熟的方法,利用各種氧化劑將染料分子中發色基團的不飽和鍵斷開,形成分子質量較小的有機物或無機物,從而使染料失去發色能力。常用的氧化劑有臭氧、氯氧化劑和Fenton試劑等。

  生物處理方法是通過生物菌體的絮凝、吸附或降解功能,對染料進行降解或分離。

  臭氧氧化法具有反應完全、速度快、無二次污染等優點,臭氧對染料廢水色度的去除速率較快,可在極短時間內將廢水中染料分子的發色或助色基團氧化分解,生成小分子量的有機酸和醛類,使顏色得到去除。但臭氧分子的氧化選擇性較高,其產生的少量氧化性能較高的自由基也極容易被生化廢水中的碳酸根等自由基淬滅劑去除;而且直接反應的氧化速度較慢,氧化效率不高,臭氧的氧化特性決定了單獨使用臭氧氧化技術有很大的局限性。

  目前,國外的活性炭吸附多用于深度處理。該方法對處理水中的溶解性有機物非常有效。吸附法是利用吸附劑對廢水中污染物的吸附作用去除污染物,吸附劑是多孔性物質,具有很大的比表面積,活性炭是目前最有效的吸附劑之一,是由動物性炭、木炭、瀝青炭等含炭為主的物質經高溫炭化和活化而成,活性炭具有很大的比表面積,在水處理工業中有著廣泛應用,至今仍是廢水脫色的最好吸附劑,能有效地去除廢水的色度和COD。印染廢水具有較大的色度以及COD值,單獨使用活性炭處理的印染廢水常常不能達到排放標準?;钚蕴刻幚砣玖蠌U水在國內外都有研究,但大多數是和其他工藝耦合,其中活性炭吸附多用于深度處理或將活性炭作為載體和催化劑,單獨使用活性炭處理較高濃度染料廢水的研究很少,而且活性炭價格貴。

  酸性紅是一種化學物質,分子式是C20H12N2Na2O7S2。別名:偶氮玉紅;二藍光酸性紅,是通過重氮化4-氨基萘磺酸和4-羥基萘磺酸之間的偶合反應制得,屬于一種食用紅色素,具有酸性染料的特性。

  本研究中以某印染廠含有酸性紅的染料廢水為來源,經初步混凝、生化沉淀的一體化裝置處理后,采用臭氧-粉末活性炭對染料廢水進行深度處理,考察不同反應時間、臭氧投加量、粉末活性炭投加量、pH值對于此種染料廢水的色度及COD去除率的影響。

  1、材料與方法

  1.1 廢水來源及水質

  本研究的染料廢水來源于某家印染廠,該廠排放的廢水含有大量的偶氮染料酸性紅,偶氮染料是印染工藝中最廣泛的一類合成染料,用于多種天然和合成纖維的染色和印花,也用于油漆、塑料、橡膠等的著色。在特殊條件下,它能分解產生20多種致癌芳香胺,經過活化作用改變人體的DNA結構引起病變和誘發癌癥。

  該印染廠區生產排放的廢水進入污水站,經初步混凝和生化沉淀一體化裝置處理后,取一體化裝置出水按一定比例投加酸(鹽酸)、堿(氫氧化鈉)均勻混合成不同pH值范圍內的廢水,具體水質見表1。

1.2 實驗設備、材料及檢測方法

  實驗設備采用濟南思達科臭氧發生器,型號SDK-A-500,臭氧產量為50g/h,臭氧投加濃度0~300mg/L,采用200目優質粉末活性炭,物化性質為:表面積1050~1200m2/g,碘值1000~1150mg/g,水分含量5%~8%。采用禹州迪博牌小型板框壓濾機,型號BAM4/450-30U,過濾面積4m2,過濾壓力0.6MPa。

  水質檢測指標主要有COD、pH值、色度等,采用TR-208B便攜式COD測定儀(深圳同奧科技),HI98103筆式酸度計(青島路博偉業)。色度的測定方法采用稀釋法。

  1.3 具體實驗方法

  1.3.1 最佳反應時間的確定

  取1L的燒杯若干個,注入一體化裝置出水,通過臭氧發生器投加臭氧,投加量為100mg/L,在反應時間分別為10、20、30、40、50、60min的條件下,取1/2出水,靜置1h用于分解水中殘余臭氧。測定COD和色度。

  在上述臭氧氧化處理后的廢水中加入粉末活性炭100mg/L,燒杯中持續攪拌使炭水充分接觸,在反應時間分別為10、20、30、40、50、60min的條件下,取1/2出水,待炭層自然沉淀后,取上層清液,測定COD和色度。

  通過上述實驗,根據去除效果確定最佳反應時間。

  1.3.2 最佳反應pH值的確定

  自制一套處理能力為100L/h的深度處理裝置,具體工藝流程圖如圖1。工藝流程為:以1.1中所述的不同pH值下的酸堿染料廢水為來源,分別將進水的pH值調至4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0,注入進水池中,經提升泵提升至臭氧投加池,此處通過臭氧發生器投加臭氧,投加量為100mg/L,隨后廢水進入到臭氧反應池(停留時間為30min),此處進行臭氧氧化分解反應,反應時間為30min,隨后進入粉末活性炭投加池,此處通過計量給料機投加,粉末活性炭投加量為100mg/L,隨后進入粉末活性炭吸附池(停留時間為40min),進行有機污染物的吸附,反應時間為40min,炭水混合物經泵輸送到板框壓濾機脫水,經炭水分離處理后的廢水排出,廢炭現場收集后外運處置。分別對上述7組實驗的板框壓濾機出水口取出水測定COD、色度值。根據去除效果,得出臭氧-粉末活性炭聯合深度處理的最佳pH值。

1.3.3 不同加藥量對處理效果的影響

  在上述最佳pH值(pH值=9.0)條件下,分別采用臭氧投加量為:50、100、150、200、250、300mg/L,臭氧氧化池停留時間為30min,粉末活性炭投加量為100mg/L,分別對上述6組實驗的板框壓濾機出水口取出水測定COD、色度值,根據去除效果得出最佳臭氧投加量。同時,采用臭氧投加量100mg/L,粉末活性炭投加量50、100、150、200、250、300mg/L,分別對上述6組實驗的板框壓濾機出水口取出水測定COD、色度值,根據去除效果得出最佳粉末活性炭投加量。

  2、結果分析

  2.1 最佳反應時間的確定

  不同的反應時間下,臭氧-粉末活性炭工藝對相同濃度酸性紅染料廢水的COD及色度去除率,如圖2所示。

由圖2可見,隨著反應時間的增加,采用臭氧氧化和活性炭吸附法,廢水COD去除率均呈上升趨勢,臭氧氧化法在反應時間達到30min時達到穩定,COD去除率為43%,30min后隨著時間增加,去除率增長緩慢。同時,粉末活性炭吸附法在反應時間達到40min時達到穩定,COD去除率為87%,40min后隨著時間增加,去除率增長緩慢。

  因此,可以確定30min為臭氧氧化的最佳反應時間,40min為粉末活性炭吸附的最佳反應時間。以下的研究均以此反應時間來進行。

  2.2 最佳pH值的確定

  不同的pH值條件下,臭氧-粉末活性炭工藝對相同濃度酸性紅染料廢水的COD及色度的單獨去除率和整體去除率,如圖3~圖6所示。

據文獻所述,在酸性條件下,臭氧主要依靠O3分子氧化,在堿性條件下,主要依靠·OH的氧化作用,因·OH的氧化性強于O3,偏堿性條件更有利于臭氧進行氧化反應;但隨著pH值的持續升高,臭氧分子的分解速率會加快,從而導致臭氧氧化效率降低,因此臭氧氧化反應的最佳pH值范圍取7~10為宜。

  粉末活性炭吸附能力和吸附速度是衡量吸附過程的主要指標。吸附能力的大小是用吸附量來衡量的?;钚蕴康奈侥芰εc活性炭的孔隙大小和結構有關,顆粒越小,孔隙擴散速度越快,活性炭的吸附能力就越強;污水的pH值對活性炭的吸附也有一定的影響,據文獻分析,活性炭在酸性條件下比在堿性條件下有較高的吸附量。

  由圖3、4可見,隨著pH值的升高,臭氧氧化對廢水COD的單獨去除率逐漸升高,在pH值=9之后逐漸趨于平緩;COD去除率穩定在64%,同時隨著pH值的升高,粉末活性炭吸附對廢水COD的單獨去除率逐漸降低,但在pH值=4~5之間,下降較平緩,COD去除率穩定在88%。臭氧氧化-粉末活性炭聯合處理的整體COD去除率呈上下波動趨勢,在pH值=9時達到峰值,整體去除率為92.8%。

  對于色度的去除,由圖5、6可見,隨著pH值的升高,臭氧氧化對廢水色度的單獨去除率逐漸升高,在pH值=10時去除率達到72.5%;同時隨著pH值的升高,粉末活性炭吸附對廢水色度的單獨去除率逐漸降低,但在pH值=5~6之間,下降較平緩,色度去除率穩定在88.6%。臭氧氧化-粉末活性炭聯合處理的整體色度去除率呈上下波動趨勢,在pH值=8~9時達到峰值,色度整體去除率為95.83%。

  2.3 加藥量對去除效果的影響

 由圖7可見,在粉末活性炭加藥量(100mg/L)維持不變的前提下,隨著臭氧投加量的增大,臭氧氧化對廢水COD的單獨去除率逐漸升高,在臭氧加藥量達到200mg/L時趨于平緩;COD去除率穩定在68%,同時隨著臭氧投加量的升高(粉末活性炭加藥量不變),粉末活性炭吸附對廢水COD的單獨去除率呈緩慢上升的趨勢,在臭氧加藥量為300mg/L時,粉末活性炭對COD的單獨去除率達到了81.5%。這可能是由于臭氧氧化反應引起了廢水中酸度的增加,而粉末活性炭在偏酸性的條件下吸附能力將會增強,臭氧濃度越高,產生的酸度就越高,更有利于粉末活性炭對有機污染物的吸附作用,因此雖然自身的加藥量不變,其單獨COD去除率仍然會有緩慢的上升。

由圖8可見,在臭氧加藥量(100mg/L)維持不變的前提下,隨著粉末活性炭投加量的增大,粉末活性炭對廢水COD的單獨去除率逐漸升高,在加藥量達到250mg/L時趨于平緩;COD去除率穩定在90%。

  根據目前國內的研究結果,在應用臭氧氧化技術處理印染廢水的過程中,廢水的COD和色度去除效果隨單位時間內臭氧用量的增加而提高。這是因為隨著單位時間內反應體系中臭氧用量的增加,氣態臭氧向廢水中溶解態臭氧擴散的傳質速率提高,使廢水中溶解的臭氧濃度提高,參與氧化降解廢水中有機污染物反應的臭氧分子數增加,從而增強了廢水的處理效果。

由圖9可見,在粉末活性炭加藥量(100mg/L)維持不變的前提下,隨著臭氧投加量的增大,臭氧氧化對廢水色度的單獨去除率逐漸升高,在臭氧加藥量達到250mg/L時趨于平緩;色度去除率穩定在90%,同時隨著臭氧投加量的升高(粉末活性炭加藥量不變),粉末活性炭吸附對廢水COD的單獨去除率呈上下波動的趨勢,在臭氧加藥量為100mg/L時,粉末活性炭對色度的單獨去除率達到了峰值,為85.7%,說明廢水酸度的增加對于粉末活性炭的脫色作用并無明顯的影響。

由圖10可見,在臭氧加藥量(100mg/L)維持不變的前提下,隨著粉末活性炭投加量的增大,粉末活性炭對廢水色度的單獨去除率逐漸升高,在加藥量達到250mg/L時趨于平緩;色度去除率穩定在94%。

  3、結論

  (1)對于此種含酸性紅偶氮染料的廢水處理,采用臭氧氧化-粉末活性炭深度處理工藝,對于COD和色度的去除有顯著效果。實驗結果表明,為達到最好的去除效果,該工藝的最佳反應時間為:臭氧氧化30min,粉末活性炭吸附40min。

  (2)隨著pH值的升高,臭氧氧化對廢水COD、色度的單獨去除率均逐漸升高,在pH值=9之后逐漸趨于平緩;同時隨著pH值升高,粉末活性炭吸附對廢水COD、色度的單獨去除率逐漸降低,臭氧氧化-粉末活性炭聯合處理的整體COD、色度去除率呈上下波動趨勢,兩種去除率均在pH值=9時達到峰值,確定本工藝處理此種廢水的最佳pH值條件為pH值=9。

  (3)在粉末活性炭加藥量維持不變的前提下,隨著臭氧投加量的增大,臭氧氧化對廢水COD、色度的單獨去除率均逐漸升高,在臭氧加藥量達到250mg/L時趨于平緩;在臭氧加藥量維持不變的前提下,隨著粉末活性炭投加量的增大,粉末活性炭吸附對廢水COD、色度的單獨去除率均逐漸升高,在活性炭加藥量達到250mg/L時趨于平緩;根據此實驗結果可按照實際需要確定最佳加藥量。

  (4)采用臭氧-粉末活性炭聯合深度處理染料廢水的工藝,可有效調節和控制加藥量、pH值、反應時間等因素,可最大程度的降低投資成本以及運營成本,本工藝具有較高的可行性。(來源:.涿州市環境保護局,湖北君集水處理有限公司)

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