作者:郑晓敏
铁碳微电解技术被认为是有效、廉价、绿色的预处理技术,是大多数高浓度难降解废水预处理的首选技术。微电解技术是将具有不同电极电位的金属或非金属直接浸泡在污染废水中,发生电池效应而形成无数微小的腐蚀原电池,使废水中的电解质污染物通过氧化还原反应,金属阳极被腐蚀而消耗,同时电化学腐蚀反应又会引发一系列连带协同作用:吸附、絮凝和沉淀作用,铁碳微电解法去除污染物是多种作用综合效应的结果。沼液中存在大量带负电荷的胶体,由于碳酸盐体系平衡的存在使其具有较强的缓冲性能,一般方法很难破坏其电荷平衡。然而,运用铁碳微电解技术处理沼液的研究报道较少,其可行性有待研究。
根据以往学者的经验,采用动态床铁碳微电解处理技术有助于解决铁屑结块对反直床堵塞等问题,并可提高处理效率。本试验采用曝气振荡的铁碳微电解技术,研究活性炭对铁碳微电解处理过程的影响及铁碳微电解处理沼液的性能,探讨对沼液NH3-N,COD,P043--P的去除效果,寻找最适试验条件,为沼液达标排放的前端处理技术研究提供理论指导与实验支撑。
1材料与方法
1.1试验材料
供试沼液来自沈阳市某养殖场,静置12 h后取上清液进行水质分析。试验过程中分别以铁粉和活性炭为电极原料。采用NaOH和HC1调节溶液的pH,所用药剂均为分析纯。沼液原液理化性质如表1所示。
1.2试验装置
采用水浴摇床振荡并控制温度,曝气装置控制曝气量,在烧杯中进行模拟试验,调节其pH值,通过微电解破坏胶体特性,进而达到分离的目的。铁碳微电解装置示意图如图1所示。
1.3试验方法
铁粉的预处理:将新购置的铁粉分散铺开置于烘箱中,120℃烘干3 h,放在实验盘中,用保鲜膜密封保存,防止铁粉被空气氧化。
活性炭的预处理:将新购置的活性炭分散铺开置于烘箱中,120℃烘干3h,放在实验盘中,备用。
1.3.1活性炭对铁碳微电解处理沼液的影响
取16个烧杯,平均分成2组,在每组烧杯中分别加入200 mL沼液原液和经稀释一倍的沼液,然后将分别称取的10 g预处理的生物炭加入到每个烧杯中,于20℃,120 r/min的水浴摇床中进行吸附平衡时间试验(30,60,120,180,240,480,600,720 min),待吸附到相应时间后,取出过滤,并测定滤液中污染物的浓度。计算活性炭对沼液污染物的去除率。
初始试验条件:pH值为3;于120 r/min水浴摇床中控制温度为20℃:反应时间为120 min;采取曝气方式:Fe/C质量比为1:1.采用经过循环吸附达到吸附稳定的活性炭,反应体系固液比为20 g 填料:200 mL沼液.对照试验除不含铁粉以外.其它与铁碳微电解试验条件相同,研究活性炭对铁碳微电解处理沼液的影响。
1.3.2铁碳微电解对沼液污染物的去除效果
在初始试验条件基础上,改变各影响因素的大小,计算铁碳微电解对沼液污染物的去除率,从而确定各因素对铁碳微电解工艺处理沼液的去除效果。
1.4分析方法
根据水和废水监测分析方法,采用钼锑抗分光光度法测定P043--P:采用纳氏试剂分光光度法测定NH3-N;采用玻璃电极法测定pH值;采用重铬酸钾法测定化学需氧量(COD)。
2结果与讨论
2.1活性炭对铁碳微电解处理沼液的影响
2.1.1活性炭对沼液的吸附
在铁碳微电解填料加入烧杯的初期,活性炭的吸附起主要作用,当活性炭达到吸附饱和后,铁碳微的电解成为主导作用。图2~4为活性炭对沼液P043--P,NH3-N和COD吸附试验的结果。
由图可知,活性炭对不同浓度沼液的吸附作用存在一定的差异,相比PO43--P和NH3-N,活性炭对不同浓度沼液的COD都具有较高的吸附作用,COD最大去除率为25.3%。在NH3-N含量为510 mg/L沼液中,吸附量一直缓慢增加,在吸附时间为720 min时达到最大值4.349 8 mg/g,而在NH3-N含量为255 mg/L的稀释一倍沼液中,随反应时间的延长达到的最大吸附量为2.392 4 mg/g。对比两种浓度沼液中NH3-N吸附量随反应时间变化的曲线可得出,活性炭对低浓度的沼液具有较高的去除性。观察图2~4,随着反应时间的不断增加,活性炭对两种浓度沼液中3种指标的吸附基本都在120 min达到了吸附平衡,这可能是由于活性炭表面活性吸附位的减少导致吸附作用减弱,即吸附作用基本达到相对稳定的状态。
2 .1.2吸附稳定的活性炭对铁碳微电解处理沼液的影响
采用经过循环吸附达到吸附稳定的活性炭与铁粉构成微电解反应体系,采用1.3.1中的初始试验条件。对照试验除不含铁粉以外,其他条件相同。分别测定3组试验对沼液中P043--P,NH3-N和COD的去除效果,试验结果见图5。
由图5的对比试验可知,经过循环吸附达到吸附稳定的活性炭对沼液的去除效果很弱,去除率均小于3%,可看成是测量误差,忽略不计,而沼液原液及稀释一倍的沼液的去除率是其11~24倍。当循环吸附达到吸附稳定的活性炭与铁粉构成微电解体系时,对沼液污染物的去除效果明显上升。相对于沼液原液,铁碳微电解体系对稀释一倍的沼液处理效果更显著,当沼液原液中的NH3-N去除率为20.85%时,稀释一倍的沼液中的NH3-N去除率则为33.74%。这说明铁碳微电解对低浓度的沼液具有较强的去除效果。
2.2铁碳微电解对沼液污染物的去除效果
2.2.1温度对铁碳微电解处理性能的影响
图6、图7给出了不同温度(15,20,20C)对铁碳微电解去除沼液污染物的影响。试验条件:采用经过循环吸附达到吸附稳定的活性炭,除温度外,其他同初始试验条件,反应完后静置至室温.絮凝沉淀30 min.取上清液测定其成分,比较温度变化对沼液处理效果的影响。
由图可以看出,随着温度的升高,,铁碳微电解对COD的去除率先升再下降,在20℃达到吸附浓度的最大值432.790 6 mg/L,此时的去豫率为30.98%。NH3-N的吸附浓度随温度的升高缓慢增加,在25℃时去除率最大为12.65%,对应的吸附浓度为64.515 2 mg/L。与NH3-N的去除效果不同的是,P043--P随着温度的升高略呈降低趋势,在15 0C时处理效果最好,吸附浓度为39.771 4mg/L,去除率达62.24%。PO43--P的去除率略有降低的原因可能是由于随着温度的升高,沼液中布朗运动加快,阻碍铁碳微电解中微小腐蚀原电池的形成,从而降低了去除率。温度升高,溶解度降低,铁碳微电解还原的N2从沼液中溢出,进而提高了NH3-N的去除率。
2.2.2反应时间对铁碳微电解处理性能的影响
图8、图9给出了不同反应时间(30,60,90,120,150,180,210,240 min)对铁碳微电解去除沼液污染物的影响。试验条件:采用经过循环吸附达到吸附稳定的活性炭,除反应时间外,其他同初始试验条件.反应完后静置至室温,絮凝沉淀30min.取上清液测定其成分.比较反应时间的变化对沼液处理效果的影响。
由图8、图9可知,随着反应时间的增加,铁碳微电解对沼液污染物的去除效果影响不大。整个试验过程中对COD,NH3-N的去除效果都略有上升趋势,对P043--P的去除效果存在小幅度上下波动。在0~120 min,随着反应时间的增加,COD的去除率明显增加,而NH3-N的去除率增长缓慢,在120 min时COD去除浓度达到464.921 6mg/L,去除率为33.28%,此时NH3-N去除浓度为66.861 4 mg/L,去除率为13.11%;反应时间为120—150 min时,COD去除率保持稳定不变,NH3-N去除率也基本保持稳定。随着反应时间的继续增加,COD和NH3-N的去除率均增长缓慢。原因可能在于.试验开始时生成更多的原电池,铁碳微电解反应速度相对较快,在120 min时微电解反应基本完成;反应时间越长,反应越充分,但反应时间过长,会溶出更多的亚铁离子影响测定过程。对于本试验处理沼液,铁碳微电解体系在去除P043--P 30 min后会发生处理能力下降的情况,到90 min时去除能力又陆续回升,120 min之后60 min内去除率增长极为缓慢,基本已达到平衡状态。铁碳微电解工艺对PO43--P的去除率相对较高,去除浓度高达37.899 1 mg/L,去除率高达59.31%。
2.2.3 pH对铁碳微电解处理性能的影响
图10、图11给出了不同pH(l,2,3,4,5,6,7)对铁碳微电解去除沼液污染物的影响。试验条件:采用经过循环吸附达到吸附稳定的活性炭,除pH外,其他同初始试验条件,反应完后静置至室温,絮凝沉淀30 min,取上清液测定其成分,比较pH变化对沼液处理效果的影响。
由图10、图11可知,pH对铁碳微电解处理沼液性能有较大的影响,在pH=3时,P043 --P,
NH3-N去除效果最佳,去除率分别可达68.06%,20.41%;在pH=4时,COD去除效果最佳,去除率为30.54%。P043--P和COD去除效果随pH的增大先明显增强,PO43-P去除效果在pH>3后缓慢降低,而COD去除效果在pH>4后先由小幅度降低最终转变为急剧降低。NH3-N去除率在pH=2~3时快速增加,而后又明显下降。这是由于P043--P的去除,是通过化学沉淀形成磷酸铁的沉淀去除,pH较低,为防止破坏絮凝体而抑制其生成。而且pH过高不利于产生铁离子和亚铁离子,阻碍电极反应,故去除效果较低。总的来说,过高或过低的pH值,铁碳微电解去除COD,P043--P,NH3-N的效果都很不理想,当pH=3时,3者的去除率相对处于最佳状态。
2.2.4 Fe/C质量比对铁碳微电解处理性能的影响
图12、图13给出了不同Fe/C质量比(1:1,1:2,1:3,2:1,3:1)对铁碳微电解去除沼液污染物的影响。试验条件:采用经过循环吸附达到吸附稳定的活性炭,除Fe/C质量比,其他同初始试验条件,反应完后静置至室温,絮凝沉淀30 min,取上清液测定其成分,比较Fe/C质量比变化对沼液处理效果的影响。
由图12、图13可知,Fe/C质量比随着活性炭质量的增大,铁碳微电解体系对沼液PO43--P,
COD和NH3-N去除浓度效果的影响都比较大。Fe/C质量比为1:1时,P043 --P去除率高达
63.19%,Fe/C质量比为1:2时,去除率下降到46.59%。当Fe/C质量比为1:1时,NH3N的去除浓度最高达104.091 1 mg/L,去除率为20.41%,而其他Fe/C质量比对NH3-N去除效果均较差,仅为9%~11%。这可能是因为在Fe/C质量比为1:1时,反应体系中构成的氧化还原反应恰好能达到平衡状态,铁粉被最高效的氧化成铁离子,同时氮元素也被充分还原成N2,从而使去除效果较好。COD的去除率在Fe/C质量比为1:3时最低,仅为18.26%,去除浓度为213.182 2 mg/L,当Fe/C质量比为3:1时,去除率最高达35.06%,去除浓度为489.788 2 mg/L。原因可能在于,Fe/C质量比过低会导致铁碳微电解反应处理沼液负荷过大,从而造成处理COD的效果低下。
3结论
本试验通过铁碳微电解处理沼液技术,研究了活性炭的吸附作用在铁碳微电解中的影响及铁碳微电解处理沼液的性能。试验结果表明:活性炭对沼液中NH3-N,COD和PO43--P有一定的吸附作用,在吸附时间为720 min时,对沼液原液NH3-N的吸附量最高可达4.349 8 mg/g;经过循环吸附达到吸附稳定的活性炭对沼液的去除效果很弱,去除率均小于3%,对试验的影响可忽略不计;相较于沼液原液,铁碳微电解对稀释一倍的沼液COD,NH3-N和P043--P具有较强的去除效果:铁碳微电解对COD,NH3-N和P043--P的去除率分别在20,25,15℃达到吸附浓度的最大值,对应的数值为432.790 6,64.515 2,39.771 4 mg/L;铁碳微电解对沼液的去除效果随着反直时间的变化影响不大;基本均在反应120 min时达到稳定状态:pH变化对铁碳微电解处理沼液性能有较大的影响,过高或过低的PH值,铁碳微电解去除COD,
Po43--P和NH3-N的效果都很不理想,当pH值为3时.3者的去除率相对处于最佳状态:Fe/C质量比为1:1时,P043 --P和NH3-N去除率分别高达63.19%和20.41%,当Fe/C质量比为3:1时,COD去除率最高达35.06%。
4摘要:
通过曝气振荡的铁碳微电解试验,研究活性炭对铁碳微电解处理过程的影响及铁碳微电解处理沼液的性能,以期确定体系最佳运行参数,探讨对沼液NH3-N,COD,P043--P的去除效果。试验结果表明:活性炭对低浓度沼液有一定的吸附性能,但经循环吸附达到吸附稳定的活性炭在铁碳微电解体系中对沼液的去除效果很弱,去除率均小于35%,其影响可忽略不计;相较于沼液原液,铁碳微电解对稀释一倍沼液的COD,NH,-N,P043--P具有较强的去除效果;分别在20,25,15℃时对沼液原液COD,NH3-N,P043--P的去除率达到吸附浓度
的最大值;反应基本均在120 min达到稳定状态;pH值为3时.COD,NH3-N,PO43--P的去除率相对处于最佳状态:Fe/C质量比为1:1时,P043--P和NH3-N去除率分别高达63.19%,和20.41%,当Fe/C为3:1时,COD去除率高达35.06%。