城镇生活污水高效化学处理技术研究

第34卷.第?期环纯科学与技术Vol. 34 No.72011年7月~Environmental Science & Technologyjul. 201魏基业,刘明庆,陈英文,等城镇生活污水高效化学处理技术研究[]环境科学与技术, 2011, 34():6 9. WeiJi-ye, Liu Ming -qing, Chen Ying -wen, et al.A bench- -scaled experiment for treating municipal sewage by fficient chemical method{[J]. Environmental Science & Technology, 2011, 34(7):6-9.城镇生活污水高效化学处理技术研究魏基业1，刘明庆'，陈英文'， 祝社民"，沈树宝 1°(1.南京工业大学国家生化工程技术研究中心,江苏南京210009; 2.南京工业大学材料科学与工程学院,江苏 南京210009)摘要:采用高效化学 方法对生活污水进行处理,达到快速处理并回用的目的。实验结果表明微电解的最佳反应条件为:微电解材料为铸铁屑,铁炭比2:1,pH 4,反应时间80 min,COD去除率达到53.1%。Fenton 氧化的最佳反应条件为:pH 3,反应时间60 min,过氧化氢的加人量0.08%(体积分数),COD去除率达到79.3%。经过后续混凝、化学脱氮等步骤,污水水质达到城市污水再生利用城市杂用水水质(B/T18920- -2002)要求。关键词:微电解; Fenton 氧化;生活污水中图分类号:X703文献标志码:A doi: 10.9/.is.100- 6504.2011.07.002文章编号:1003- 65042011)07- 0006 -04A Bench- -scaled Experiment for Treating Municipal Sewage byEfficient Chemical MethodWEI Ji-ye'，LIU Ming- qing'，CHEN Ying- -wen'，ZHU She -min?，SHEN Shu -bao*( 1.National Research Centre for Bio-chemical Engineering Techniques , Nanjing University of Technology, Nanjing210009, China; 2 CollegeofMaterial Science and Engineering, Nanjing University ofTechnology, Nanjing21009, China)Abstract: The experimental study is intended to develop an effcient chemical sewage treatment process that can lead to abetter efluent quality with a shorter time than the conventional process. From the study, optimum reaction condition for themicro -clectrolysis, and for Fenton oxidation was obtainedrespectively. Coagulation and chemical de -nitrification thatfollowed micro- electrolysis and Fenton oxidation eventually produced the water of good quality that meet the requirement ofreclaimed water for miscellaneous uses in the urban areas.Key words: micro-electrolysis; Fenton oxidation; municipal sewage微电解技术是指零价金属与惰性电极在废水中活污水处理后回用具有很高的技术可行性和社会价形成原电池,依靠零价金属的还原作用,混凝吸附作值。针对目前生活污水处理普遍存在的问题:基建费用",电化学反应的氧化还原作用2对废水进行处理的用高，占地面积大,处理时间长，受外部环境影响大技术。铁由于价格低廉易得,作为微电解材料已经在的缺点。本课题组采用以微电解-Fenton 氧化为主要染料、印染、农药、制药叫等工业废水的预处理中有了步骤的化学方法对生活污水进行处理,达到快速处理广泛的应用。乔俊莲等145利用刨铝花作为微电解材料并回用生活污水的目的。处理印染废水也取得了较好的效果。Fenton氧化是指由H2O2和Fe*的结合,二者反应1实验部分生成氧化能力很强的.OH自由基,可以氧化水中大多1.1 废水的水质数有机物,能将大分子有机物降解为小分子有机物或实验污水来自南京市某污水处理厂, 污水的水质完全矿化回，具有操作简单、反应迅速,且无二次污染如表1所示。等优点"。生活污水具有污染来源简单,污水可生化性1.2 生活污水处理流程好,处理难度较小的特点,从技术和成本角度考虑,生生活污水处理流程如图1所示:生活污水经过隔《环境科学与技术)编辑部:(网址):p:s/chinajuma net.en(电话)027- 87643502(电子信箱中国煤化工收稿日期:2010- 07-01;修回2010-09 -20基金项目:国家自然科学基金项目资助( 50872052);国家高科技研究发展计划(863)基金项TYHCNM H G污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07101-003- -02-05);江苏省环保科研课题(2009002)作者简介:魏基业(1985-),男,硕士研究生,主要研究方向为污水处理及回用,(电子信箱)ii/e3496@63.com;*通讯作者,(电话)025-83587349(电子信箱)zsbshen@126.com.第7期魏基业,等城镇生活污水高效化学处理技术研究栅去除大颗粒固体之后进人废水调节池,用硫酸调节液时，铸铁屑自身可以构成-一个完整的微电池回路,pH进入微电解反应柱。微电解出水调pH后进入形成无数个腐蚀微电池;而在铸铁屑中再加人活性碳Fenton氧化反应器，以微电解反应产生的Fe*作为催颗粒时,铁屑与碳颗粒接触形成外部原电池,加速铸化剂催化过氧化氢分解产生.OH。氧化出水经通过加铁屑的腐蚀图;并且铸铁屑表面粗糙,比表面积较大，人氢氧化钙调pH至8~10并加人0.3%o的聚丙烯酰胺形成原电池的数量也相对较多,因此微电解材料选用(PAM)进行混凝。混凝沉淀后的上清液通过折点氯化铸铁屑。法进行脱氮处理,出水一-部分作为微电解柱的反冲洗2.2 最佳铁炭比的确定水,剩余的作为杂用水回用。以微电解和Fenton氧化原水pH调至4,反应时间为120min,考察不同两个主要步骤作为研究对象,并对其参数进行优化。铁炭比对微电解效果的影响，实验在烧杯中进行,实表1污水水质验结果如图3所示。Table 1 Quality of the untreated wastewater, Fe:C=1:1 干Fe:C-1:2指标COD BOD3 悬浮物 磷酸盐 氨氮 总大肠菌群。50- Fe:C-1:3 ./mg'L+' /mg*L+ /mgL+ /mg*L-' /mgL1 1个L含量150-350 60~150 120-150 5~6， 20~35 100 -150研4(反冲排水答3(生活污闲一厢图一调节池二微电解国一通节酒-2(反冲进水1(2060min8010120出水-情水池一化学脱佩池一混凝沉淀8-Faro氧化反应图」图1工艺流程图3铁炭比对COD去除率的影响Fig.1 Process flow diagramFig.3 Influence ofFe/C on the removal rate ofCOD.3 水质测定方法结果表明:铁炭比对污水的处理效果影响显著，COD的测定方法:重铬酸钾法;氨氮的测定方在铁炭比为2: 1或者1 : 1的时候COD的去除率最法:纳氏试剂比色法;固形物的测定方法:重量法;磷高,均能达到56%以上。铁炭比过高或者过低都会导酸盐的测定方法:钼锑抗分光光度法;五日生化需氧致原电池的数量不足,电极反应速率下降,对污水的量(BOD,)的测定方法:稀释与接种法;总大肠杆菌处理效果也会明显下降。铁炭比选定为2: 1。群:多管发酵法。2.3pH对微电解反应的影响2结果和分析在铁炭比为2: 1的情况下，反应时间定为120min,设定6个不同的反应pH,分别为2.3.4、5.6、7,2.1微 电解材料的选择在pH4,反应时间120min,惰性电极为活性炭考察不同pH对COD的去除率的影响。所得结果如的条件下对四种微电解材料进行考察,实验结果如图图4所示。60 r2所示。士H850- pH740常303 200100 120ot/mi铸铁屑还原性铁粉 废铝屑磁铁矿图4pH对COD的去除率的影响图2微电解材料对COD去除率的影响Fig.4 Influence of pH on the removal rate of CODFig.2 Influence of micro-electrolysis materialson the removal rate ofCOD结果表明:微电解的效果随着pH升高而逐渐降由图2可以看出，在相同的条件下铸铁屑-活性低,pH在2-中国煤化工去除效果,COD炭的微电解效果最好,在进水COD为250 mg/L的时去除率都在MYHCNMHG对候COD去除率候，出水COD值可以降至109 mg/L,COD去除率为达到最大值为58%。微电解过程中,溶液的pH值对析56.5%。铸铁屑是纯铁和碳化铁的合金,浸没在废水溶氢电位有较大的影响,进水的pH越低,发生析氢腐蚀8环陀升学与技术第34卷的速度越快。另-方面,降低废水的pH值可以提高氧而降低或失去催化作用;当pH值低于3时,水中的的电极电位,加大微电池的电位差,促进电极反应的进H+浓度过高，Fenton反应Fe*+HO2'- +Fe2*+O2+H*行,从而提高处理效果。但当反应体系中H的浓度过受到抑制，Fe+不能顺利地被还原为Fe2t,催化反应高时,消耗硫酸过多增加了成本,同时减少了微电解材受阻,因此最佳pH选择为3。料的使用寿命,因此微电解的反应pH确定为4。2.6过氧化氢的加入量对Fenton氧化的影响2.4时间对微电解反应的影响设定反应的pH值为3,反应时间为100 min,考察设定铁炭比为1 : 1,反应pH值为4,反应时间分过氧化氢的加入量对反应的影响。 结果如图7所示。别设定为20 min .40 min、60 min .80 min、100 min、10120 min,考察反应时间对COD的去除率的影响。所得结果如图5所示。一0.08%十0.10%6C0t学420304050607080一t/min图7过氧化氢的加入量对COD的去除率的影响Fig.7 Influence of H2O2 addition amount on the removal rate ofCOD2(20120由图7可知随着过氧化氢加入量的增大,COD图5反应时间对COD的去除率的影响的去除率呈现逐渐增大的趋势,在加入量为0.08%(体Fig.5 Influence of reaction time on the removal rate of COD积分数)时COD的去除率达到最大值82.1%。分析原结果表明:随着时间的增加,COD的去除率呈逐因:当过氧化氢的加入量较少时产生.OH的数量自然渐升高的趋势，在反应时间80min时可以达到较少;但是H2O2作为.OH的捕捉剂也会消耗.OH,使53.1%,在反应时间120 min的时候,COD的去除率最氧化速率下降,因此过氧化氢的用量过高时,也会使大到达57.1%，鉴于80 min之后COD去除率增长幅有机物的降解产生影响。因此确定Fenton氧化的最佳度很小，反应时间定为80 min。过氧化氢的加入量为0.08%(体积分数)。2.5 pH 对Fenton氧化的影响2.7反应时间对Fenton氧化的影响微电解出水COD范围为70~150 mg/L，以微电设定反应的pH为3,过氧化氢的加入量为0.08%解出水作为原水进行Fenton氧化实验,设定反应时间(体积分数)，考察反应时间对Fenton氧化的影响,实.为100 min,过氧化氢(30%)的加入量为0.08%(体积验结果如图8所示。分数),考察不同pH值对Fenton氧化的影响。结果如图6所示。8C。7(DHSH60一;50844060301003(图8反应时间对COD的去除率的影响Fig.8 Influence of reaction time on the removal rate ofCOD图6pH值对COD的去除率的影响由图8可知COD的去除率随反应时间的增加呈Fig.6 Influence of pH on the removal rate ofCOD逐渐上升的趋势,在反应时间60min时COD去除率结果表明:pH值在3时COD的去除率最大达到达到79.3%中国煤化工0 min之后COD81.2% ,pH过高或过低都会Fenton 氧化效果产生影去除率仅上MHCNMHGFenton氧化反应响。这是因为pH值过高时,0H会直接抑制.OH的生时间为60 min。成，同时也因为Fe*和Fe2t会以氢氧化物的形式沉淀3后续处理 工艺及水质分析第7期魏基业,等城镇生活污水高 效化学处理技术研究9根据微电解和Fenton的最佳反应条件对污水进electrolysis[J]. Applied Chemical Industry ,2008,37(1):27-行处理,污水中COD值可以降到35 mg/L以下。出水加36.in Chinese)石灰水调pH值到8~10,并加人3%o的聚丙烯酰胺进[5]乔俊莲，郑广宏.铝炭微电解法处理碱性紫5BN模拟废水行混凝,经沉淀池沉淀后取上清液加入次氯酸钠进行的研究[J].工业用水与废水,2008, 39(3):49- -58.Qiao Jun-lian, Zheng Guang -hong. Treatment of simulant化学脱氮,回调pH至7,测定污水水质如表2所示。wastewater containing methylviolet 5BN by aluminum -表2处理后污水水质carbon micro telectrolysis[D]. Industrial Water & Wastewater,Table 2 Quality of the wastewater after treatment2008, 39(3):49-58.(in Chinese)指标COD BODs 悬浮物’ 磷酸盐氨氮 总大肠菌群6] 陈传好. Fenton试剂处理废水中各影响因子的作用机制[D]./mg'Ll /ng.L- /mg:Ll /mg'L-° /mg"L+ 1个L"环境科学,2000,21(5):15-18.含量10-30 5~1020~30 0.01~0.2 4.5-10 未检出Chen Chuan -hao. The mechanisms of affecting factors in由表10可以看出生活污水经过高效化学处理treating wastewater by Fenton reagent[J]. Environmental Sci-之后,水质达到城市污水再生利用城市杂用水水质ence. , 2000,21(5): 15-18.(in Chinese )(B/T18920- -2002)要求。[7] Piglatello J J. Dark and photoassisted Fe2+ catalyzed degra-dation of chlorophenoxy heetbicides by hydrogen peroxide[].Environmental Science and Technology , 1992 ,26( 12):944.通过高效化学方法对生活污水进行处理回用。最[8] 李圳，夏洁,王玉峥.微电解处理对染料废水脱色的影响[D].南京林业大学学报(自然科学版) ,2004, 28(1):87 -88.佳微电解条件为:微电解材料为铸铁屑,铁炭比2: 1,Li Chuan, Xia Jie, Wang Yu-zheng. Micro-clectrolysis pro-pH4，反应时间80 min,COD去除率可以达到53.1%。cess for treating dyeing wastewater[J]. Journal of NanjingFenton氧化的最佳反应条件为:pH 3,反应时间60 min,Forestry University(Natural Science Edition) , 2004 ,28(1):.过氧化氢(30%)的加入量0.08%(体积分数),在Fenton87- 88.in Chinese)氧化最佳反应条件下COD去除率达到79.3%。氧化出9] 田维,张洪林,蒋林时光Fenton试剂协同Ti0,对苯酚废水降水经过混凝沉淀、化学脱氮等步骤水质达到城市污水解加速作用的研究[0.长春理工大学学报,2006,29(2):76-79.再生利用城市杂用水水质(B/T18920- 2002)要求。整Tian Wei， Zhang Hong -lin,Jiang Lin -shi. Accelerative个处理过程在3 h之内完成,具有良好的应用前景。function of photocatalytic degradation of phenol by Fentonreagent with anatase titanium dioxide[J]. Joumal of Changchun[参考文献]University of Science and Technology ,2006, 29(2):76- -79.[]王文成,吴德礼，马鲁铭.零价金属还原降解水中污染物的(in Chinese)应用研究综述[].四川环境，2007 ,26(3):99 -103.[10]陈美玲.含酚污水处理技术的研究现状和发展趋势[J].化学Wang Wen- cheng, Wu De-li, Ma Lu-ming Development of工程师,2003(2):53 -57.applying zero- -valent metal for degradation of pollutants inChen Mei-ling. Actuality and developing trend in the treat-water[]. Sichuan Environment , 2007 , 26(3):99 -103. (in .ment of phenolic wastewater[J]. Chemical Engineer ,2003(2):Chinese)53- 57.(in Chinese)[2]齐迎,赵婷婷.微电解、Fenton试剂在处理工业废水中的应[1l] WangL C, Wen R Q, Ding H R. Treatment of nondegrad-用[D].大连大学学报,2008,29(6):41-46.able organic wastewater with Fenton reagent and its applicationQi Ying, Zhao Ting -ting. Application of microlectrolysis[]. Environmental Protection Science,2001 ,27(105):112-141.and Fenton reagent for industrial waste[]. 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